本发明属于综采面附近煤岩动态监测技术领域，尤其涉及一种随机背景激励锚杆阵列传感的综采面环境灾害预警系统。
背景技术：
研究表明，在综采面发生的冒顶、冲击地压、煤与瓦斯突出、突水等事故发生前，综采面前方的煤岩的物理参数将产生一定的变化。例如，广东兴宁大兴煤矿，下层煤开采时，采动裂隙扩展破坏了开采所留的防水煤柱，导致特大突水，死亡123人。如果开采过程中能够实时感知事故发生前综采面近场煤岩物理参数的变化，那么就有可能对这些特大事故做出提前预警。
综采工作面的开掘建设中需要最大程度地查明综采面迎头前方及其围岩的断层、空洞、陷落柱的具体地质情况，为综采面安全生产提供物探技术支撑。其中常用的综采面煤岩超前探测方法有直流电法探测、瞬变电磁法探测、声波层析成像。而以上方法都存在如下两个问题：(1)易被液压支架金属结构及综采机电类设备电磁场产生的环境干扰。(2)都必须在停产和准停产的静态条件下进行专门的探测施工，费时费力，影响施工进度。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种随机背景激励下锚杆阵列传感的综采面环境灾害预警系统及预警方法，该系统结构简单、实现方便、使用操作便捷。在传统声波层析成像技术的基础上，结合电阻层析成像技术，取长补短，规避了综采面各类设备电磁场的干扰作用，克服了传统方法需要在停产条件下施工的问题，提高了系统的灵活性和实时性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：随机背景激励锚杆阵列传感的综采面环境灾害预警系统，其特征是包括锚杆传感阵列，所述的锚杆传感阵列由依次安装在进风巷和回风巷锚杆上的锚杆传感装置组成，所述锚杆传感装置外层由防爆壳体包裹，锚杆自由端由开口处插入锚杆传感装置与锚杆自由端电极相接且固定于此，锚杆自由端电极与传感电路相连接；其中传感电路由声波收发一体传感器、信号放大与滤波电路、数模转换电路、数据采集电路、电压测量电路、电源模块、无线模块、树莓派信号控制模块组成。
随机背景激励锚杆阵列传感的综采面环境灾害预警方法，包括如下步骤：
(1)在进风巷和回风巷锚杆上依次安装锚杆传感装置，使其形成锚杆传感阵列；
(2)用锚杆传感装置对相应锚杆发射声波，利用声波层析成像测量方法，根据接收到的回波得到锚杆及其周围煤岩声速分布图像，并通过散射出的声波测出相邻锚杆之间的距离，如此，便得到锚杆传感阵列内各锚杆附近煤岩声速分布图像及各锚杆之间准确位置；
(3)在锚杆传感阵列中，选择相邻两锚杆作为一组激励电极对，其余锚杆两两组成测量电极对，远程控制各锚杆传感装置，对激励电极对添加激励，并测量每组测量电极对的电势差，如此往复直至所有的电极对全部被激励完毕，得到测量电压数据，再通过电阻层析成像图像重建算法，得出内部煤层电阻率分布图像，通过监测电阻率可以时刻观察是否有引起电阻率较敏感的灾害现象，预测是否会发生相应地质灾害；
(4)各锚杆传感装置在接收2、3两步的数据后，通过无线模块将数据传输至数据处理计算机，进行数据计算处理并得出结果，上传存储至云端服务器，微信公众号通过已设置完成的代码读取云端数据及结果，供技术人员实时通过移动端查询。
本发明以单个锚杆传感装置为基础，在综采面两侧回采巷的锚杆上安装传感装置，使之形成锚杆传感阵列。该系统结构简单、实现方便、使用操作便捷。在借鉴了西安科技大学赵栓峰《煤机采动激励下综采面近场煤岩动态层析成像系统及方法》专利所述的传统声波层析成像技术后，结合电阻层析成像技术，取长补短，规避了综采面各类设备电磁场的干扰作用。
本发明以两侧回采巷阵列布局作为锚杆布局方式、多点分布锚杆实施声波及电阻层析成像，克服了传统方法需要在停产条件下施工的问题，提高了系统的灵活性和实时性。
