专利名称：矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法
技术领域：
矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法，属于矿业和岩土工程安全监测与监控技术领域。
背景技术：
矿山井下存在围岩片帮、顶板冒落及岩爆动力灾害等危险，其中尤以顶板事故最为突出，其对工作人员和设备构成了直接威胁，而且影响工程进度，还能造成支护失效，甚至地震。仅从2012年初到2012年9月底，冒顶事故就发生了 11起，死亡44人，围岩顶板安全问题亟待解决。要保证安全必须针对上述问题的发生进行事先预防和预警，需要对围岩顶板状态进行监测监控。目前关于围岩监测主要有围岩变形监测可细分为表面位移监测、顶板离层和松动范围监测)、巷道支架载荷监测、巷道围岩的应力监测以及针对以上监测开发的实时动态监测的仪器设备比如有顶板动态监测系统、顶板在线监测系统等，单纯的围岩位移监测、支架压力监测和应力监测难以真正反映围岩内部的变化情况即损伤演化情况，因此监测监控及预警效果不理想，围岩顶板事故依然占事故较大比重，针对围岩的声发射监测，其安装监测过程相对繁琐复杂而且费用高，对整个安装质量的要求也较高，监测数据的后期分析复杂和不方便，实际使用效果并不理想，有必要探寻新的有效监测与预警技术。超声波对岩体内部密度的变化、内部缺陷、裂缝均有很灵敏的反应，其能真正反映围岩内部的变化情况即损伤演化情况，采用超声波监测具有简单、易于操作和无损伤等特点，目前常用于矿井围岩松动圈的测试中，将超声波测试用于围岩顶板灾害实时监测及多点位监测的还未见报道。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种安全性高、自动化程度高，应用范围广且可以进行多点位监测、分级预警的矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法，其特征在于包括非金属超声波检测仪、一发双收干孔换能器、多点位转接装置、主控计算机和声光报警装置；一发双收干孔换能器通过电缆与多点位转接装置相连，多点位转接装置通过电缆与非金属超声波检测仪相连，非金属超声波检测仪与主控计算机相连，主控计算机同时与声光报警装置相连；
具体监测步骤如下
步骤3001，安装一发双收干孔换能器，在围岩顶板监测区，按一定间距布置钻孔，将多个一发双收干孔换能器分别布置在围岩顶板的钻孔中并完成安装；
步骤3002，一发双收干孔换能器与多点位转接装置连接，通过电缆将安装完成的多个一发双收干孔换能器与多点位转接装置相连接； 步骤3003，多点位转接装置与非金属超声波检测仪连接，通过电缆将非金属超声波检测仪与多点位转接装置相连接并实现相互通信；非金属超声波检测仪与主控计算机、主控计算机与声光报警装置连接并实现相互通信；
步骤3004，所有点位的实时巡检，通过非金属超声波检测仪与主控计算机对所有安装有一发双收干孔换能器的点位进行巡检，对监测到的围岩顶板的多点位的声波波形进行实时记录并进行分析；
步骤3005，判断某一点位是否超过设定的阈值或是否符合设定的前兆模式，非金属超声波检测仪和主控计算机通过对监测到的顶板多点位声波波形的实时分析，得到一定范围内的围岩顶板的声波波速、波幅及频谱特征变化规律，判断该点位的声波信号是否超过设定的阈值或是否符合设定的前兆模式，如果没有超过设定的阈值同时不符合设定的前兆模式，返回步骤3004，如果超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，则该点位为报警点位，此时执行步骤3006和步骤3007，同时返回步骤3004 ；
步骤3006，多点位分析，将该报警点位的声波信号参数进行记录，并进入多点位分析流
程;
步骤3007，单点位报警，声光报警装置对该报警点位进行声光报警。所述的多点位分析流程，其具体步骤如下
步骤4001，确定报警点位数量，主控计算机将巡检到的所有的报警点位的数量进行统计，确定报警点位的具体数量；
步骤4002，多点位报警分析，主控计算机通过对监测到的顶板多点位声波波形的实时分析，得到一定范围内的围岩顶板的声波波速、波幅及频谱特征变化规律；
步骤4003，判断是否有可能发生顶板灾害，主控计算机根据其超过设定的阈值或符合设定的前兆模式的点位数及变化规律，综合判断其是否会发生顶板灾害，如果会发生顶板灾害，执行步骤4004，如果不会发生顶板灾害，返回步骤4002 ；
