專利名稱：礦山采動裂隙演化與分布監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本實用新型涉及一種監(jiān)測裝置，尤其是一種通過監(jiān)測煤巖破裂產(chǎn)生的聲波或震動的礦山采動裂隙演化與分布監(jiān)測裝置，屬礦山壓力和安全技術(shù)領域。主要用于監(jiān)測煤巖采動裂隙的產(chǎn)生、演化及分布，還可應用于沖擊地壓(巖爆)、煤與瓦斯突出和突水等煤巖動力災害監(jiān)測預報。
背景技術(shù)：
礦山巖體在天然條件下處于原始應力平衡狀態(tài)。井工礦山的采掘活動引起應力場的重新分布和圍巖的活動，圍巖活動包括圍巖變形和采動裂隙的產(chǎn)生。采動裂隙的產(chǎn)生是該處圍巖應力超過自身所能承受的極限應力后發(fā)生的斷裂行為。在井工礦山采掘過程中始終會伴隨有采動裂隙的產(chǎn)生及演化。采動裂隙按煤巖層采動裂隙出現(xiàn)的位置可以分為頂板巖層采動裂隙、煤層采動裂隙、底板巖層采動裂隙和地表采動裂隙；按采動裂隙的性質(zhì)可以分為豎向破斷裂隙、巖層層間的離層裂隙和斷層面的活化。礦山采掘過程中出現(xiàn)的煤巖動力災害(如地表塌陷、巷道失穩(wěn)、頂?shù)装逋凰?、煤與瓦斯突出、沖擊地壓和頂板冒落等)都直接或間接的與這些裂隙的存在與發(fā)展有關。采動裂隙的產(chǎn)生會引起煤巖層滲透率的提高， 是瓦斯運移的良好通道，煤礦采動卸壓瓦斯抽放措施的制定及實施效果也與采動裂隙的分布及演化密切相關。采動裂隙也是引起礦山突水和水資源流失的主要原因。因此探測采動裂隙的產(chǎn)生、演化及分布對于實時了解井工礦山的采掘活動、礦山應力分布及演化、掌握礦山采掘活動的影響范圍、保護水資源，對于煤礦瓦斯治理及煤巖動力災害預測及防治等都具有非常重要的理論意義和應用前景。長期以來，覆巖移動變形破壞探測采用的常規(guī)方法是鉆孔沖洗液消耗法，采場底板巖體變形破壞探測采用的常規(guī)方法有分段注水漏失量觀測法和應力測量法等。近些年來，裂隙探測也采用鉆孔窺視法。需要指出的是，上述方法都是在單個鉆孔中進行，由于煤層采動引起的覆巖及底板巖層變形破壞具有動態(tài)性及時空性，即裂隙網(wǎng)絡是隨著采動活動的進行而隨時間和空間動態(tài)變化的，所以通過單一鉆孔的探測效果只能反應孔壁局部范圍的裂隙發(fā)育狀況，并且探測結(jié)果只是反映鉆孔期間的裂隙情況，屬于靜態(tài)觀測。在鉆孔數(shù)量有限的情況下，探測結(jié)果不能完全反應比較的空間范圍內(nèi)煤巖體裂隙的發(fā)生及分布情況， 更不能及時反映煤巖體采動裂隙隨時間和空間的演化情況，無法滿足礦山的實際需求。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是針對已有技術(shù)中存在的問題，提供一種礦山采動裂隙演化與分布監(jiān)測裝置，其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、能實時連續(xù)監(jiān)測礦山采動裂隙演化與分布情況。本實用新型采用的技術(shù)方案如下一種礦山采動裂隙演化與分布監(jiān)測裝置，包括多個防爆聲波監(jiān)測儀、給防爆聲波監(jiān)測儀供電的防爆電源、地面通訊接口和地面監(jiān)測分析中心，所述的防爆聲波監(jiān)測儀包括多個聲波傳感器和信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀；所述的信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀包括多個輸入接口、信號轉(zhuǎn)換電路、與信號轉(zhuǎn)換電路的輸出端連接的A/D轉(zhuǎn)換電路、與A/D轉(zhuǎn)換電路連接的CPU處理器，在CPU處理器上分別連接有時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、顯示器、RS485接口和光纖接口 ；所述的多個聲波傳感器分別和信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀的對應的各輸入接口連接；所述的地面監(jiān)測分析中心包括與地面通訊接口相連的地面監(jiān)測中心站和與地面監(jiān)測中心站相連的終端計算機；信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀的光纖接口通過光纖、交換機與地面通訊接口連接。