煤機(jī)采動激勵下綜采面近場煤巖動態(tài)層析成像系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于綜采工作面附近煤巖動態(tài)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種煤機(jī)采動激 勵下綜采面近場煤巖動態(tài)層析成像系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 根據(jù)煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)規(guī)程（即《煤礦安全規(guī)程》）規(guī)定，生產(chǎn)前要采用鉆探、物 探及巷探等技術(shù)手段，探測綜采工作面（簡稱綜采面）安全距離內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)情 況、煤、巖層位及其它相關(guān)地質(zhì)情況，防止瓦斯突出和突水事故的發(fā)生，確保安全生產(chǎn)。但 是，隨著近十年來我國煤礦開采深度的加大和開采規(guī)模的提高，導(dǎo)致開采條件更趨復(fù)雜；而 依據(jù)傳統(tǒng)的超前探測方法無法動態(tài)地、高分辨地跟蹤綜采面近場煤巖裂隙場變化。其中，綜 采面近場煤巖指的是綜采工作面（簡稱綜采面）安全距離內(nèi)的煤巖。因此，迫切需要找到 能夠?qū)崟r跟蹤綜采面近場采動煤巖的結(jié)構(gòu)破壞與裂隙演化的動態(tài)可視化方法，從而對即將 發(fā)生事故的概率進(jìn)行科學(xué)評價和預(yù)測。
[0003] 另外，目前常用的綜采面近場煤巖探測方法有：直流電法探測、音頻電透法、瞬變 電磁探測。但是上述現(xiàn)有的探測方法必須在綜采面停產(chǎn)/準(zhǔn)停產(chǎn)的條件下進(jìn)行專門探測施 工。對處于工作狀態(tài)下的綜采面近場煤巖結(jié)構(gòu)破壞與裂隙演化無法進(jìn)行動態(tài)測量，從而無 法為煤礦安全的動態(tài)預(yù)測預(yù)警提供有效的幫助。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種煤機(jī)采動 激勵下綜采面近場煤巖動態(tài)層析成像系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理、安裝布設(shè)方便且使用操 作簡便、使用效果好，以煤機(jī)采動作為激勵源，能簡便、快速對綜采面近場煤巖進(jìn)行動態(tài)層 析成像，并且成像效果好。
[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種煤機(jī)采動激勵下綜采面近 場煤巖動態(tài)層析成像系統(tǒng)，其特征在于：包括采煤過程中對振動激勵源作用下綜采面近場 煤巖的振動狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時檢測的陣列信息同步采集裝置和與所述陣列信息同步采集裝置 相接的近場煤巖層析成像工作站，所述綜采面近場煤巖為位于綜采面前方的探測區(qū)域內(nèi)的 煤巖體，所述陣列信息同步采集裝置位于綜采面前方；所述綜采面為回采工作面，所述振動 激勵源為對綜采面進(jìn)行開采的采煤機(jī)，所述近場煤巖層析成像工作站包括上位機(jī)；所述陣 列信息同步采集裝置包括采煤過程中對所述振動激勵源的位置進(jìn)行實(shí)時檢測的開采位置 檢測單元和兩個均布設(shè)在回采巷道內(nèi)的錨桿振動測量陣列，兩個所述錨桿振動測量陣列分 別布設(shè)在所述回采巷道中的工作面運(yùn)輸巷和工作面回風(fēng)巷內(nèi)，所述工作面運(yùn)輸巷和工作面 回風(fēng)巷的巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)均包括多個布設(shè)在巷道壁上的錨桿；兩個所述錨桿振動測量陣列均 包括多個對所布設(shè)位置的振動狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時檢測的錨桿振動檢測單元，多個所述錨桿振動 檢測單元均布設(shè)在工作面運(yùn)輸巷或工作面回風(fēng)巷內(nèi)的多個所述錨桿外端；兩個所述錨桿振 動測量陣列中的所有錨桿振動檢測單元均與上位機(jī)相接；所述開采位置檢測單元布設(shè)在采 煤機(jī)上且其與上位機(jī)相接。
