矿山采动裂隙演化与分布监测装置及方法

摘要

本发明公开了一种矿山采动裂隙演化与分布监测装置及方法，通过监测煤岩破裂产生的声波或振动的方法监测采动裂隙的产生、演化及分布。主要包括防爆声波监测仪、防爆电源和地面监测分析中心。防爆声波监测仪由声波传感器、信号转换与数据采集仪组成。在巷道底板、锚杆末端或钻孔中安装声波传感器，声波传感器监测到的声波或振动信号由信号转换与数据采集仪采集和处理，通过光纤端口传输到地面监测分析中心进行处理及定位、定量分析，并按位置和大小标注于平面、剖面或立体图中，以此表示裂隙的位置和大小。有益效果是：监测范围大，监测信息全面、量大，自动化程度高，实时性强。也可应用于冲击地压、煤与瓦斯突出和突水等煤岩动力灾害监测预报。

权利要求

1.一种矿山采动裂隙演化与分布监测方法，其特征在于，使用的矿山采动裂隙演化与分布监测装置包括：多个防爆声波监测仪(A)、给防爆声波监测仪(A)供电的防爆电源(13)、地面通讯接口(14)和地面监测分析中心(C)，所述的防爆声波监测仪(A)包括至少4个声波传感器(1)和信号转换与数据采集仪(B)；所述的信号转换与数据采集仪(B)包括多个输入接口(2)、信号转换电路(3)、与信号转换电路(3)的输出端连接的A/D转换电路(5)、与A/D转换电路(5)连接的CPU处理器(6)，在CPU处理器(6)上分别连接有时钟电路(7)、数据存储器(8)、程序存储器(9)、显示器(10)、RS485接口(11)和光纤接口(12)；

所述的多个声波传感器(1)分别和信号转换与数据采集仪(B)的对应的各输入接口(2)连接；所述的地面监测分析中心(C)包括与地面通讯接口(14)相连的地面监测中心站(15)和与地面监测中心站(15)相连的终端计算机(16)；信号转换与数据采集仪(B)的光纤接口(12)通过光纤、交换机与地面通讯接口(14)连接；

监测方法包括如下步骤：

a.根据现场实际需要确定在矿井范围内的监测区域，在监测区域内的采掘空间确定声波传感器(1)的安装位置；

b.根据监测距离及精度选定声波传感器：

当安装声波传感器(1)位置离回采、掘进、顶板活动等声源或震动源距离＜300m、且监测精度要求＜5m时，选用声发射传感器；

当安声波传感器(1)位置离回采、掘进、顶板活动等声源或震动源距离≥300m时，选用微震动传感器；

c.在巷道底板、锚杆末端或钻孔中安装声波传感器(1)，使声波传感器(1)与煤岩体进行耦合；

d.将各个声波传感器(1)与信号转换与数据采集仪(B)连接，信号转换与数据采集仪(B)通过光纤、交换机、地面通讯接口(14)和地面监测分析中心(15)连接；在地面监测中心站软件中设置好各传感器的位置及声波传播参数；将防爆电源(13)与防爆声波监测仪连接，并打开防爆声波监测仪的电源开关，防爆声波监测仪开始工作；

e.煤岩体受采动影响或应力作用下产生裂隙及声波活动，被震源周边的声波传感器(1)接收后，声波信号由防爆声波监测仪高速采集、存储，并显示声波信号的统计数据；同时将声波数据实时传输给地面监测中心站(15)；

f.地面监测中心站(15)通过软件根据各通道波形的初到时刻进行声波信号源定位，自动计算声波活动事件的能量、强度、振铃数、主频率和信号持续时间，并统计单位时间内的事件数、总能量、平均强度和总振铃数；定位的声波信号源即为采动裂隙的位置，声波活动事件的能量大小表示等效的采动裂隙的大小；

g.在终端计算机的平面、剖面或立体图中自动显示及标示采动裂隙的位置和大小，在终端计算机上以图或列表的形式显示声波活动事件的能量、强度、振铃数、主频率和信号持续时间，以及在空间上的分布和随时间的变化，并显示单位时间内声波活动的事件数、总能量、平均强度和总振铃数。

