一種分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測方法及系統(tǒng)，在煤巖巷道表面或鉆孔內(nèi)分布式布置若干監(jiān)測電極，電位監(jiān)測儀連續(xù)實時采集煤巖體受載產(chǎn)生的電位信號差，根據(jù)電位信號差的分布和變化，采用區(qū)域臨界值和動態(tài)趨勢相結(jié)合的方式對煤巖動力災(zāi)害危險性及危險區(qū)域進(jìn)行實時預(yù)警。本發(fā)明提供的分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測方法及系統(tǒng)，通過分布式監(jiān)測電位信號來反映煤巖體受載、變形破壞程度、動力災(zāi)害危險性分布及其演化情況，具有實時性及響應(yīng)性好、抗干擾能力強、自動化程度高、實用性較強、安裝方便的特點。
【專利說明】一種分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測方法及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測方法及系統(tǒng)，通過監(jiān)測煤巖體破壞產(chǎn)生的電位信號變化來進(jìn)行煤巖動力災(zāi)害的監(jiān)測，屬于煤巖動力災(zāi)害地球物理監(jiān)測及礦山安全監(jiān)控技術(shù)，主要用于礦山?jīng)_擊地壓、煤與瓦斯突出、壓出、巷道頂板失穩(wěn)冒落、突水和地質(zhì)滑坡等動力災(zāi)害演化過程研究及危險性監(jiān)測預(yù)警。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著煤礦開采深度的逐年增加，沖擊地壓、煤巖層頂板失穩(wěn)冒落、煤與瓦斯突出、突水等突發(fā)性煤巖動力災(zāi)害發(fā)生的可能性和危險性也逐漸增大，部分原來無危險的煤礦也開始出現(xiàn)動力現(xiàn)象。如此形勢下，煤礦的正常生產(chǎn)和煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展將受到極大威脅。對上述動力災(zāi)害發(fā)生之前進(jìn)行有效識別預(yù)警并及時采取預(yù)防措施對煤巖動力災(zāi)害防治工作尤為重要。
[0003]目前對于煤巖動力災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報常采用鉆孔法，但該方法需要耗費大量人力物力來專門進(jìn)行施工作業(yè)，不利于采掘生產(chǎn)，也不能實現(xiàn)連續(xù)實時監(jiān)測，且該方法在實施過程中有誘發(fā)煤巖動力災(zāi)害發(fā)生的可能。隨著對煤巖動力災(zāi)害和地球物理手段研究的不斷深入，提出了多種地球物理監(jiān)測方法，包括聲發(fā)射法、地音法、微震法和電磁輻射法等。其中，電磁輻射法在煤巖動力災(zāi)害監(jiān)測技術(shù)方面實現(xiàn)了非接觸式動態(tài)監(jiān)測。但是這些地球物理方法仍有諸如傳感器安設(shè)、準(zhǔn)確定位監(jiān)測、提高抗干擾能力、提高響應(yīng)準(zhǔn)確性等方面的很多問題需要解決。煤巖體應(yīng)力監(jiān)測也被應(yīng)用于礦山壓力及沖擊地壓的監(jiān)測，但需要傳感器與煤巖體進(jìn)行良好耦合，這在現(xiàn)場中比較困難。
[0004]電法作為地球物理手段之一也有深入的研究，在地質(zhì)勘探、物探等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。該方法主要通過向受測區(qū)域施加直流或交流電磁場，用于探測地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)異常、礦山采空區(qū)、礦藏賦存、水流等，也可探測受測區(qū)域煤巖體的自然電位場變化，但分析處理時一般將該自然電位場作為背景場考慮而不做深入研究。該方法未涉及針對煤巖動力破壞誘發(fā)的電位信號的連續(xù)實時監(jiān)測與分析。