步骤4004，确定灾害范围，主控计算机通过对所有报警点位的综合分析，确定出有可能发生的顶板灾害的范围，并进行发布；
步骤4005，发布报警级别，主控计算机将报警级别进行发布；
步骤4006，多点位灾害报警，主控计算机驱动声光报警装置发出灾害报警，提示现场工作人员迅速撤离。所述的多点位转接装置包括上下两部分，分别于非金属超声波检测仪和一发双收干孔换能器相连，上部分为包括一个发射接口 A、两个接收接口 B和一个接通显示灯C的转接模块Dl ;下部分包括转接模块J4共四组转接模块，每一组的配置相同，同样包括一个发射接口 A、两个接收接口 B和一个接通显示灯C。所述的一发双收干孔换能器数量为I个或I个以上。所述的多点位转接装置下部分的具体转接模块数与一发双收干孔换能器的数量相同。与现有技术相比，本发明的所具有的有益效果是1、安全性高、自动化程度高、无损伤通过超声波监测，实现了对围岩的无损监测，由主控计算机程序及声波检测仪实时采集和显示监测数据并绘制图形与分析，自动化程度进一步增强，节省了人力、物力； 2、监测数据实时、可靠，超声波对岩体内部密度的变化、内部缺陷、裂缝均有很灵敏的反应，其能真正反映围岩内部的变化情况即损伤演化情况，超声波监测受外界的干扰影响小，使得监测到的数据更真实可靠；主控计算机程序及声波检测仪可实时采集和显示监测数据并绘制图形与分析，实现了对围岩的全程控实时监测；对围岩的超声波实时监测还可以应用于围岩的大变形和岩爆等预测预报上；
3、多点位监测、分级预警实现了对围岩顶板多点位的实时监测，通过对监测到的顶板多点位声波波形的实时分析，得到一定范围内顶板的声波波速、波幅及频谱特征变化规律，根据其超过设定的阈值或符合设定的前兆模式的点位数及变化规律，判断其是否发生顶板灾害及确定灾害范围，根据灾害范围及程度进行分级预警；
4、操作与后期分析简单、应用范围广采用超声波监测具有简单、易于操作的特点，通过超声波监测的工序简单，实施方便，整个监测过程不影响工程的正常进行。超声波监测的后期分析包括声波波速、波幅及频谱特征变化规律等，后期分析相对简单，如果超过设定的阈值或符合设定的前兆模式即发出预警，进一步确保工作人员和设备的安全。
图1为矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法结构示意图。图2为多点位转接装置结构示意图。图3为矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法监测流程图。图4为矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法多点位分析流程图。其中1、非金属超声波检测仪2、一发双收干孔换能器3、多点位转接装置4、主控计算机5、声光报警装置。
具体实施例方式图广4是本发明的最佳实施例，下面结合附图广4对本发明做进一步说明。本发明的矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法，硬件部分由以下几个部分组成非金属超声波检测仪1、一发双收干孔换能器2、多点位转接装置3、主控计算机4和声光报警装置5。如图1所示，多个一发双收干孔换能器2通过电缆与多点位转接装置3相连，多点位转接装置3通过电缆与非金属超声波检测仪I相连，非金属超声波检测仪I与主控计算机4相连,主控计算机4同时与声光报警装置5相连。本发明的矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法直接在地下使用，对矿井围岩顶板进行实时监控。多个一发双收干孔换能器2按照一定的间距安装在围岩顶板的监测区，非金属超声波检测仪I记录并分析围岩顶板的声波信号；多点位转接装置3实现多点位的转接以实现多点位监测。非金属超声波检测仪I又将有关数据发送至主控计算机4，通过主控计算机4内的软件进行数据分析，在需要时驱动声光报警装置5进行报警。如图2所示，多点位转接装置3分为上下两部分，上部分为一组转接模块D1，转接模块Dl用于与非金属超声波检测仪I相连，转接模块Dl由一个发射接口 A，两个接收接口B和一个接通显示灯C组成，当多点位转接装置3与非金属超声波检测仪I连接完成并实现通讯之后，接通显示灯C亮起。
