一种非接触式矿山压力观测及评价方法

专利名称：一种非接触式矿山压力观测及评价方法
技术领域：
本发明涉及一种通过非接触式监测受载煤岩体产生的电磁辐射信息来监测与评价矿山采掘空间或隧道围岩的相对应力状态的技术，属矿山压力监测和评价的技术领域。
背景技术：
在人类进行采矿过程中，开采活动破坏了原岩应力平衡状态，引起采动空间周围的地应力重新分布。在采场和回采巷道周围，由于围岩应力的作用促使围岩发生变形、破坏和移动，出现顶板冒落与来压、顶底板移近、支架受载和下缩、折损等矿压显现，也可能会出现煤与瓦斯突出、突水、冲击地压等动力现象。
因此，监测和评价围岩应力状态的分布及变化规律是矿压观测的主要内容，是解决受采动影响的巷道矿压控制、开采程序设计、巷道合理位置选择与维护、冲击地压和煤与瓦斯突出预测和防治、承压水上煤体安全开采等重大技术问题的依据。
目前，工程中检测应力的传感器种类繁多，适用范围广泛，但对矿山开采中煤岩巷道围岩应力状态监测的仪表却不多见，尤其是对煤矿井下煤岩体的区域应力状态的非接触监测和区域评价几乎是空白。
在工程实践中，围岩应力状态监测方法主要有支护阻力法、压力计(盒)法、应变片法(或变形法)等。其观测参数主要有采煤工作面和巷道支柱(架)工作阻力和附加应力、顶底板相对移近量和巷道围岩表面位移、岩体内部原岩应力和附加应力、围岩深部位移等。应用压力计(盒)法观测之前，每次都要对测力计进行标定，使用过程中因工作环境的变化，其工作特性很可能发生变化；使用的测力计还必须满足刚度匹配条件。应变片法测量与煤(岩)体的应力-应变物理特性有关，变形参数较难确定，对于较软煤(岩)层更难解决。上述方法都是接触式监测方法，而接触式监测围岩应力状态一般为点接触监测，受煤岩体结构、应力分布不均匀和支护初承力影响较大，如何选择有代表性的测点，如何保证传感器与煤岩的良好接触，这都是点接触监测面临的难题，同时也会对监测结果有较大影响。因此，在现场，非接触式、区域性应力观测及评价更具有实际意义。
表1中，专利1和专利2是针对煤矿矿井应力测试的，监测围岩应力状态的程序复杂；专利3用于地应力的相对测量；三者都是接触式测试，煤(岩)体中钻孔形变与对应的所测参量间的变换，受传感器的结构、材料、加工工艺、接触面加工精度方面的限制，难以避免电磁、孔中温度和压力干扰，因而稳定性差，特别是在煤矿井下，采掘空间周围煤岩体比较松散，良好接触较为困难。上述专利均没有实现非接触式检测，测试准备工作繁琐，要求高。
表1应力测试的仪表

近些年来，煤岩电磁辐射特性及其应用研究方面取得了较大的进展。发明专利“预测含气煤岩砼灾害的方法及装置，(ZL98111185.8)”通过非接触监测受载煤岩体变形破裂时产生的电磁辐射信号及其短时(数分钟)变化规律，预报煤与瓦斯突出和冲击地压等煤岩动力灾害的危险性，其反映的是煤岩动力灾害演化过程中某一阶段的瞬时状态，没有实现真正的连续不间断监测和预报，也不能共享KJ煤矿安全监测系统的资源。
实用新型专利“煤岩动力灾害电磁辐射监测装置，专利号为ZL01272808.X”在外接电源的情况下可进行连续监测预警煤岩动力灾害危险性，但不能与KJ系列煤矿安全监测系统联接，不能共享安全监测系统的电源和传输通道，要实现远程监测需要单独布线和单独电源，并且预报功能较弱。
发明专利“煤岩动力灾害实时监测预报装置及预报方法，专利号为ZL200410065793.1”，其主要用途是对煤岩动力灾害进行连续实时监测和预警。