[0005]近年來，中國礦業(yè)大學(xué)對不同受載方式下煤巖體變形破裂過程的電位信號進(jìn)行了大量的測試和研究。研究結(jié)果表明，煤巖體受載或變形破裂時有電位信號產(chǎn)生，電位信號對煤巖體受載程度比電磁輻射、微震和聲發(fā)射等更好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測方法及系統(tǒng)，能夠?qū)ΡO(jiān)測區(qū)域內(nèi)的煤巖體電位信號變化進(jìn)行同步多點連續(xù)實時監(jiān)測，能夠?qū)ΦV山生產(chǎn)過程中潛在的沖擊地壓(巖爆)、煤與瓦斯突出、壓出、巷道頂板失穩(wěn)冒落等動力災(zāi)害危險區(qū)域及危險性監(jiān)測預(yù)警。
[0007]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0008]一種分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測方法，在煤巖巷道表面或鉆孔內(nèi)分布式布置若干監(jiān)測電極，電位監(jiān)測儀按照不同監(jiān)測方式連續(xù)實時采集監(jiān)測電極接收到的煤巖體受載產(chǎn)生的電位信號差，電位監(jiān)測系統(tǒng)對電位信號差進(jìn)行實時分析，根據(jù)電位信號差對煤巖動力災(zāi)害危險性及危險區(qū)域進(jìn)行實時監(jiān)測與預(yù)警。
[0009]所述監(jiān)測電極的布置方式為以下兩種方式中的一種:第一種、等距電位差方式，測得的電位信號差為正負(fù)電極間的電位差；第二種、共地點電位差方式，測得的電位信號差為正電極處相對于共地負(fù)電極處的電位差。
[0010]所述監(jiān)測方式包括以下兩種方式中的一種或兩種的結(jié)合:第一種、煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測、定期采集與分析方式；第二種、煤巖動力災(zāi)害電位實時在線監(jiān)測與分析方式；其中第一種監(jiān)測方式是對第二種的補充與驗證。
[0011]所述監(jiān)測與預(yù)警方式為電位監(jiān)測系統(tǒng)對煤巖體產(chǎn)生的電位信號差進(jìn)行分析，獲取電位信號的分布和變化規(guī)律，采用臨界值法與動態(tài)趨勢法相結(jié)合的方式，對煤巖動力災(zāi)害危險性及危險區(qū)域進(jìn)行實時監(jiān)測與預(yù)警。比如當(dāng)某一區(qū)域的電位信號平均值或動態(tài)趨勢變化率超過設(shè)定的預(yù)警臨界值時，預(yù)警有危險，超限的區(qū)域即為危險區(qū)域。
[0012]所述臨界值法為:電位監(jiān)測儀按照預(yù)設(shè)的采樣周期N對監(jiān)測區(qū)域煤巖電位信號進(jìn)行實時采集，然后地面終端計算出采樣周期N時間內(nèi)電位差的平均值ro-avgl ;當(dāng)N時間內(nèi)電位差的平均值ro-aVgl超過預(yù)定的預(yù)警臨界值時，系統(tǒng)發(fā)出災(zāi)變警報；所述動態(tài)趨勢法為:指對每個采樣周期內(nèi)的電位差的平均值^)_&%2進(jìn)行分析，并計算ro-aVg2的增長趨勢，當(dāng)T時間內(nèi)ro_avg2呈連續(xù)變化趨勢且變化率Λ PD超過預(yù)設(shè)臨界增長率η時，系統(tǒng)發(fā)出災(zāi)變警報。
[0013]一種分布式煤巖動力災(zāi)害 電位實時監(jiān)測系統(tǒng),包括監(jiān)測電極、電位監(jiān)測儀、手持米集儀、通訊分站、本安電源、礦用傳輸接口、監(jiān)測主機、監(jiān)控終端、防爆環(huán)網(wǎng)交換機、環(huán)網(wǎng)和礦用屏蔽電纜；所述監(jiān)測電極分布式布置在煤巖巷道表面或鉆孔內(nèi)，所述電位監(jiān)測儀與監(jiān)測電極相連，所述電位監(jiān)測儀呈分布式與通訊分站相連，所述通訊分站通過防爆環(huán)網(wǎng)交換機接入環(huán)網(wǎng)后接入監(jiān)測主機，同時通訊分站還可通過礦用傳輸接口直接接入監(jiān)測主機；所述本安電源為通訊分站供電；所述手持采集儀既可以對電位監(jiān)測儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，也可以收集電位監(jiān)測儀數(shù)據(jù)并通過監(jiān)控終端與監(jiān)測主機進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