所述的聲波傳感器至少為4個；所述的聲波傳感器為聲發(fā)射傳感器或微震動傳感器。原理是聲波傳感器監(jiān)測到的聲波或振動信號由信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀采集和處理，并通過光纖端口傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測分析中心進行處理及定位和定量分析，并按位置和大小標注于平面、剖面或立體圖中，以此表示裂隙的位置和大小。通過連續(xù)監(jiān)測及分析，可以反映采動裂隙的演化及分布規(guī)律。本實用新型的有益效果是與現(xiàn)有技術(shù)相比，方法簡單，自動化程度高，實時性強， 安裝方便，操作更快捷、簡便，長期有效；不需要打探測鉆孔，大大減少了探測工作量；監(jiān)測信息全面、量大，克服了傳統(tǒng)觀測方法的“一孔之見”，通過不同頻帶尺度傳感器網(wǎng)絡可對監(jiān)測范圍內(nèi)全空間及任何時刻的采動裂隙產(chǎn)生及擴展情況進行實時監(jiān)測與反映。

圖1是本實用新型采動裂隙演化與分布監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實用新型采動裂隙演化與分布監(jiān)測方法流程圖。圖中1、聲波傳感器，2、輸入接口，3、信號轉(zhuǎn)換電路，4、電源轉(zhuǎn)換電路，5、A/D轉(zhuǎn)換電路，6、CPU處理器，7、時鐘電路，8、數(shù)據(jù)存儲器，9、程序存儲器，10、顯示器，11、RS485接口，12、光纖接口，13、防爆電源，14、地面通訊接口，15、地面監(jiān)測中心站，16、終端計算機。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型的一個實施例作進一步的描述圖1所示，本實用新型的礦山采動裂隙演化與分布監(jiān)測裝置，主要由防爆聲波監(jiān)測儀A、防爆電源13、地面通訊接口 14和地面監(jiān)測分析中心C四部分組成。防爆聲波監(jiān)測儀 A主要由聲波傳感器1、輸入接口 2、信號轉(zhuǎn)換電路3、電源轉(zhuǎn)換電路4、A/D轉(zhuǎn)換電路5、CPU 處理器6、時鐘電路7、數(shù)據(jù)存儲器8、程序存儲器9、顯示器10、RS485接口 11和光纖接口 12構(gòu)成。其中聲波傳感器1為聲發(fā)射傳感器或微震動傳感器；聲波傳感器至少為4個；A/D 轉(zhuǎn)換電路5的A/D轉(zhuǎn)換模塊選用ADS7852芯片；CPU處理器6中央處理單元選用STM32103 單片機；時鐘電路7選用時鐘芯片DS12887為主電路，可以輸出年、月、日、時、分、秒等信息；數(shù)據(jù)存儲器8根據(jù)設計要求，能實時把測試的數(shù)據(jù)通過標準輸出接口傳輸?shù)降孛?，或?qū)y試的數(shù)據(jù)存儲起來，防止丟失，留待以后傳輸給計算機；數(shù)據(jù)存儲器選用容量為4. OGB的 SDHC Ultimate Class 10記憶卡。程序存儲器9考慮到本系統(tǒng)主要是測試數(shù)據(jù)，并不進行復雜的數(shù)據(jù)處理，所以程序存儲器選用64K字節(jié)的27C512已能滿足要求。顯示器10顯示器選用耗電極低的液晶顯示器。為了編程方便和節(jié)省程序存儲器空間，以及顯示內(nèi)容豐富， 選用每行16個字符共4行的液晶顯示器。顯示器和主板的連接通過插座CH2完成。防爆聲波監(jiān)測儀A包括4 16個聲波傳感器1、信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀B，4 16個聲波傳感器1為聲發(fā)射傳感器或微震動傳感器。