发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种非接触式矿山压力观测及评价方法，该方法的主要监测指标为受载煤岩体产生的电磁辐射信号，通过该方法能够对矿山或隧道围岩的相对应力状态进行非接触、区域性测试，可对应力状态的区域性分布规律和动态变化规律进行评价，确定出应力异常区域。这种观测方法的优点是安装及操作方便、快捷，对生产影响较小，费用低。
技术方案受载煤岩体能够产生电磁辐射已被我们大量的实验观测和理论分析所证明，电磁辐射强度与载荷及煤体的变形破裂过程呈正相关，即载荷越大，电磁辐射强度(EMR)越强，反之亦然。因此，电磁辐射强度能较好地反映煤岩体的应力状态。
本发明的非接触式矿山压力观测方法为a.首先要选定需要进行监测的区域，然后把1～n个测点布置好，测点布置间距为L1＝1～10米；b.将定向接收电磁天线有效接收方向对准测点，使天线的轴向垂直于测点的外表面，并固定好天线，天线与被测煤岩壁的距离为L2＝0.1～1米，其确定的原则是将被监测测点区域刚好包含在天线的60度开口方向内；c.每个测点监测时间为T＝0.5～3min，测试过程中监测仪实时采集电磁辐射强度数据，统计每秒钟的电磁辐射强度最大值或平均值，然后计算T时间内的平均值Ei作为第i个测点的最终测试结果，作为评价该测点压力大小的依据并存储；d.测试完成第i个测点后，移动到下一测点i+1继续进行测试，得到Ei+1，直至所有测点测试完成。
非接触式矿山压力观测的评价方法为a.矿山压力评价的指标采用煤岩电磁辐射强度的平均值Ei，某测点电磁辐射强度越大，则表明该测点的矿压越大；b.在计算机中计算所有测点电磁辐射强度Ei的平均值Eavg=1nΣi=1nEi,]]>作为矿山压力的对比指标；c.把该评价区域内不同测点的电磁辐射测试结果Ei在图中显示出来，横坐标为测点编号或测点位置，纵坐标为测点的电磁辐射强度Ei，在图中也标出E＝Eavg的横线；d.从图中直接可以看出不同测点矿山压力的分布规律，测点的电磁辐射强度Ei越大，表明该点矿山压力越大；e.当所测电磁辐射强度大于Eavg时，该测点被评价为高应力点，说明该测点附近的矿压较大，如果某个局部区域连续两个以上测点的电磁辐射强度值都大于Eavg，则该区域为高应力区域；f.对于相邻两个或两个以上测点的电磁辐射强度呈现急剧增大1倍以上或急剧降低50％以上的区域，评价为高应力梯度区；对于高应力区或高应力梯度区，应做出提示，这一般是煤岩动力灾害的高发区和支护较为困难的区域，可作为支护设计、灾害预防等工程决策的依据。
本发明能够实现对围岩应力状态进行有效、非接触、定向、区域性监测和评价，填补了矿山井下煤岩体的应力状态的非接触式、区域性监测与评价的空白。
有益效果基于煤岩电磁辐射原理的非接触式矿山压力观测技术采用了非接触式接收天线，测试及评价指标为电磁辐射强度。实现了真正的非接触式、定向及区域性监测，反映的是监测区域范围内围岩应力状态的总体情况，对高应力区、高应力梯度区或高应力活动区反映更为灵敏。本发明与现行的煤岩体应力测试技术相比更有效快捷，大大减少了工作量，基本不受人工等外界干扰(对于井下机电设备等电磁干扰，则通过采取屏蔽或定向接收技术来排除)，测试结果反映的是测点局部区域煤岩体的整体应力响应(局部区域应力)，特别适合于在煤矿生产过程中的超前探测和地质构造或应力异常区(或应力集中区)的超前探测，也可广泛应用于煤矿开采、土木、水利、道路、隧道、地下工程等。


图1是本发明非接触式矿山压力观测流程图。
图2是本发明非接触式矿山压力评价流程图。