说明书

矿山采动裂隙演化与分布监测装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种监测装置及方法，尤其是一种通过监测煤岩破裂产生的声波或震动的矿山采动裂隙演化与分布监测装置及方法，属矿山压力和安全技术领域。也可应用于冲击地压(岩爆)、煤与瓦斯突出和突水等煤岩动力灾害监测预报。

背景技术

[0002] 矿山岩体在天然条件下处于原始应力平衡状态。井工矿山的采掘活动引起应力场的重新分布和围岩的活动，围岩活动包括围岩变形和采动裂隙的产生。采动裂隙的产生是该处围岩应力超过自身所能承受的极限应力后发生的断裂行为。在井工矿山采掘过程中始终会伴随有采动裂隙的产生及演化。采动裂隙按煤岩层采动裂隙出现的位置可以分为顶板岩层采动裂隙、煤层采动裂隙、底板岩层采动裂隙和地表采动裂隙；按采动裂隙的性质可以分为：竖向破断裂隙、岩层层间的离层裂隙和断层面的活化。矿山采掘过程中出现的煤岩动力灾害(如地表塌陷、巷道失稳、顶底板突水、煤与瓦斯突出、冲击地压和顶板冒落等)都直接或间接的与这些裂隙的存在与发展有关。采动裂隙的产生会引起煤岩层渗透率的提高，是瓦斯运移的良好通道，煤矿采动卸压瓦斯抽放措施的制定及实施效果也与采动裂隙的分布及演化密切相关。采动裂隙也是引起矿山突水和水资源流失的主要原因。因此探测采动裂隙的产生、演化及分布对于实时了解井工矿山的采掘活动、矿山应力分布及演化、掌握矿山采掘活动的影响范围、保护水资源，对于煤矿瓦斯治理及煤岩动力灾害预测及防治等都具有非常重要的理论意义和应用前景。

[0003] 长期以来，覆岩移动变形破坏探测采用的常规方法是钻孔冲洗液消耗法，采场底板岩体变形破坏探测采用的常规方法有分段注水漏失量观测法和应力测量法等。近些年来，裂隙探测也采用钻孔窥视法。需要指出的是，上述方法都是在单个钻孔中进行，由于煤层采动引起的覆岩及底板岩层变形破坏具有动态性及时空性，即裂隙网络是随着采动活动的进行而随时间和空间动态变化的，所以通过单一钻孔的探测效果只能反应孔壁局部范围的裂隙发育状况，并且探测结果只是反映钻孔期间的裂隙情况，属于静态观测。在钻孔数量有限的情况下，探测结果不能完全反应比较的空间范围内煤岩体裂隙的发生及分布情况，更不能及时反映煤岩体采动裂隙随时间和空间的演化情况，无法满足矿山的实际需求。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种矿山采动裂隙演化与分布监测装置及方法，其结构简单、操作方便、能实时连续监测矿山采动裂隙演化与分布情况。

[0005] 本发明采用的技术方案如下：包括多个防爆声波监测仪、给防爆声波监测仪供电的防爆电源、地面通讯接口和地面监测分析中心，所述的防爆声波监测仪包括多个声波传感器和信号转换与数据采集仪；所述的信号转换与数据采集仪包括多个输入接口、信号转换电路、与信号转换电路的输出端连接的A/D转换电路、与A/D转换电路连接的CPU处理器，在CPU处理器上分别连接有时钟电路、数据存储器、程序存储器、显示器、RS485接口和光纤接口；所述的多个声波传感器分别和信号转换与数据采集仪的对应的各输入接口连接；所述的地面监测分析中心包括与地面通讯接口相连的地面监测中心站和与地面监测中心站相连的终端计算机；信号转换与数据采集仪的光纤接口通过光纤、交换机与地面通讯接口连接。