[0006] 上述煤機(jī)采動激勵下綜采面近場煤巖動態(tài)層析成像系統(tǒng)，其特征是：所述開采位 置檢測單元為對采煤機(jī)的截割滾筒位置進(jìn)行實(shí)時檢測的位置檢測單元。
[0007] 上述煤機(jī)采動激勵下綜采面近場煤巖動態(tài)層析成像系統(tǒng)，其特征是：兩個所述錨 桿振動測量陣列中的所有錨桿振動檢測單元沿綜采面的推進(jìn)方向由前至后分為多個振動 檢測組，多個所述振動檢測組分別布設(shè)在多個振動檢測斷面上，所述振動檢測斷面與綜采 面呈平行布設(shè)，多個所述振動檢測斷面沿綜采面的推進(jìn)方向由前至后進(jìn)行布設(shè)；每個所述 振動檢測組均包括布設(shè)在同一振動檢測斷面上的多個所述錨桿振動檢測單元，每個所述振 動檢測組中布設(shè)于工作面運(yùn)輸巷內(nèi)的錨桿振動檢測單元的數(shù)量為一個或多個，每個所述振 動檢測組中布設(shè)于工作面回風(fēng)巷內(nèi)的錨桿振動檢測單元的數(shù)量為一個或多個。
[0008] 上述煤機(jī)采動激勵下綜采面近場煤巖動態(tài)層析成像系統(tǒng)，其特征是：所述工作面 運(yùn)輸巷和工作面回風(fēng)巷內(nèi)的多個所述錨桿均由前至后分為多個錨桿組，多個所述錨桿組分 別布設(shè)在多個所述振動檢測斷面上；每個所述錨桿組均包括布設(shè)在同一振動檢測斷面上的 多個所述錨桿，每個所述錨桿組中的多個所述錨桿均包括多個由左至右布設(shè)在巷道頂板上 的頂板錨桿、多個由上至下布設(shè)在內(nèi)側(cè)巷道幫部的內(nèi)側(cè)巷幫錨桿和多個由上至下布設(shè)在外 側(cè)巷道幫部的外側(cè)巷幫錨桿，所述工作面運(yùn)輸巷和工作面回風(fēng)巷的內(nèi)側(cè)巷道幫部均為靠近 綜采面一側(cè)的巷道幫部；兩個所述錨桿振動測量陣列中的所有錨桿振動檢測單元均布設(shè) 在所述內(nèi)側(cè)巷幫錨桿上，每個所述內(nèi)側(cè)巷幫錨桿上所布設(shè)錨桿振動檢測單元的數(shù)量均為一 個；兩個所述錨桿振動測量陣列組成對采煤機(jī)采煤過程中產(chǎn)生的應(yīng)力波信號進(jìn)行實(shí)時檢測 的應(yīng)力波檢測裝置。
[0009] 上述煤機(jī)采動激勵下綜采面近場煤巖動態(tài)層析成像系統(tǒng)，其特征是：兩個所述錨 桿振動測量陣列中的所有錨桿振動檢測單元與上位機(jī)之間均以無線方式進(jìn)行通信；所述錨 桿振動檢測單元為無線振動檢測單元且其包括振動傳感器、第一處理器、與振動傳感器相 接的信號調(diào)理電路以及分別與第一處理器相接的無線信號發(fā)射模塊和第一數(shù)據(jù)存儲模塊， 所述信號調(diào)理電路與第一處理器相接。
[0010] 上述煤機(jī)采動激勵下綜采面近場煤巖動態(tài)層析成像系統(tǒng)，其特征是：還包括兩個 錨桿測量陣列匯集節(jié)點(diǎn)，兩個所述錨桿振動測量陣列分別通過兩個所述錨桿測量陣列匯集 節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)進(jìn)行通信；兩個所述錨桿測量陣列匯集節(jié)點(diǎn)分別為布設(shè)在工作面運(yùn)輸巷和工 作面回風(fēng)巷內(nèi)的第一匯集節(jié)點(diǎn)和第二匯集節(jié)點(diǎn)，所述第一匯集節(jié)點(diǎn)和第二匯集節(jié)點(diǎn)均為無 線匯集節(jié)點(diǎn)；所述無線匯集節(jié)點(diǎn)包括第二處理器以及分別與第二處理器相接的無線信號接 收模塊、第一無線通信模塊和第二數(shù)據(jù)存儲模塊，所述第一處理器通過無線信號發(fā)射模塊 和無線信號接收模塊與第二處理器進(jìn)行通信；所述近場煤巖層析成像工作站還包括與上位 機(jī)相接的第二無線通信模塊，所述第二處理器通過第一無線通信模塊和第二無線通信模塊 與上位機(jī)進(jìn)行通信。
[0011] 同時，本發(fā)明還公開了一種方法步驟簡單、設(shè)計(jì)合理且實(shí)現(xiàn)方便、能對綜采面近場 煤巖進(jìn)行動態(tài)層析成像的煤機(jī)采動激勵下綜采面近場煤巖動態(tài)層析成像方法，其特征在于 該方法包括以下步驟：
[0012] 步驟一、錨桿振動檢測單元及開采位置檢測單元布設(shè)：對需開采煤層進(jìn)行回采之 前，先在工作面運(yùn)輸巷和工作面回風(fēng)巷內(nèi)由前至后分別布設(shè)多個所述錨桿振動檢測單元， 并在采煤機(jī)上布設(shè)開采位置檢測單元；每個所述錨桿振動檢測單元的布設(shè)位置均為一個測 占.