图3是本发明非接触式矿山压力观测测点布置示意图。
图4是本发明在重庆朝天门隧道拱角测线上压力观测结果实例。观测结果与实际压力显现一致。
图5是本发明在徐州张集煤矿采煤工作面电磁辐射强度测试结果与液压支架压力P对比图，表明矿压观测结果与实际应力分布一致。
图6是本发明在甘肃华亭煤矿2006年12月23日250205工作面运输顺槽外帮矿压观测及评价结果实例。观测及评价结果与实际情况一致。
具体实施例方式
非接触式矿压观测的流程图见图1所示。在采用移动式、非接触式观测矿压前，首先要选定需要进行监测的区域，比如选定某回采工作面的运输巷作为观测及评价区域，然后把测点布置好(1～n个测点)，测点布置间距为L1(范围一般为1～10米)。监测时，要将定向接收电磁天线有效接收方向对准测点，使天线的轴向垂直于测点的外表面，并固定好天线。天线与被测煤岩壁的距离为L2(范围为0.1～1米)，其确定的原则是将被监测测点区域刚好包含在天线的60度开口方向内，如图4所示。每个测点观测时间为T(范围为0.5～3min，一般情况下，每个测点测试2分钟)，测试过程中监测仪自动、实时采集电磁辐射强度数据，实时统计每秒钟的电磁辐射强度最大值(或平均值，一般计算最大值)，采集数据完成后，监测仪即时自动计算T时间内的平均值Ei作为第i个测点的最终测试结果，作为评价该测点压力大小的依据，由监测仪自动存储并进行显示。测试完成第i个测点后，移动到下一测点i+1继续进行测试，得到Ei+1。所有测点测试完成后，将监测仪带到地面，将测试结果数据导入计算机。
矿山压力评价的指标是煤岩电磁辐射强度的平均值Ei，是基于煤岩电磁辐射的测试结果能够同比例地反映矿山压力来进行的，某测点电磁辐射强度越大，则表明该测点的矿压越大。首先在计算机中计算所有测点电磁辐射强度Ei的平均值Eavg=1nΣi=1nEi,]]>作为矿山压力的对比指标；把该评价区域内不同测点的电磁辐射测试结果Ei在评价图中显示出来，横坐标为测点编号或测点位置，纵坐标为测点的电磁辐射强度Ei，在图中也标出E＝Eavg的横线；从图中直接可以看出不同测点矿山压力的分布规律，测点的电磁辐射强度Ei越大，表明该点矿山压力越大；当所测电磁辐射强度大于Eavg时，该测点被评价为高应力点，说明该测点附近的矿压较大，如果某个局部区域连续两个以上测点的电磁辐射强度值都大于Eavg，则该区域为高应力区域；对于相邻两个或两个以上测点的电磁辐射强度呈现急剧增大1倍以上或急剧降低50％以上的区域，评价为高应力梯度区。
对于高应力区或高应力梯度区，应做出提示，这一般是煤岩动力灾害的高发区和支护较为困难的区域，可作为支护设计、灾害预防等工程决策的依据。
图3是本发明非接触式矿山压力观测测点布置示意图。在巷道或工作面，测点间距根据观测或评价精度要求可为1～10米，测点间距越小，观测及评价精度越高。一般对于固定的工作面或巷道，测点间距是固定的。每个测点测试0.5～3分钟，一个测点测试完成后，移动到下一测点进行观测。
图4是本发明非接触式矿山压力观测仪器布置示意图。由图可知，接受天线的有效监测范围为以天线一端为圆心，半径为7～22m，60°角的锥形面积，观测结果是此范围内煤岩体的整体综合应力。
图5是采用本发明技术在重庆朝天门隧道拱角测线上的电磁辐射及压力观测结果。LA-A`测线位于左洞右侧拱角，距洞底2.0m，K4+846.5m～K4+948.5m。测点间距为1m，天线距隧道内表面0.5m，开口朝向隧道内表面法向方向。每个测点测试2分钟，取平均值作为该点测试结果。测定值反映的是60°方向区域内电磁辐射源的总体辐射。在LA-A`纵向测线上，K4+916.5m、K4+901.5m及K4+884.5m附近电磁辐射强度较高，表明所处的应力状态比较高，这与隧道上方群桩应力叠加带相吻合。