[0006] 所述的声波传感器至少为4个；所述的声波传感器为声发射传感器或微震动传感器。

[0007] 本发明的矿山采动裂隙演化与分布监测方法，使用上述矿山采动裂隙演化与分布监测装置，包括如下步骤：

[0008] a.根据现场实际需要确定在矿井范围内的监测区域，在监测区域内的采掘空间确定声波传感器安装位置；

[0009] b.根据监测距离及精度选定声波传感器：

[0010] 当安装声波传感器位置离回采、掘进、顶板活动等声源或震动源距离＜300m、且监测精度要求＜5m时，选用声发射传感器；

[0011] 当安声波传感器位置离回采、掘进、顶板活动等声源或震动源距离≥300m时，选用微震动传感器；

[0012] c.在巷道底板、锚杆末端或钻孔中安装声波传感器，使声波传感器与煤岩体进行良好耦合；

[0013] d.将各个声波传感器与信号转换与数据采集仪连接，信号转换与数据采集仪通过光纤、交换机、地面通讯接口和地面监测分析中心连接；在地面监测中心站软件中设置好各传感器的位置及声波传播参数；将防爆电源与防爆声波监测仪连接，并打开防爆声波监测仪的电源开关，防爆声波监测仪开始工作；

[0014] e.煤岩体受采动影响或应力作用下产生裂隙及声波活动，被震源周边的声波传感器接收后，声波信号由防爆声波监测仪高速采集、存储，并显示声波信号的统计数据；同时将声波数据实时传输给地面监测中心站；

[0015] f.地面监测中心站通过软件根据各通道波形的初到时刻进行声波信号源定位，自动计算声波活动事件的能量、强度、振铃数、主频率和信号持续时间，并统计单位时间内的事件数、总能量、平均强度和总振铃数；定位的声波信号源即为采动裂隙的位置，声波活动事件的能量大小表示等效的采动裂隙的大小；

[0016] g.在终端计算机的平面、剖面或立体图中自动显示及标示采动裂隙的位置和大小，在终端计算机上以图或列表的形式显示声波活动事件的能量、强度、振铃数、主频率和信号持续时间，以及在空间上的分布和随时间的变化，并显示单位时间内声波活动的事件数、总能量、平均强度和总振铃数。

[0017] 由于受载煤岩体产生裂隙或断裂时会产生声波或震动，通过监测声波或震动信号并定位其发生源的位置，就能够了解产生裂隙的空间位置，通过实时监测声波或震动信号并进行实时定位及分析，就能够实现对采动裂隙演化及分布的实时监测，为矿山采动活动及矿山安全提供及时的基础数据。利用定点安装的传感器自动接收裂隙发生或发展过程产生的声波或震动信息，通过定位、能量计算及演化分析，确定采动裂隙的位置、大小和演化过程，实时监测并确定采动裂隙的产生、分布及其随采掘过程和时间-空间的演化关系，实时反映矿山应力分布及变化、围岩活动及采动影响等情况。能够对采动裂隙演化与分布的全空间、连续、动态、实时和自动监测，监测结果为矿压观测、覆岩活动、采空区顶板冒落、煤岩动力灾害预报及防治、瓦斯抽采和水资源保护等提供基础依据。

[0018] 本发明的有益效果是：与现有技术相比，方法简单，自动化程度高，实时性强，安装方便，操作更快捷、简便，长期有效；不需要打探测钻孔，大大减少了探测工作量；监测信息全面、量大，克服了传统观测方法的“一孔之见”，通过不同频带尺度传感器网络可对监测范围内全空间及任何时刻的采动裂隙产生及扩展情况进行实时监测与反映。还可应用于冲击地压、煤与瓦斯突出和突水等煤岩动力灾害监测预报。

附图说明

[0019] 图1是本发明采动裂隙演化与分布监测装置结构示意图。

[0020] 图2是本发明采动裂隙演化与分布监测方法流程图。

[0021] 图中：1、声波传感器，2、输入接口，3、信号转换电路，4、电源转换电路，5、A/D转换电路，6、CPU处理器，7、时钟电路，8、数据存储器，9、程序存储器，10、显示器，11、RS485接口，12、光纤接口，13、防爆电源，14、地面通讯接口，15、地面监测中心站，16、终端计算机。

