矿井顶底板突水监测预报系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种矿井顶底板突水监测预报系统及方法，它包括地面控制室主机终端、与地面控制室主机终端连接的井下现场主机、与井下现场主机连接的综合电缆总线、沿煤矿巷道方向在巷道壁或巷道底板或巷道顶板上布置的多个检测终端，其中，所述每个检测终端包括控制器、三维震动传感器、电极、与控制器连接的存储器，所述三维震动传感器和电极的信号输出端均连接控制器的信号输入端，每个控制器的数据通信端均通过综合电缆总线连接井下现场主机。本发明能显著提高煤矿顶底板突水监测结果的准确性和实时性。
【专利说明】矿井顶底板突水监测预报系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤矿安全【技术领域】，具体地指一种矿井顶底板突水监测预报系统及方法。
【背景技术】
[0002]矿井水害的形成和发生都有一个从孕育、发展到发生的变化过程，在这一变化过程中的不同阶段都有其对应的前兆。微震监测就是要找到导水通道的具体参数，包括时空位置、能量和通道类型，并根据水源、水量和水温等因素的变化情况，结合矿山压力、水文地质等多学科理论，进行突水的超前预测预警。现有的煤矿顶底板突水监测方法是通过微震监测仪或高密度电法仪或矿山围岩压力、变形等方法对煤矿顶底板进行突水监测。所有方法的缺点是监测参数依据单一或与突水没有直接相关联的参数，容易造成煤矿顶底板突水监测结果的准确性下降，存在一定的安全隐患。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是要提供一种矿井顶底板突水监测预报系统及方法，该装置和方法通过监测矿井产生突水的必须条件(微震)和必然条件(产生视电阻率和视极化率的变化)为依据，能显著提高煤矿顶底板突水监测结果的准确性和实时性。
[0004]为实现此目的，本发明所设计的矿井顶底板突水监测预报系统，其特征在于:它包括地面控制室主机终端、与地面控制室主机终端连接的井下现场主机、与井下现场主机连接的综合电缆总线、沿煤矿巷道方向在巷道壁或巷道底板或巷道顶板上布置的多个检测终端，其中，所述每个检测终端包括控制器、三维震动传感器、电极以及与控制器连接的存储器，所述三维震动传感器和电极的信号输出端均连接控制器的信号输入端，每个控制器的数据通信端均通过综合电缆总线连接井下现场主机。
[0005]所述每个检测终端之间等距离布置，相邻两个检测终端之间相距5?20m。
[0006]所述综合电缆总线包括两根测量线、两根供电线、两根传输线和两根电源线。
[0007]所述电极为金属棒电极。
[0008]所述控制器还连接有报警器。
[0009]一种利用上述矿井顶底板突水监测预报系统的矿井顶底板突水监测预报方法，其特征在于，它包括如下步骤:
[0010]步骤1:各个控制器控制各自的三维震动传感器对巷道壁或巷道底板或巷道顶板的震动进行实时监测；
[0011]步骤2:每个三维震动传感器将测得的实时的巷道壁或巷道底板或巷道顶板的震动数据传输给对应的控制器，同时，每个控制器将上述震动数据传输给井下现场主机，井下现场主机将上述震动数据进行保存，并将上述震动数据同步上传给地面控制室主机终端；所述巷道壁或巷道底板或巷道顶板的实时震动数据包括每个三维震动传感器测得了震动信号时震动发生的强度、时间和震动频率；在地面控制室主机终端内根据各个三维震动传感器上传的实时震动数据，利用现有地震震源确定法，确定震源地点；
[0012]步骤3:在各个控制器中将步骤2中得到的实时震动数据与预先设定的震动信号幅度进行比较，并将比较结果通过井下现场主机上传到地面控制室主机终端，一旦某个位置处测得的震动数据达到预先设定的震动信号幅度时，则地面控制室主机终端启动井下现场主机对所有的控制器发出控制信号，所有的控制器控制对应的电极对巷道壁或巷道底板或巷道顶板进行激发极化高密度电法测量；并将测量结果由井下现场主机传输给地面控制室主机终端，在地面控制室主机终端内得到被测巷道壁或巷道底板或巷道顶板的视电阻率和视极化率的变化数据；
[0013]步骤4:在地面控制室主机终端内进行如下判断，当被测巷道壁或巷道底板或巷道顶板的视电阻率变小的变化小于设定值时，且视极化率的变化小于视极化率数据的二倍标准差时，表明巷道壁或巷道底板或巷道顶板不存在突水；当被测巷道壁或巷道底板或巷道顶板的视电阻率变小的变化大于等于设定值时，且视极化率的变化大于视极化率数据的二倍标准差时，表明巷道壁或巷道底板或巷道顶板存在突水；经过以上判断即实现了矿井顶底板突水情况的监测预报。
[0014]所述步骤3中预先设定震动信号幅度为被测巷道壁或巷道底板或巷道顶板背景信号幅度值的三倍。。
[0015]步骤4中，所述设定值为被测巷道壁或巷道底板或巷道顶板视电阻率背景值的二倍标准差。
[0016]步骤3中，所述地面控制室主机终端根据激发极化高密度电法的测量结果生成视电阻率和视极化率的剖面等值线色谱图，该色谱图作为矿井顶底板突水情况监测预报的参考。