图6是本发明在徐州张集煤矿采煤工作面电磁辐射强度测试结果与液压支架压力P对比图。测点间距为4架支架(6m)，每个测点测试2分钟，天线距煤壁0.5m。由图可看出，电磁辐射强度与工作面支护阻力(液压支架压力)变化趋势大致相同，具有较好的对应性。
图7是本发明在甘肃华亭煤矿2006年12月23日250205工作面运输顺槽外帮矿压观测及评价结果实例。测点间距为10m，每个测点测试时间为2分钟，电磁天线距煤壁为0.5m。从图上可以看出，在运输顺槽从工作面往外46.5m～96.5m之间为高应力区，36.5m～56.5m之间、66.5m～86.5m之间和96.5m～106.5m之间为高应力梯度区。
权利要求
1.一种非接触式矿山压力观测方法，其特征在于观测的方法为a.首先要选定需要进行监测的区域，然后把1～n个测点布置好，测点布置间距为L1＝1～10米；b.将定向接收电磁天线有效接收方向对准测点，使天线的轴向垂直于测点的外表面，并固定好天线，天线与被测煤岩壁的距离为L2＝0.1～1米，其确定的原则是将被监测测点区域刚好包含在天线的60度开口方向内；c.每个测点测试时间为T＝0.5～3min，测试过程中监测仪实时采集电磁辐射强度数据，统计每秒钟的电磁辐射强度最大值或平均值，然后计算T时间内的平均值Ei作为第i个测点的最终测试结果，作为评价该测点压力大小的依据并存储；d.测试完成第i个测点后，移动到下一测点i+1继续进行测试，得到Ei+1，直至所有测点测试完成。
2.一种如权利要求1所述的非接触式矿山压力观测的评价方法，其特征在于该评价方法为a.矿山压力评价的指标采用煤岩电磁辐射强度的平均值Ei，某测点电磁辐射强度越大，则表明该测点的矿压越大；b.在计算机中计算所有测点电磁辐射强度Ei的平均值Eavg=1nΣi=1nEi,]]>作为矿山压力的对比指标；c.把该评价区域内不同测点的电磁辐射测试结果Ei在图中显示出来，横坐标为测点编号或测点位置，纵坐标为测点的电磁辐射强度Ei，在图中也标出E＝Eavg的横线；d.从图中直接可以看出不同测点矿山压力的分布规律，测点的电磁辐射强度Ei越大，表明该点矿山压力越大；e.当所测电磁辐射强度大于Eavg时，该测点被评价为高应力点，说明该测点附近的矿压较大，如果某个局部区域连续两个以上测点的电磁辐射强度值都大于Eavg，则该区域为高应力区；f.对于相邻两个或两个以上测点的电磁辐射强度呈现急剧增大1倍以上或急剧降低50％以上的区域，评价为高应力梯度区；g.对于高应力区或高应力梯度区，应做出提示，这一般是煤岩动力灾害的高发区和支护较为困难的区域，可作为支护设计、灾害预防等工程决策的依据。
全文摘要
非接触式矿山压力观测及评价方法涉及一种通过非接触式监测受载煤岩体产生的电磁辐射信息来监测与评价矿山采掘空间或隧道围岩的相对应力状态的技术，观测方法为首先要选定需要进行监测的区域，将定向接收电磁天线有效接收方向对准测点，测试完成得到E
文档编号G01N27/00GK101021570SQ200710020549
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月12日 优先权日2007年3月12日
发明者王恩元, 何学秋, 王云刚, 刘晓斐, 李忠辉, 刘贞堂, 窦林名 申请人:中国矿业大学