单个锚杆传感装置安装在锚杆自由端处与端部紧密贴合，易于装拆和重复使用，通过内置无线模块传输监测数据，避免了采集数据时的冗杂和出错，易于实现数据的高效处理。
本发明在两侧回采巷布置形成锚杆传感阵列后，将锚杆阵列看做电阻层析成像电极阵列，通过电阻层析成像的方法计算煤岩场域电导率分布并重建出内部煤层电阻率分布图像，结合每个锚杆声波层析成像形成的煤岩声速分布图像，更加准确、高效的分析和判断可预测工作面渗水、冒顶、塌方等大多数地质事故，最终上述数据及结果通过无线模块上传至云端服务器进行存储并可在微信公众号实时查看。
附图说明
附图是对本发明内容的进一步理解，构成说明书的一部分，并不构成对本发明的限制。
图1是锚杆传感装置结构及安装方法原理图。
图2是锚杆传感装置传感结构模块图。
图3是综采面锚杆阵列布置示意图。
图4是微信查询功能流程示意图。
具体实施方式
随机背景激励锚杆阵列传感的综采面环境灾害预警方法，包括如下步骤：
(1)在进风巷和回风巷锚杆上依次安装锚杆传感装置，使其形成锚杆传感阵列；
(2)用锚杆传感装置对相应锚杆发射声波，利用声波层析成像测量方法，根据接收到的回波得到锚杆及其周围煤岩声速分布图像，并通过散射出的声波测出相邻锚杆之间的距离，如此，便得到锚杆传感阵列内各锚杆附近煤岩声速分布图像及各锚杆之间准确位置；
(3)在锚杆传感阵列中，选择相邻两锚杆作为一组激励电极对，其余锚杆两两组成测量电极对，远程控制各锚杆传感装置，对激励电极对添加激励，并测量每组测量电极对的电势差，如此往复直至所有的电极对全部被激励完毕，得到测量电压数据，再通过电阻层析成像图像重建算法，得出内部煤层电阻率分布图像，通过监测电阻率可以时刻观察是否有引起电阻率较敏感的灾害现象，预测是否会发生相应地质灾害；
(4)各锚杆传感装置在接收2、3两步的数据后，通过无线模块将数据传输至数据处理计算机，进行数据计算处理并得出结果，上传存储至云端服务器，微信公众号通过已设置完成的代码读取云端数据及结果，供技术人员实时通过移动端查询。
所述步骤1中锚杆传感装置结构及安装方式如图1所示，锚杆传感装置外层由防爆壳体包裹，锚杆自由端由开口处插入传感装置与锚杆自由端电极相接且固定于此，锚杆自由端电极与传感电路相连接。其中，传感电路结构如图2，由声波收发一体传感器、信号放大与滤波电路、数模转换电路、数据采集电路、电压测量电路、电源模块、无线模块、树莓派信号控制模块组成。
所述步骤2中声波层析成像测量原理及方法，参见西安科技大学赵栓峰《煤机采动激励下综采面近场煤岩动态层析成像系统及方法》专利(申请号cn201510489390.8)。
所述步骤3中电阻层析成像测量原理如下，将锚杆作为电极，通过对相邻的电极施加激励电流，在被测煤岩场域建立敏感场，当场内电导率的分布变化时，电流场的分布会随之变化，导致电势分布的变化，从而场域边界上的测量电压也发生变化。而当出现液态水(渗水现象)，电阻率也会变化，导致探测出的测量电压及后续重建的煤层电阻率分布图像出现变化。
所述步骤3中远程控制锚杆激励的过程为，数据处理计算机通过无线模块对各树莓派控制模块进行控制，进而树莓派直接控制电源通断以及数据采集。
所述步骤3中测量相邻电极电势差的方式主要为，将单个锚杆传感电路的电压测量电路一端接地，另一端接入锚杆自由端，最后连入电路，如此，相邻锚杆电势差为相邻两锚杆电压测量值之差。
所述步骤3中电阻层析成像图像重建算法实现步骤如下：
(1)通过有限元划分网格对图四中所测煤岩场域进行离散化处理，将其划分为m个单元。