[0014]監(jiān)測電極可選用多種型號地震監(jiān)測、地電場監(jiān)測及地質(zhì)勘探等領(lǐng)域內(nèi)研發(fā)應(yīng)用的電極(包括硫酸銅、氯化銀等固(液)不極化電極，銅、鐵、不銹鋼、鈍化處理后的鉛等金屬材質(zhì)電極)。監(jiān)測電極外型靈活多變，可根據(jù)實際情況設(shè)計為柱狀、桿狀、針狀、錐狀等外型。監(jiān)測電極完全被動接受電位信號，能有效保證原始電位信號的真實性。
[0015]電位監(jiān)測儀通過通訊分站和/或傳輸接口(以RS485或CAN通訊方式)將電位信號差實時上傳至監(jiān)測主機，通訊分站也可通過交換機、光纖、環(huán)網(wǎng)或手持采集儀將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控終端。
[0016]綜上，本發(fā)明主要包括以下指標(biāo):
[0017](a)信號接收方式:分布式，多點，區(qū)域性接收
[0018](b)信號處理方式:實時處理，實時顯不，實時輸出
[0019](C)預(yù)警方式:實時預(yù)警；采用臨界值法與動態(tài)趨勢法相結(jié)合的方式，對煤巖動力災(zāi)害危險性及危險區(qū)域進(jìn)行實時預(yù)警。
[0020]有益效果:本發(fā)明提供的分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測方法及系統(tǒng)，通過監(jiān)測電位信號來反映煤巖體受載、變形破壞程度及動力災(zāi)害危險性，具有自動化程度高、實用性較強、安裝方便、操作更快捷、一次安裝長期有效、監(jiān)測區(qū)域靈活等特點，能夠真實全面反映預(yù)定監(jiān)測區(qū)域煤巖體的受載及變形破壞情況。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0022]圖2為監(jiān)測電極的布置方式，其中(a)為等距電位差分布，(b)為共地點電位差分布；
[0023]圖3為分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及預(yù)警流程圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0025]如圖1所示，分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測系統(tǒng)包括監(jiān)測電極1、電位監(jiān)測儀
2、通訊分站3、本安電源4、礦用傳輸接口 5、監(jiān)測主機6、監(jiān)控終端7、防爆環(huán)網(wǎng)交換機8、環(huán)網(wǎng)9和礦用屏蔽電纜10 ;所述監(jiān)測電極I分布式布置在煤巖巷道表面或鉆孔內(nèi)，所述電位監(jiān)測儀2與監(jiān)測電極I相連，所述電位監(jiān)測儀2呈分布式與通訊分站3相連，所述通訊分站3通過防爆環(huán)網(wǎng)交換機8接入環(huán)網(wǎng)9后接入監(jiān)測主機6，同時通訊分站3還可通過RS485或者CAN通訊方式與礦用傳輸接口 5相連并直接接入監(jiān)測主機6 ;所述本安電源4為通訊分站3供電；所述各設(shè)備之間均采用礦用屏蔽電纜10進(jìn)行連接，所述手持采集儀既可以對電位監(jiān)測儀2進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，也可以收集電位監(jiān)測儀2數(shù)據(jù)并通過監(jiān)測主機6與監(jiān)控終端7進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。