具体实施方式

[0022] 下面结合附图对本发明的一个实施例作进上步的描述：

[0023] 图1所示，本发明的矿山采动裂隙演化与分布监测装置，主要由防爆声波监测仪A、防爆电源13、地面通讯接口14和地面监测分析中心C四部分组成。防爆声波监测仪A主要由声波传感器1、输入接口2、信号转换电路3、电源转换电路4、A/D转换电路5、CPU处理器6、时钟电路7、数据存储器8、程序存储器9、显示器10、RS485接口11和光纤接口12构成。其中声波传感器1为声发射传感器或微震动传感器；声波传感器至少为4个；A/D转换电路5的A/D转换模块选用ADS7852芯片；CPU处理器6中央处理单元选用STM32103单片机；时钟电路7选用时钟芯片DS12887为主电路，可以输出年、月、日、时、分、秒等信息；数据存储器8根据设计要求，能实时把测试的数据通过标准输出接口传输到地面，或将测试的数据存储起来，防止丢失，留待以后传输给计算机；数据存储器选用容量为4.0GB的SDHC Ultimate Class 10记忆卡。程序存储器9考虑到本系统主要是测试数据，并不进行复杂的数据处理，所以程序存储器选用64K字节的27C512已能满足要求。显示器10显示器选用耗电极低的液晶显示器。为了编程方便和节省程序存储器空间，以及显示内容丰富，选用每行16个字符共4行的液晶显示器。显示器和主板的连接通过插座CH2完成。防爆声波监测仪A包括4～16个声波传感器1、信号转换与数据采集仪B，4～16个声波传感器1为声发射传感器或微震动传感器。信号转换与数据采集仪B分别连接4～16个声波传感器1的4～16个输入接口2和信号转换电路3，信号转换电路3的输出端连接有A/D转换电路5，A/D转换电路5连接到CPU处理器6，CPU处理器6上分别连接有时钟电路7、数据存储器8、程序存储器9、显示器10、RS485接口11和光纤接口12。防爆电源选用现有的KJ系列防爆电源，工作电压为DC12～21V。地面监测分析中心C的主要功能包括数据接收、数据管理、数据处理(声源或震源自动定位、能量计算、事件时一空分布统计分析等)、数据及图形显示、数据查询、信息提示和报表等功能。地面监测分析中心C主要由与地面通讯接口14相连的地面监测中心站15和与地面监测中心站15相连的终端计算机16构成。地面监测分析中心C根据需要连接1～16个防爆声波监测仪。每个8通道防爆声波监测仪A最多可接8个声波传感器，每个16通道防爆声波监测仪A最多可接16个声波传感器1。声波传感器1根据监测精度及监测范围的要求选用声发射传感器或微震动传感器。信号转换与数据采集仪B包括分别连接多个声波传感器1的多个输入接口2和信号转换电路3，信号转换电路3的输出端连接有A/D转换电路5，A/D转换电路5连接到CPU处理器6，CPU处理器6上分别连接有时钟电路7、数据存储器8、程序存储器9、显示器10、RS485接口11和光纤接口12；地面监测分析中心C包括与地面通讯接口14相连的地面监测中心站15和终端计算机16；防爆声波监测仪A中的每个声波传感器1与信号转换与数据采集仪B相应的输入接口2、信号转换电路3串联连后接A/D转换电路5，电源转换电路4、A/D转换电路5和CPU处理器6与防爆电源13连接，A/D转换电路5、时钟电路7、数据存储器8、程序存储器9、显示器10、RS485接口11、光纤接口12分别接CPU处理器6，光纤接口12通过光纤、交换机与地面通讯接口14连接，地面通讯接口14和终端计算机16接地面监测中心站15。

[0024] 图2所示，本发明的矿山采动裂隙演化与分布监测方法：

[0025] a.根据现场实际需要确定在矿井范围内的监测区域，在监测区域内的采掘空间确定声波传感器安装位置，确定的地点应便于安装声波传感器；

[0026] b.根据监测距离及精度选定声波传感器：

[0027] 当安装声波传感器1位置离回采、掘进、顶板活动等声源或震动源距离＜300m，或监测一个工作面的尺度范围，且监测精度要求＜5m时，选用声发射传感器；

[0028] 当安声波传感器1位置离回采、掘进、顶板活动等声源或震动源距离≥300m时，或监测的范围大于一个工作面的尺度时，选用微震动传感器；

[0029] 安装位置允许且监测精度要求较高时，应尽可能多地安装声发射传感器；

[0030] c.在巷道底板、锚杆末端或钻孔中安装声波传感器1，使声波传感器1与煤岩体进行良好耦合；

[0031] d.将各个声波传感器1与信号转换与数据采集仪B连接，信号转换与数据采集仪B通过光纤、交换机、地面通讯接口14和地面监测分析中心15连接；在地面监测中心站软件中设置好各传感器的位置及声波传播参数；将防爆电源13与防爆声波监测仪连接，并打开防爆声波监测仪的电源开关，防爆声波监测仪开始工作；