信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀B分別連接4 16個聲波傳感器1的4 16個輸入接口 2和信號轉(zhuǎn)換電路3，信號轉(zhuǎn)換電路3的輸出端連接有A/D 轉(zhuǎn)換電路5，A/D轉(zhuǎn)換電路5連接到CPU處理器6，CPU處理器6上分別連接有時鐘電路7、 數(shù)據(jù)存儲器8、程序存儲器9、顯示器10、RS485接口 11和光纖接口 12。防爆電源選用現(xiàn)有的KJ系列防爆電源，工作電壓為DC12 21V。地面監(jiān)測分析中心C的主要功能包括數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理(聲源或震源自動定位、能量計算、事件時一空分布統(tǒng)計分析等)、 數(shù)據(jù)及圖形顯示、數(shù)據(jù)查詢、信息提示和報表等功能。地面監(jiān)測分析中心C主要由與地面通訊接口 14相連的地面監(jiān)測中心站15和與地面監(jiān)測中心站15相連的終端計算機16構(gòu)成。 地面監(jiān)測分析中心C根據(jù)需要連接1 16個防爆聲波監(jiān)測儀。每個8通道防爆聲波監(jiān)測儀A最多可接8個聲波傳感器，每個16通道防爆聲波監(jiān)測儀A最多可接16個聲波傳感器 1。聲波傳感器1根據(jù)監(jiān)測精度及監(jiān)測范圍的要求選用聲發(fā)射傳感器或微震動傳感器。信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀B包括分別連接多個聲波傳感器1的多個輸入接口 2和信號轉(zhuǎn)換電路 3，信號轉(zhuǎn)換電路3的輸出端連接有A/D轉(zhuǎn)換電路5，A/D轉(zhuǎn)換電路5連接到CPU處理器6， CPU處理器6上分別連接有時鐘電路7、數(shù)據(jù)存儲器8、程序存儲器9、顯示器10、RS485接口 11和光纖接口 12;地面監(jiān)測分析中心C包括與地面通訊接口 14相連的地面監(jiān)測中心站15 和終端計算機16 ；防爆聲波監(jiān)測儀A中的每個聲波傳感器1與信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀B相應的輸入接口 2、信號轉(zhuǎn)換電路3串聯(lián)連后接A/D轉(zhuǎn)換電路5，電源轉(zhuǎn)換電路4、A/D轉(zhuǎn)換電路5和CPU處理器6與防爆電源13連接，A/D轉(zhuǎn)換電路5、時鐘電路7、數(shù)據(jù)存儲器8、程序存儲器9、顯示器10、RS485接口 11、光纖接口 12分別接CPU處理器6，光纖接口 12通過光纖、交換機與地面通訊接口 14連接，地面通訊接口 14和終端計算機16接地面監(jiān)測中心站 15。圖2所示，本實用新型的監(jiān)測操作方法是a.根據(jù)現(xiàn)場實際需要確定在礦井范圍內(nèi)的監(jiān)測區(qū)域，在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的采掘空間確定聲波傳感器安裝位置，確定的地點應便于安裝聲波傳感器；b.根據(jù)監(jiān)測距離及精度選定聲波傳感器當安裝聲波傳感器1位置離回采、掘進、頂板活動等聲源或震動源距離< 300m，或監(jiān)測一個工作面的尺度范圍，且監(jiān)測精度要求< 5m時，選用聲發(fā)射傳感器；當安聲波傳感器1位置離回采、掘進、頂板活動等聲源或震動源距離> 300m時，或監(jiān)測的范圍大于一個工作面的尺度時，選用微震動傳感器；安裝位置允許且監(jiān)測精度要求較高時，應盡可能多地安裝聲發(fā)射傳感器；c.在巷道底板、錨桿末端或鉆孔中安裝聲波傳感器1，使聲波傳感器1與煤巖體進行良好耦合；d.