[0013] 步驟二、煤機(jī)采動激勵下綜采面近場煤巖動態(tài)層析成像：沿綜采面的推進(jìn)方向，采 用采煤機(jī)由后向前對需開采煤層進(jìn)行回采；回采過程中，對需開采煤層中沿綜采面推進(jìn)方 向上各位置的綜采面近場煤巖分別進(jìn)行層析成像，且沿綜采面推進(jìn)方向上各位置的綜采面 近場煤巖的層析成像方法均相同；
[0014] 對需開采煤層中沿綜采面推進(jìn)方向上任一位置的綜采面近場煤巖進(jìn)行層析成像 時，過程如下：
[0015] 步驟201、綜采面開采及振動同步監(jiān)測：采用采煤機(jī)且沿綜采面的長度方向由后 向前對當(dāng)前綜采面進(jìn)行開采，開采過程中通過開采位置檢測單元對采煤機(jī)的開采位置進(jìn)行 實(shí)時檢測，并將所檢測信號同步傳送至近場煤巖層析成像工作站；同時，通過位于當(dāng)前綜采 面前方的兩個所述錨桿振動測量陣列對振動激勵源作用下綜采面近場煤巖的振動狀態(tài)進(jìn) 行實(shí)時檢測，并將所檢測信號同步傳送至近場煤巖層析成像工作站，獲得當(dāng)前綜采面開采 過程中采煤機(jī)不同開采位置的振動監(jiān)測結(jié)果；
[0016] 所述當(dāng)前綜采面為當(dāng)前狀態(tài)下進(jìn)行開采的綜采面；
[0017] 所述采煤機(jī)各開采位置的振動監(jiān)測結(jié)果，均包括開采位置檢測單元檢測到的該開 采位置的位置信號和采煤機(jī)在該開采位置進(jìn)行采煤時兩個所述錨桿振動測量陣列中所有 振動檢測單元檢測到的振動信號；
[0018] 步驟202、綜采面近場煤巖層析成像：所述近場煤巖層析成像工作站接收到步驟 201中采煤機(jī)不同開采位置的振動監(jiān)測結(jié)果后，所述上位機(jī)根據(jù)接收到采煤機(jī)不同開采位 置的振動監(jiān)測結(jié)果，并結(jié)合兩個所述錨桿振動測量陣列中各錨桿振動檢測單元的布設(shè)位 置，采用上位機(jī)且按照速度層析成像方法，獲得沿綜采面推進(jìn)方向上當(dāng)前位置的綜采面近 場煤巖層析圖像，完成綜采面當(dāng)前推進(jìn)位置的綜采面近場煤巖層析成像過程；
[0019] 步驟203、綜采面向前推進(jìn)至下一位置的綜采面近場煤巖層析成像：按照步驟201 至步驟202中所述的方法，完成綜采面向前推進(jìn)至下一位置的綜采面近場煤巖層析成像過 程；
[0020] 步驟204、一次或多次重復(fù)步驟203,直至完成需開采煤層中沿綜采面推進(jìn)方向上 各位置的綜采面近場煤巖層析成像過程。
[0021] 上述方法，其特征是：步驟201中獲得的采煤機(jī)不同開采位置的振動監(jiān)測結(jié)果為 綜采面當(dāng)前推進(jìn)位置開采過程中采煤機(jī)在不同開采位置進(jìn)行采煤時產(chǎn)生的應(yīng)力波的檢測 結(jié)果；
[0022] 步驟202中所述近場煤巖層析成像工作站接收到步驟201中采煤機(jī)不同開采位置 的振動監(jiān)測結(jié)果后，所述上位機(jī)先對接收到的采煤機(jī)不同開采位置的振動監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行同 步存儲；