多点位转接装置3下部分为与一发双收干孔换能器2连接的部分。由于在本发明中需要多个一发双收干孔换能器2，所以该部分可根据一发双收干孔换能器2的实际数量进行扩展，在本实施例中，设置了四组转接模块，依次为转接模块J4，可以同时连接四个一发双收干孔换能器2。转接模块Jf J4配置相同，以转接模块Jl为例，同样包括一个发射接口 A，两个接收接口 B和一个接通显示灯C。当转接模块Jf J4与一发双收干孔换能器2连接完成并实现通讯之后，接通显示灯C亮起。当多点位转接装置3与非金属超声波检测仪I和一发双收干孔换能器2连接完成之后，通过主控计算机4与多点位转接装置3相互通信，各点位的接通监测由主控计算机4程控完成。将上述硬件部分安装连接完成之后，即可利用本发明的矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法对围岩顶板的实时动态进行监测，如图3所示，监测流程具体步骤如下
步骤3001，安装一发双收干孔换能器，在围岩顶板监测区，按一定间距布置钻孔，将多个一发双收干孔换能器2分别布置在围岩顶板的钻孔中并完成安装；
步骤3002，一发双收干孔换能器与多点位转接装置连接，通过电缆将安装完成的多个一发双收干孔换能器2与多点位转接装置3相连接；
步骤3003，多点位转接装置与非金属超声波检测仪连接，通过电缆将非金属超声波检测仪I与多点位转接装置3相连接并实现相互通信；非金属超声波检测仪I与主控计算机
4、主控计算机4与声光报警装置5连接并实现相互通信；
步骤3004，所有点位的实时巡检，通过非金属超声波检测仪I与主控计算机4对所有安装有一发双收干孔换能器2的点位进行巡检，对监测到的围岩顶板的多点位的声波波形进行实时记录并进行分析；
步骤3005，判断某一点位是否超过设定的阈值或是否符合设定的前兆模式，非金属超声波检测仪I和主控计算机4通过对监测到的顶板多点位声波波形的实时分析，得到一定范围内的围岩顶板的声波波速、波幅及频谱特征变化规律，判断该点位的声波信号是否超过设定的阈值或是否符合设定的前兆模式，如果没有超过设定的阈值同时不符合设定的前兆模式，返回步骤3004，如果超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，则该点位为报警点位，此时执行步骤3006和步骤3007，同时返回步骤3004 ；
步骤3006，多点位分析，将该报警点位的声波信号参数进行记录，并进入多点位分析流
程;
步骤3007，单点位报警，声光报警装置5对该报警点位进行声光报警。当根据图3检测到围岩顶板某一点的声波波形超过设定的阈值或符合设定的前兆模式时，则需要启动如图4所示的多点位分析流程，其具体步骤如下
步骤4001，确定报警点位数量，主控计算机4将巡检到的所有的报警点位的数量进行统计，确定报警点位的具体数量；
步骤4002，多点位报警分析，主控计算机4通过对监测到的顶板多点位声波波形的实时分析，得到一定范围内的围岩顶板的声波波速、波幅及频谱特征变化规律；
步骤4003，判断是否有可能发生顶板灾害，主控计算机4根据其超过设定的阈值或符合设定的前兆模式的点位数及变化规律，综合判断其是否会发生顶板灾害，如果会发生顶板灾害，执行步骤4004，如果不会发生顶板灾害，返回步骤4002 ； 步骤4004，确定灾害范围，主控计算机4通过对所有报警点位的综合分析，确定出有可能发生的顶板灾害的范围，并进行发布；
步骤4005，发布报警级别，主控计算机4将报警级别进行发布；
步骤4006，多点位灾害报警，主控计算机4驱动声光报警装置5发出灾害报警，提示现场工作人员迅速撤离。在本发明中，所述的前兆模式为预先设定的，根据非金属超声波检测仪I采集到的声波信号进行分析得出的一系列参数，当满足该参数时则表示该围岩顶板具有发生灾害的可能。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
权利要求
1.矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法，其特征在于包括非金属超声波检测仪(I)、一发双收干孔换能器(2)、多点位转接装置(3)、主控计算机(4)和声光报警装置(5);—发双收干孔换能器(2)通过电缆与多点位转接装置(3)相连，多点位转接装置(3)通过电缆与非金属超声波检测仪(I)相连，非金属超声波检测仪(I)与主控计算机(4)相连，主控计算机(4)同时与声光报警装置(5)相连； 具体监测步骤如下 步骤3001，安装一发双收干孔换能器，在围岩顶板监测区，按一定间距布置钻孔，将多个一发双收干孔换能器(2)分别布置在围岩顶板的钻孔中并完成安装； 