[0032] e.煤岩体受采动影响或应力作用下产生裂隙及声波活动，被震源周边的声波传感器1接收后，声波信号由防爆声波监测仪高速采集、存储，并显示声波信号的统计数据；同时将声波数据实时传输给地面监测中心站15存储；

[0033] f.地面监测中心站15通过软件根据各通道波形的初到时刻进行声波信号源定位，自动计算声波活动事件的能量、强度、振铃数、主频率和信号持续时间，并统计单位时间内的事件数、总能量、平均强度和总振铃数；定位的声波信号源即为采动裂隙的位置，声波活动事件的能量大小表示等效的采动裂隙的大小；监测范围内的声波活动应至少有不在同一平面内的四个及以上声波传感器1能够接收到，否则应加设声波传感器或优化传感器安装位置，直到满足要求为止；监测精度不能满足要求时应重新优化确定声波传感器的安装位置；

[0034] g.在终端计算机的平面、剖面或立体图中自动显示及标示采动裂隙的位置和大小，在终端计算机上以图或列表的形式显示声波活动事件的能量、强度、振铃数、主频率和信号持续时间，以及在空间上的分布和随时间的变化，并显示单位时间内声波活动的事件数、总能量、平均强度和总振铃数；

[0035] g.地面监测中心站15通过软件根据各通道波形的初到时刻进行声波信号源定位，自动计算事件能量、强度、事件数、振铃数、主频率和信号持续时间；

[0036] h.定位的声波源即为采动裂隙的位置，其能量大小按比例表示裂隙的大小，在终端计算机的平面、剖面或立体图中自动显示及标示，在终端计算机上可以图或表的形式查询显示能量、强度、事件数、振铃数、主频率和信号持续时间在空间上的分布和随时间的变化；

[0037] j.当一定尺度范围内三个及以上的活动或裂隙在一条近似直线上并连通时，认为这些裂隙已贯通为一条大裂隙；当在某一规定的较小尺度范围内声波活动较多，达到相应的设定界限时，表明该区域范围内裂隙已贯通；当某一监测范围及其上覆岩层不再产生新的声波活动或新的裂隙时，表明该区域范围宏观裂隙已饱和；

[0038] k.声波活动或裂隙丰富的区域顶部是高效抽采卸压瓦斯的钻孔终孔合理位置；采空区顶板裂隙从煤层顶板由下而上、从采空区倾向中心区域向外逐渐发展，并随采动向前及时跟进时，表明该采空区顶板冒落良好；当工作面后方20米以上的范围在推进后无明显的声波活动时，表明该采空区顶板冒落性不好。

[0039] 通过连续监测及分析，就可以反映出采动裂隙或震动的产生与分布及其随时间和空间位置的变化规律，这为矿压观测、覆岩活动、采空区顶板冒落、动力灾害预报及瓦斯抽采等提供基础依据。

[0040] 本发明可实现采动裂隙演化与分布连续监测、数据实时采集、数据远距离传输、数据自动存储、数据自动分析、实时反映采动裂隙产生、分布及其随采动、时间和空间的演化规律、本质安全防爆等功能。也可应用于冲击地压(岩爆)、煤与瓦斯突出和突水等煤岩动力灾害监测预报。

[0041] 防爆声波监测仪的主要技术指标：

[0042] 1)声波传感器主要技术指标

[0043] 声发射传感器带宽：1kHz～15kHz；

[0044] 微震动传感器带宽：0.5Hz～1kHz；

[0045] 2)信号转换与数据采集仪主要技术指标

[0046] (1)通道数：4，8或16通道；

[0047] (2)输入数据型式：4～20mA，-5～5V，1～5V或200-3000Hz信号，可选；

[0048] (3)信号输出方式：RS485，CAN总线或光纤；

[0049] (4)防爆型式：本质安全型。

[0050] 地面监测分析中心主要技术指标：

[0051] (1)可连接分站或防爆声波监测仪数：1～16个，安装16通道声波监测仪时可采集1～256路数据；

[0052] (2)输入数据型式-5～5V或-10-10V信号，可选。