將各個聲波傳感器1與信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀B連接，信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀 B通過光纖、交換機、地面通訊接口 14和地面監(jiān)測分析中心15連接；在地面監(jiān)測中心站軟件中設置好各傳感器的位置及聲波傳播參數(shù)；將防爆電源13與防爆聲波監(jiān)測儀連接，并打開防爆聲波監(jiān)測儀的電源開關，防爆聲波監(jiān)測儀開始工作；e.煤巖體受采動影響或應力作用下產(chǎn)生裂隙及聲波活動，被震源周邊的聲波傳感器1接收后，聲波信號由防爆聲波監(jiān)測儀高速采集、存儲，并顯示聲波信號的統(tǒng)計數(shù)據(jù)；同時將聲波數(shù)據(jù)實時傳輸給地面監(jiān)測中心站15存儲；[0023]f.地面監(jiān)測中心站15通過軟件根據(jù)各通道波形的初到時刻進行聲波信號源定位，自動計算聲波活動事件的能量、強度、振鈴數(shù)、主頻率和信號持續(xù)時間，并統(tǒng)計單位時間內(nèi)的事件數(shù)、總能量、平均強度和總振鈴數(shù)；定位的聲波信號源即為采動裂隙的位置，聲波活動事件的能量大小表示等效的采動裂隙的大?。槐O(jiān)測范圍內(nèi)的聲波活動應至少有不在同一平面內(nèi)的四個及以上聲波傳感器1能夠接收到，否則應加設聲波傳感器或優(yōu)化傳感器安裝位置，直到滿足要求為止；監(jiān)測精度不能滿足要求時應重新優(yōu)化確定聲波傳感器的安裝位置；g.在終端計算機的平面、剖面或立體圖中自動顯示及標示采動裂隙的位置和大小，在終端計算機上以圖或列表的形式顯示聲波活動事件的能量、強度、振鈴數(shù)、主頻率和信號持續(xù)時間，以及在空間上的分布和隨時間的變化，并顯示單位時間內(nèi)聲波活動的事件數(shù)、總能量、平均強度和總振鈴數(shù)；g.地面監(jiān)測中心站15通過軟件根據(jù)各通道波形的初到時刻進行聲波信號源定位，自動計算事件能量、強度、事件數(shù)、振鈴數(shù)、主頻率和信號持續(xù)時間；h.定位的聲波源即為采動裂隙的位置，其能量大小按比例表示裂隙的大小，在終端計算機的平面、剖面或立體圖中自動顯示及標示，在終端計算機上可以圖或表的形式查詢顯示能量、強度、事件數(shù)、振鈴數(shù)、主頻率和信號持續(xù)時間在空間上的分布和隨時間的變化；j.當一定尺度范圍內(nèi)三個及以上的活動或裂隙在一條近似直線上并連通時，認為這些裂隙已貫通為一條大裂隙；當在某一規(guī)定的較小尺度范圍內(nèi)聲波活動較多，達到相應的設定界限時，表明該區(qū)域范圍內(nèi)裂隙已貫通；當某一監(jiān)測范圍及其上覆巖層不再產(chǎn)生新的聲波活動或新的裂隙時，表明該區(qū)域范圍宏觀裂隙已飽和；k.聲波活動或裂隙豐富的區(qū)域頂部是高效抽采卸壓瓦斯的鉆孔終孔合理位置； 采空區(qū)頂板裂隙從煤層頂板由下而上、從采空區(qū)傾向中心區(qū)域向外逐漸發(fā)展，并隨采動向前及時跟進時，表明該采空區(qū)頂板冒落良好；當工作面后方20米以上的范圍在推進后無明顯的聲波活動時，表明該采空區(qū)頂板冒落性不好。通過連續(xù)監(jiān)測及分析，就可以反映出采動裂隙或震動的產(chǎn)生與分布及其隨時間和空間位置的變化規(guī)律，這為礦壓觀測、覆巖活動、采空區(qū)頂板冒落、動力災害預報及瓦斯抽采等提供基礎依據(jù)。本實用新型可實現(xiàn)采動裂隙演化與分布連續(xù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)實時采集、數(shù)據(jù)遠距離傳輸、數(shù)據(jù)自動存儲、數(shù)據(jù)自動分析、實時反映采動裂隙產(chǎn)生、分布及其隨采動、時間和空間的演化規(guī)律、本質(zhì)安全防爆等功能。防爆聲波監(jiān)測儀的主要技術(shù)指標1)聲波傳感器主要技術(shù)指標聲發(fā)射傳感器帶寬1kHz 15kHz ；微震動傳感器帶寬0. 5Hz IkHz ；2)信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀主要技術(shù)指標(1)通道數(shù)4，8或16通道；(2)輸入數(shù)據(jù)型式4 20mA，_5 5V，1 5V或200_3000Hz信號，可選；(3)信號輸出方式RS485，CAN總線或光纖；[0039](4)防爆型式本質(zhì)安全型。地面監(jiān)測分析中心主要技術(shù)指標(1)可連接分站或防爆聲波監(jiān)測儀數(shù)1 16個，安裝16通道聲波監(jiān)測儀時可采集1 256路數(shù)據(jù)；(2)輸入數(shù)據(jù)型式-5 5V或-10-10V信號，可選。