[0026]本發(fā)明的分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測方法，在煤巖巷道表面或鉆孔內(nèi)分布式布置若干監(jiān)測電極，電位監(jiān)測儀按照不同監(jiān)測方式連續(xù)實時采集監(jiān)測電極接收到的煤巖體受載產(chǎn)生的電位信號差，電位監(jiān)測系統(tǒng)對煤巖體產(chǎn)生的電位信號差進(jìn)行實時分析，獲取電位信號的分布和變化規(guī)律，采用臨界值法與動態(tài)趨勢法相結(jié)合的方式，對煤巖動力災(zāi)害危險性及危險區(qū)域進(jìn)行實時監(jiān)測與預(yù)警。比如當(dāng)某一區(qū)域的電位信號平均值或動態(tài)趨勢變化率超過設(shè)定的預(yù)警臨界值時，預(yù)警有危險，超限的區(qū)域即為危險區(qū)域。
[0027]如圖2所示，所述監(jiān)測電極I的布置方式為以下兩種方式中的一種:第一種、等距電位差方式，測得的電位信號差為正負(fù)電極間的電位差，如圖(a);第二種、共地點電位差方式，測得的電位信號差為正電極處相對于共地負(fù)電極處的電位差，如圖(b)。
[0028]該案中，煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測方式采用以下兩種方式中的一種或兩種的結(jié)合:1、煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測、定期采集與分析方式，由手持采集儀定期采集各電位監(jiān)測儀2數(shù)據(jù)，然后由監(jiān)控終端7進(jìn)行深入分析處理；2、煤巖動力災(zāi)害電位實時在線監(jiān)測與分析方式，由監(jiān)控終端7的分析軟件對上傳數(shù)據(jù)自動實時處理分析，方式I用于對方式2的補充和驗證。具體實現(xiàn)過程如下:
[0029](I)選定監(jiān)測煤巖巷道區(qū)域，在預(yù)定監(jiān)測區(qū)域煤巖巷道表面或鉆孔內(nèi)分布式布置監(jiān)測電極；
[0030](2)按照圖1所示，依次連接各個部件，建立分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測系統(tǒng)；[0031](3)監(jiān)測終端運行煤巖體電位分析軟件，實時采集與分析電位信號分布及變化，對煤巖動力災(zāi)害危險性及危險區(qū)域進(jìn)行預(yù)警。
[0032]該案通過電位監(jiān)測煤巖體受載、變形破裂程度及動力災(zāi)害危險性具有響應(yīng)性好、抗干擾能力強、操作簡便等優(yōu)點。可應(yīng)用于礦山?jīng)_擊地壓、煤與瓦斯突出、壓出、巷道頂板失穩(wěn)冒落、突水和地質(zhì)滑坡等動力災(zāi)害演化過程研究及危險性監(jiān)測預(yù)警。
[0033]下面就本案加以具 體說明:
[0034]本案中，通過在預(yù)定煤巖體監(jiān)測區(qū)域內(nèi)分布式布置電位監(jiān)測裝置，當(dāng)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的煤巖體受載產(chǎn)生電位信號后，電位監(jiān)測裝置對電位信號進(jìn)行實時采集，然后通過兩種通訊方式(光纖環(huán)網(wǎng)和485或者CAN通訊)上傳至地面監(jiān)控終端7，地面監(jiān)控終端7運行煤巖體電位分析軟件，對電位信號進(jìn)行深入分析處理后作出預(yù)警判斷。
[0035]如圖3所示，對電位信號差進(jìn)行分析，獲取電位分布和變化，采用臨界值法與動態(tài)趨勢法相結(jié)合的方式，對煤巖動力災(zāi)害危險性及危險區(qū)域進(jìn)行實時預(yù)警。其中臨界值法是指電位監(jiān)測儀按照預(yù)設(shè)的采樣周期N對監(jiān)測區(qū)域煤巖電位信號進(jìn)行實時采集，然后地面終端計算出采樣周期N時間內(nèi)電位差的平均值ro_avgl ;當(dāng)N時間內(nèi)電位差的平均值ro-avgi超過預(yù)定的預(yù)警臨界值時，系統(tǒng)發(fā)出災(zāi)變警報；動態(tài)趨勢法是指對每個采樣周期內(nèi)的電位差的平均值F1D-BVg2進(jìn)行分析,并計算F1D-BVg2的增長趨勢，當(dāng)T時間內(nèi)PD-avg2呈連續(xù)變化趨勢且變化率△ H)超過預(yù)設(shè)臨界增長率η時，系統(tǒng)發(fā)出災(zāi)變警報。