[0023] 步驟202中進(jìn)行層析成像之前，先采用上位機(jī)選取綜采面當(dāng)前推進(jìn)位置開采過程 中采煤機(jī)的m個開采位置作為有效振動監(jiān)測位置，并對m個所述振動監(jiān)測位置的位置信息 進(jìn)行記錄；之后，上位機(jī)根據(jù)m個所述有效振動監(jiān)測位置的位置信息，從步驟201中獲得的 采煤機(jī)不同開采位置的振動監(jiān)測結(jié)果中提取出m個所述有效振動監(jiān)測位置的振動監(jiān)測結(jié) 果；其中，m為正整數(shù)且m彡3;
[0024] 步驟202中進(jìn)行層析成像時，所述上位機(jī)根據(jù)提取出的m個所述有效振動監(jiān)測位 置的振動監(jiān)測結(jié)果，并結(jié)合兩個所述錨桿振動測量陣列中各錨桿振動檢測單元的布設(shè)位 置，且按照速度層析成像方法，獲得沿綜采面推進(jìn)方向上當(dāng)前位置的綜采面近場煤巖層析 圖像；
[0025] 步驟204中完成需開采煤層中沿綜采面推進(jìn)方向上各位置的綜采面近場煤巖層 析成像過程后，獲得綜采面各推進(jìn)位置開采過程中綜采面近場煤巖的層析圖像；所獲得的 綜采面各推進(jìn)位置開采過程中綜采面近場煤巖的層析圖像，按照沿綜采面推進(jìn)方向上的開 采先后順序排序后組成需開采煤層的綜采面近場煤巖的動態(tài)層析圖像。
[0026] 上述方法，其特征是：步驟202中進(jìn)行層析成像時，包括以下步驟：
[0027] 步驟2021、速度模型建立：建立成像區(qū)域?qū)游龀上裼玫乃俣饶Ｐ?，所述速度模?為初始模型且其為網(wǎng)格模型；所述成像區(qū)域?yàn)楫?dāng)前綜采面前方的探測區(qū)域且其為綜采面當(dāng) 前推進(jìn)位置的綜采面近場煤巖所處區(qū)域；
[0028] 步驟2022、振動監(jiān)測結(jié)果分析處理：對提取出的m個所述有效振動監(jiān)測位置的振 動監(jiān)測結(jié)果分別進(jìn)行分析處理，m個所述有效振動監(jiān)測位置的振動監(jiān)測結(jié)果的分析處理方 法均相同；其中，對任一個所述有效振動監(jiān)測位置的振動監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析處理時，包括以 下步驟：
[0029] 步驟20221、任意兩測點(diǎn)間應(yīng)力波實(shí)際走時差計(jì)算：根據(jù)當(dāng)前開采位置的振動監(jiān) 測結(jié)果，計(jì)算得出工作面運(yùn)輸巷內(nèi)的各測點(diǎn)與工作面回風(fēng)巷內(nèi)的各測點(diǎn)之間的應(yīng)力波實(shí)際 走時差；
[0030] 其中，工作面運(yùn)輸巷內(nèi)的測點(diǎn)p與工作面回風(fēng)巷內(nèi)的測點(diǎn)q之間的應(yīng)力波實(shí)際走 時差，記作AT(p'q);AT(p'q)為當(dāng)前分析應(yīng)力波到測點(diǎn)p的初至?xí)r間與到達(dá)測點(diǎn)q的初至?xí)r 間的時間差；其中，所述當(dāng)前分析應(yīng)力波為采煤機(jī)在當(dāng)前開采位置進(jìn)行采煤時產(chǎn)生的應(yīng)力 波；所述當(dāng)前開采位置為當(dāng)前分析處理的有效振動監(jiān)測位置；