步骤3002，一发双收干孔换能器与多点位转接装置连接，通过电缆将安装完成的多个一发双收干孔换能器(2)与多点位转接装置(3)相连接； 步骤3003，多点位转接装置与非金属超声波检测仪连接，通过电缆将非金属超声波检测仪(I)与多点位转接装置(3)相连接并实现相互通信；非金属超声波检测仪(I)与主控计算机(4)、主控计算机(4)与声光报警装置(5)连接并实现相互通信； 步骤3004，所有点位的实时巡检，通过非金属超声波检测仪(I)与主控计算机(4)对所有安装有一发双收干孔换能器(2)的点位进行巡检，对监测到的围岩顶板的多点位的声波波形进行实时记录并进行分析； 步骤3005，判断某一点位是否超过设定的阈值或是否符合设定的前兆模式，非金属超声波检测仪(I)和主控计算机(4)通过对监测到的顶板多点位声波波形的实时分析，得到一定范围内的围岩顶板的声波波速、波幅及频谱特征变化规律，判断该点位的声波信号是否超过设定的阈值或是否符合设定的前兆模式，如果没有超过设定的阈值同时不符合设定的前兆模式，返回步骤3004，如果超过设定的阈值或符合设定的前兆模式，则该点位为报警点位，此时执行步骤3006和步骤3007，同时返回步骤3004 ； 步骤3006，多点位分析，将该报警点位的声波信号参数进行记录，并进入多点位分析流程; 步骤3007，单点位报警，声光报警装置(5)对该报警点位进行声光报警。
2.根据权利要求1所述的矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法，其特征在于，所述的多点位分析流程，其具体步骤如下 步骤4001，确定报警点位数量，主控计算机(4)将巡检到的所有的报警点位的数量进行统计，确定报警点位的具体数量； 步骤4002，多点位报警分析，主控计算机(4)通过对监测到的顶板多点位声波波形的实时分析，得到一定范围内的围岩顶板的声波波速、波幅及频谱特征变化规律； 步骤4003，判断是否有可能发生顶板灾害，主控计算机(4)根据其超过设定的阈值或符合设定的前兆模式的点位数及变化规律，综合判断其是否会发生顶板灾害，如果会发生顶板灾害，执行步骤4004，如果不会发生顶板灾害，返回步骤4002 ； 步骤4004，确定灾害范围，主控计算机(4)通过对所有报警点位的综合分析，确定出有可能发生的顶板灾害的范围，并进行发布； 步骤4005，发布报警级别，主控计算机(4)将报警级别进行发布； 步骤4006，多点位灾害报警，主控计算机(4)驱动声光报警装置(5)发出灾害报警，提示现场工作人员迅速撤离。
3.根据权利要求1所述的矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法，其特征在于，所述的多点位转接装置(3)包括上下两部分，分别于非金属超声波检测仪(I)和一发双收干孔换能器(2)相连，上部分为包括一个发射接口 A、两个接收接口 B和一个接通显示灯C的转接模块Dl ;下部分包括转接模块J4共四组转接模块，每一组的配置相同，同样包括一个发射接口 A、两个接收接口 B和一个接通显示灯C。
4.根据权利要求1或3所述的矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法，其特征在于，所述的一发双收干孔换能器(2)数量为I个或I个以上。
5.根据权利要求1或3所述的矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法，其特征在于，所述的多点位转接装置(3)下部分的具体转接模块数与一发双收干孔换能器(2)的数量相同。
全文摘要
矿井围岩顶板灾害超声波多点实时监测方法，属于矿业和岩土工程安全监测与监控技术领域。其特征在于包括非金属超声波检测仪(1)、一发双收干孔换能器(2)、多点位转接装置(3)、主控计算机(4)和声光报警装置(5)；多个一发双收干孔换能器(2)通过连接电缆与多点位转接装置(3)相连，多点位转接装置(3)通过连接电缆与非金属超声波检测仪(1)相连，非金属超声波检测仪(1)与主控计算机(4)相连，主控计算机(4)同时与声光报警装置(5)相连。本监测方法具有安全性高、自动化程度高、应用范围广、多点位监测、分级预警等优点。
文档编号E21F17/18GK103061813SQ20131000731
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月9日 优先权日2013年1月9日
发明者张晓君 申请人:山东理工大学