[0036]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測方法，其特征在于:在煤巖巷道表面或鉆孔內(nèi)分布式布置若干監(jiān)測電極，電位監(jiān)測儀按照不同監(jiān)測方式連續(xù)實時采集監(jiān)測電極接收到的煤巖體產(chǎn)生的電位信號差，電位監(jiān)測系統(tǒng)對電位信號差進(jìn)行實時分析，根據(jù)電位信號差變化對煤巖動力災(zāi)害危險性及危險區(qū)域進(jìn)行實時監(jiān)測與預(yù)警。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測方法，其特征在于:所述監(jiān)測電極的布置方式為以下兩種方式中的一種:第一種、等距電位差方式，測得的電位信號差為正負(fù)電極間的電位差；第二種、共地點電位差方式，測得的電位信號差為正電極處相對于共地負(fù)電極處的電位差。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測方法，其特征在于:所述監(jiān)測方式包括以下兩種方式中的一種或兩種的結(jié)合:第一種、煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測、定期采集與分析方式；第二種、煤巖動力災(zāi)害電位實時在線監(jiān)測與分析方式；其中第一種監(jiān)測方式是對第二種的補充與驗證。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測方法，其特征在于:所述監(jiān)測與預(yù)警方式為電位監(jiān)測系統(tǒng)對煤巖體產(chǎn)生的電位信號差進(jìn)行實時分析，獲取電位信號的分布和變化規(guī)律，采用臨界值法與動態(tài)趨勢法相結(jié)合的方式，對煤巖動力災(zāi)害危險性及危險區(qū)域進(jìn)行實時監(jiān)測與預(yù)警。
5.根據(jù)權(quán)利要4所述的分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測方法,其特征在于:所述臨界值法為:電位監(jiān) 測儀按照預(yù)設(shè)的采樣周期N對監(jiān)測區(qū)域煤巖電位信號進(jìn)行實時采集，然后地面終端計算出采樣周期N時間內(nèi)電位差的平均值ro_avgl ;當(dāng)N時間內(nèi)電位差的平均值ro-aVgl超過預(yù)定的預(yù)警臨界值時，系統(tǒng)發(fā)出災(zāi)變警報；所述動態(tài)趨勢法為:指對每個采樣周期內(nèi)的電位差的平均值F1D-BVg2進(jìn)行分析，并計算F1D-BVg2的增長趨勢，當(dāng)T時間內(nèi)PD-avg2呈連續(xù)變化趨勢且變化率Λ PD超過預(yù)設(shè)臨界增長率η時，系統(tǒng)發(fā)出災(zāi)變警報。
6.—種分布式煤巖動力災(zāi)害電位實時監(jiān)測系統(tǒng),其特征在于:包括監(jiān)測電極(I)、電位監(jiān)測儀(2)、通訊分站(3)、本安電源(4)、礦用傳輸接口(5)、監(jiān)測主機(6)、監(jiān)控終端(7)、防爆環(huán)網(wǎng)交換機(8)、環(huán)網(wǎng)(9)和礦用屏蔽電纜(10);所述監(jiān)測電極(I)分布式布置在煤巖巷道表面或鉆孔內(nèi)，所述電位監(jiān)測儀(2)與監(jiān)測電極(I)相連，所述電位監(jiān)測儀(2)呈分布式與通訊分站(3)相連，所述通訊分站(3)通過防爆環(huán)網(wǎng)交換機(8)接入環(huán)網(wǎng)(9)后接入監(jiān)測主機(6)，同時通訊分站(3)還可通過礦用傳輸接口(5)直接接入監(jiān)測主機(6);所述本安電源(4)為通訊分站(3)供電；所述各設(shè)備之間均采用礦用屏蔽電纜(10)進(jìn)行連接。
【文檔編號】E21F17/18GK104018882SQ201410213215
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月20日
【發(fā)明者】王恩元, 楊玉龍, 李忠輝 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)