權(quán)利要求1.一種礦山采動裂隙演化與分布監(jiān)測裝置，包括多個防爆聲波監(jiān)測儀(A)、給防爆聲波監(jiān)測儀(A)供電的防爆電源(13)、地面通訊接口(14)和地面監(jiān)測分析中心(C)，其特征在于所述的防爆聲波監(jiān)測儀(A)包括多個聲波傳感器(1)和信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀(B)； 所述的信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀(B)包括多個輸入接口(2)、信號轉(zhuǎn)換電路(3)、與信號轉(zhuǎn)換電路⑶的輸出端連接的A/D轉(zhuǎn)換電路(5)、與A/D轉(zhuǎn)換電路(5)連接的CPU處理器(6)，在 CPU處理器(6)上分別連接有時鐘電路(7)、數(shù)據(jù)存儲器(8)、程序存儲器(9)、顯示器(10)、 RS485接口(11)和光纖接口(12)；所述的多個聲波傳感器(1)分別和信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀(B)的對應的各輸入接口(2)連接；所述的地面監(jiān)測分析中心(C)包括與地面通訊接口 (14)相連的地面監(jiān)測中心站(15)和與地面監(jiān)測中心站(15)相連的終端計算機(16)；信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀(B)的光纖接口(12)通過光纖、交換機與地面通訊接口(14)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的礦山采動裂隙演化與分布監(jiān)測裝置，其特征在于所述的聲波傳感器(1)至少為4個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的礦山采動裂隙演化與分布監(jiān)測裝置，其特征在于所述的聲波傳感器(1)為聲發(fā)射傳感器或微震動傳感器。
專利摘要本實用新型公開了一種礦山采動裂隙演化與分布監(jiān)測裝置，屬礦山壓力和安全技術(shù)領域。主要由防爆聲波監(jiān)測儀、防爆電源和地面監(jiān)測分析中心組成。防爆聲波監(jiān)測儀由聲波傳感器、信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀組成。聲波傳感器為聲發(fā)射傳感器或微震動傳感器。在巷道底板、鉆桿末端或鉆孔中安裝聲波傳感器，聲波傳感器監(jiān)測到的聲波或振動信號由信號轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)采集儀采集和處理，并通過光纖端口傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測分析中心進行處理及定位、定量分析，按位置和大小標注于平面、剖面或立體圖中表示裂隙的位置和大小。有益效果是方法簡單，自動化程度高，實時性強，長期有效；無需打探測鉆孔；監(jiān)測信息全面、量大。還可應用于沖擊地壓、煤與瓦斯突出和突水等監(jiān)測預報。
文檔編號G01V1/00GK202033476SQ201120130229
公開日2011年11月9日 申請日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者王喜元, 王恩元, 許福樂 申請人:徐州福安科技有限公司