(2)通过相邻电极激励测量其余相邻电极电压得到n×1维测量电压矢量um。将锚杆阵列用作电阻层析成像电极，其分布如图4布置，阵列中锚杆电极为x个，即在两侧回采巷均匀分布且以逆时针标记序号；以相邻锚杆对作为激励电极(e12、e23、e34、......、ex1)，注入恒定激励电流建立敏感场，按照一定旋转方向依次测量除激励电极对外的相邻锚杆电极对间的电势差，获取电势差信号(v34、v45、v56、v67、......、vx-1x)；然后按照旋转方向依次切换激励电极(e12、e23、e34、......、ex1)获取其他电极的测量电压，直到所有电极被激励和测量，此处测量数据形成一个含有n个元素的数组，对其进行归一化处理得到n×1维测量电压矢量um。其中，n的计算方法为：
n＝x·(x-3)(1-1)
(3)将图像重建问题转化为线性求解方程组问题。若想重建煤岩场域的电阻率分布图像，其本质在于得到其电导率分布。通过下式可将电导率分布问题转化为线性问题进行计算处理。
u＝s·g(1-2)
其中，u为归一化后n×1维的电极两端理论电压矢量；s为归一化后n×m维的灵敏度矩阵；g为归一化后m×1维电导率分布矢量；
(4)计算(1-2)灵敏度矩阵s。
其中，i表示第i次测量i∈[1，n]∩n，n的意义及算法同步骤(2)；表示网格划分单元的第j单元j∈[1，m]∩n，m的意义及同步骤(1)；ej表示第j个单元；vej为第j个网格单元的体积，在网格划分后可直接算出；a为激励电极对的序号，b为测量电极对的序号；ia、ib为在第a、b对电极所加激励电流大小；
s*＝[sij](1-4)
在对s*进行归一化处理后，得到最终灵敏度矩阵s，s为n×m维的矩阵。
(5)通过迭代求解电导率分布矢量g。由式(1-2)得下式：
u＝f(g)＝s·g(1-5)
由于式(1-5)中s的求取需要知道各网格的电导率分布即g，因此，先给出g的初始值g1，根据步骤(4)求得s1、步骤(2)求得um，将g1、s1式(1-5)中得到u1。
将已求取数据g1、h2、h2代入下述迭代公式：
式中，k为迭代次数、
在式(1-6)得到g2后，若其满足精度要求，最终电导率分布矢量g＝g2；若不满足精度要求，则重复步骤(5)，将代入(1-5)的数值更改为g2、s2，并求得g3、g4……以此类推，直至满足精度要求，得出g＝gc。
(6)根据步骤(5)求得的电导率分布矢量g及步骤(1)划分出的网格，做出相应电导率分布图像。
所述步骤4中微信查询功能原理如图4，其工作内容主要是上传数据和获取数据。上传数据是数据处理计算机在接受到各传感装置测量到的声波及电压数据后通过图像重建得出的煤岩场域声速分布及电导率分布图像数据，通过无线模块将数据上传到云端平台上，修改数据库相关表格的数据。获取数据是开发者在微信端发送命令，微信服务器将指令转送云平台上，并查询相关数据表里的数据，将其返回给微信端。
声波层析成像测量过程：
由树莓派信号控制模块输出一段特定频率、周期的重复数字信号，通过数模转换电路将其转为模拟信号，在信号放大与滤波电路中进行信号的放大和滤波后输入声波收发一体传感器中，使其输出特定波形、周期的探测声波，通过锚杆自由端电极进入锚杆。当声波收发一体传感器接收到来自锚杆自由端电极传入的回波后，将回波转变为模拟信号，并在信号放大与滤波电路和数模转换电路中进行放大、滤波，形成相应的数字信号，最后经过数据采集电路采集，传入树莓派信号控制模块存储。
电阻层析成像测量过程：
数据处理计算机对锚杆阵列中各树莓派信号控制模块下达控制命令，命令分为两类：激励与测量。
对于接受激励任务的锚杆：其树莓派信号控制模块负责控制电源给锚杆自由端供电，最终锚杆带电。