[0031] 其中，步驟一中兩個所述錨桿振動測量陣列中所包括錨桿振動檢測單元的總數(shù)量 為M個，所述綜采面前方探測區(qū)域內(nèi)的測點(diǎn)總數(shù)量為M個，M個所述測點(diǎn)分別為測點(diǎn)1、測點(diǎn) 2、…、測點(diǎn)M;p為正整數(shù)且p=l、2、…、ml，q為正整數(shù)且q=ml+l、ml+2、…、M，ml為 正整數(shù)且其為工作面運(yùn)輸巷內(nèi)的測點(diǎn)總數(shù)量，m2為正整數(shù)且其為工作面回風(fēng)巷內(nèi)的測點(diǎn)總 數(shù)量，ml+m2 =M;
[0032] 步驟20222、任意兩測點(diǎn)間應(yīng)力波理論走時差計(jì)算：先按照射線追蹤方法，求解出 當(dāng)前分析應(yīng)力波穿越成像區(qū)域的M條射線的軌跡和旅行時；之后，根據(jù)計(jì)算得出的M條射線 的旅行時，計(jì)算得出工作面運(yùn)輸巷（4)內(nèi)的各測點(diǎn)與工作面回風(fēng)巷內(nèi)的各測點(diǎn)之間的應(yīng)力 波理論走時差，完成當(dāng)前開采位置的振動監(jiān)測結(jié)果分析處理過程；
[0033] 其中，M條射線為當(dāng)前開采位置分別與M個所述測點(diǎn)之間的射線，M條射線中任一 條射線的旅行時均為根據(jù)預(yù)先建立的所述成像區(qū)域的速度模型計(jì)算得出的該射線的正演 理論走時;M條射線分別為射線1、射線2、…、射線M;
[0034] 測點(diǎn)p與測點(diǎn)q之間的應(yīng)力波理論走時差，記作ATQ(p'q);ATQ(p'q)為射線p的旅行 時與射線q的旅行時的時間差；其中，射線P為當(dāng)前分析應(yīng)力波穿越成像區(qū)域到測點(diǎn)P的射 線且其為當(dāng)前開采位置與測點(diǎn)P之間的射線，射線q為當(dāng)前分析應(yīng)力波穿越成像區(qū)域到測 點(diǎn)q的射線且其為當(dāng)前開采位置與測點(diǎn)q之間的射線；
[0035] 步驟20221中計(jì)算得出的工作面運(yùn)輸巷內(nèi)各測點(diǎn)與工作面回風(fēng)巷內(nèi)各測點(diǎn)之間 的應(yīng)力波實(shí)際走時差和步驟20222中計(jì)算得出的工作面運(yùn)輸巷內(nèi)各測點(diǎn)與工作面回風(fēng)巷 內(nèi)各測點(diǎn)之間的應(yīng)力波理論走時差，組成當(dāng)前開采位置的一組反演求解用模型修正數(shù)據(jù)；
[0036] 步驟20223、多次重復(fù)步驟20221至步驟20222,直至完成m個所述有效振動監(jiān)測 位置的振動監(jiān)測結(jié)果分析處理過程，獲得m組反演求解用模型修正數(shù)據(jù)；
[0037] 步驟2023、反演求解：調(diào)用SIRT算法，對步驟2021中所述速度模型進(jìn)行修正，并 計(jì)算得出修正后的速度模型中各網(wǎng)格的慢度，使得步驟20223中獲得的每組反演求解用模 型修正數(shù)據(jù)中測點(diǎn)P與測點(diǎn)q之間的應(yīng)力波理論走時差與應(yīng)力波實(shí)際走時差之間的偏差均 滿足預(yù)先設(shè)計(jì)的誤差要求，獲得采煤機(jī)當(dāng)前開采位置的綜采面近場煤巖的層析圖像。
[0038] 上述方法，其特征是：步驟202中進(jìn)行綜采面近場煤巖層析成像之前，先對采煤機(jī) 不同開采位置的振動監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行矯正