对于接受测量任务的锚杆：其树莓派信号控制模块负责断开电源与锚杆自由端的供电。锚杆自由端电极接收到来自上述锚杆的激励电信号，通过电压测量电路、数模转换电路，形成相应的数字信号，最后经过数据采集电路采集，传入树莓派信号控制模块存储。
数据传输过程：
在数据处理计算机通过无线模块对树莓派信号控制模块发出控制命令后，树莓派信号控制模块将所测量数据通过无线模块发送到数据处理计算机进行后处理。
电阻层析成像图像重建算法具体实现步骤：
(1)通过有限元划分网格对图四中所测煤岩场域进行离散化处理，将其划分为10000个单元。
(2)通过相邻电极激励测量其余相邻电极电压得到108×1维测量电压矢量um。将锚杆阵列用作电阻层析成像电极，其分布如图3布置，阵列中锚杆电极为12个，即在两侧回采巷均匀分布、个数相同且以逆时针标记序号；以相邻锚杆对作为激励电极(e12、e23、e34、......、e121)，注入恒定激励电流建立敏感场，按照逆时旋转方向依次测量除激励电极对外的相邻锚杆电极对间的电势差，获取电势差信号(v34、v45、v56、v67、......、v1112)；然后按照旋转方向依次切换激励电极(e12、e23、e34、......、e121)；获取其他电极的测量电压，直到所有电极被激励和测量，此处测量数据形成一个含有108个元素的数组，对其进行归一化处理得到108×1维测量电压矢量um。其中，n的计算方法为：
n＝12·9＝108(1-1)
(3)将图像重建问题转化为线性求解方程组问题。若想重建煤岩场域的电阻率分布图像，其本质在于得到其电导率分布。通过下式可将电导率分布问题转化为线性问题进行计算处理。
u＝s·g(1-2)
其中，u为归一化后108×1维的电极两端理论电压矢量；s为归一化后108×10000维的灵敏度矩阵；g为归一化后10000×1维电导率分布矢量；
(4)计算(1-2)灵敏度矩阵s。
其中，i表示第i次测量i∈[1，108]∩n，；j表示网格划分单元的第j单元j∈[1，10000]∩n，；ej表示第j个单元；vej为第j个网格单元的体积，在网格划分后可直接算出；a为激励电极对的序号，b为测量电极对的序号；ia、ib为在第a、b对电极所加激励电流大小；
s*＝[sij](1-4)
在对s*进行归一化处理后，得到最终灵敏度矩阵s，s为108×10000维的矩阵。
(5)通过迭代求解电导率分布矢量g。由式(1-2)得下式：
u＝f(g)＝s·g(1-5)
由于式(1-5)中s的求取需要知道各网格的电导率分布即g，因此，先给出g的初始值g1，根据步骤(4)求得s1、步骤(2)求得um，将g1、s1式(1-5)中得到u1。
将已求取数据g1、h2、h2代入下述迭代公式：
式中，k为迭代次数、
在式(1-6)得到g2后，若其满足精度要求，最终电导率分布矢量g＝g2；若不满足精度要求，则重复步骤(5)，将代入(1-5)的数值更改为g2、s2，并求得g3、g4……以此类推，直至满足精度要求，得出g＝gc。
(6)根据步骤(5)求得的电导率分布矢量g及步骤(1)划分出的网格，做出相应电导率分布图像。
微信查询功能具体实施方法：在树莓派控制板主程序中配置ip地址和dns，将锚杆传感装置各无线模块与数据处理计算机连入相同局域网。在云端服务器中注册账号，进行认证，创建云应用，新建数据库和数据表，将计算机处理完成的数据及结果上传至云端服务器。在微信公众平台接口申请测试号，并关注测试号，在公众平台的基本配置页面上配置微信公众平台，连接云端服务器。在移动客户端向微信公众号或测试号发送命令，就可以查询或调用数据库或数据表。
以上所述，仅是本发明的较佳实例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。