[0017]步骤I中，所述地面控制室主机终端通过井下现场主机控制各个控制器对应的电极，间隔固定周期对巷道壁或巷道底板或巷道顶板进行激发极化高密度电法的测量。
[0018]本发明的有益效果主要表现在:
[0019](I)由于矿山发生水害必须具备的3个条件是水源、水量和导水通道，而激发极化高密度电法可以很好地监测地层结构因微震而产生的断层、陷落柱及导水通道发生变化的情况；若微震产生的结构构造在无水的情况下，激发极化高密度电法的视电阻率值变大或几乎没有多大变化，而视极化率则几乎没变化，因此，激发极化高密度电法监测产生的电阻成像剖面没有低电阻率值图谱的变化，而激化率成像剖面图谱则没有变化；若微震产生的结构构造中有水的情况下，激发极化高密度电法的视电阻率值会变小，而视极化率值则会变大，因此，激发极化高密度电法监测产生的电阻成像剖面等值线色谱图有较大的变化，而激化率成像剖面等值线色谱图也有很大的有变化。
[0020]这样，利用微震和激发极化高密度电法就可以很好地监测煤矿顶底板突水问题，解决导水通道(断层、陷落柱)存在极强的局部性和隐蔽性。
[0021](2)本发明采用激发极化高密度电法进行矿井顶底板突水情况的监测可以克服巷道的锚杆、锚索、锚网和轨道等对电法探测的干扰因素，因通过长期监测，在相同的环境和装置下，只需探测地层的电阻率和极化率有无变化就可以很好地监测煤矿顶底板突水问题。
[0022](3)本发明的突水监测实时性强，矿井发生顶底板突水时首先必须发生微震，再产生视电阻率和视极化率的变化；因此，提高了矿井的安全性。
[0023]另外，由于采用了激发极化高密度电法，所以本发明还具有如下优点:
[0024]1、电极布设是一次完成的，这不仅减少了因电极设置而引起的故障和干扰，而且为数据的快速和自动测量奠定了基础。
[0025]2、能有效地进行多种电极排列方式的扫描测量，因而可以获得较丰富的具有断面结构特征的地质信息。
[0026]3、井下数据采集实现了自动化或半自动化，不仅采集速度快(大约每一测点需2?5秒)，而且避免了由于手工操作所出现的错误。
[0027]4、本发明与传统的电阻率法相比，成本低、效率高，信息量丰富。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1为本发明的结构示意图。
[0029]其中，I一检测终端、1.1一控制器、1.2—二维震动传感器、1.3 —电极、1.4一存储器、2—井下现场主机、3—地面控制室主机终端、4 一综合电缆总线、5—报警器。
【具体实施方式】
[0030]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明:
[0031]图1所示的矿井顶底板突水监测预报系统，它包括地面控制室主机终端3、与地面控制室主机终端3连接的井下现场主机2、与井下现场主机2连接的综合电缆总线4、沿煤矿巷道方向在巷道壁或巷道底板或巷道顶板上布置的多个检测终端1，其中，所述每个检测终端I包括控制器1.1、三维震动传感器1.2、电极1.3以及与控制器1.1连接的存储器1.4，所述三维震动传感器1.2和电极1.3的信号输出端均连接控制器1.1的信号输入端，每个控制器1.1的数据通信端均通过综合电缆总线4连接井下现场主机2。
[0032]上述技术方案中，所述每个检测终端I之间等距离布置，相邻两个检测终端I之间相距5?20m。
[0033]上述技术方案中，所述综合电缆总线4包括两根测量线、两根供电线、两根传输线和两根电源线。综合电缆总线4能实现井下现场主机2与各个控制器1.1之间的单独通信。其中，两根供电线用于给巷道壁或巷道底板或巷道顶板提供电场信号。两根测量线用于测量巷道壁或巷道底板或巷道顶板电场的变化情况。两根传输线用于检测终端I与井下现场主机2之间的通信。两根电源线用于给检测终端I供电。供电线和测量线传输的信号均通过电极1.3与巷道壁或巷道底板或巷道顶板连接。
[0034]上述技术方案中，井下现场主机2置于巷道中。
[0035]上述技术方案中，本发明采用频率域激发极化法来完成高密度电法的视电阻率和视极化率的测量，这样所用电极就可以采用一般的铜等金属电极，而避免采用复杂昂贵的不极化电极。
[0036]所述电极1.3为金属棒电极。
[0037]上述技术方案中，所述控制器1.1还连接有报警器5。井下现场主机2通过本安电源供电。当控制器1.1接收到三维震动传感器1.2传来的震动信号时，控制报警器5发出警报。[0038]一种利用上述矿井顶底板突水监测预报系统的矿井顶底板突水监测预报方法，本方法通过微震监测和激发极化高密度电法测量来同时监测顶底板的突水预报，而激发极化高密度电法又是同时测试视电阻率和视极化率，采用视电阻率和视极化率二个参数来综合判定监测地层的水文地质变化情况；
[0039]该方法的具体步骤为:
[0040]步骤1:各个控制器1.1控制各自的三维震动传感器1.2对巷道壁或巷道底板或巷道顶板的震动进行实时监测；
[0041]步骤2:每个三维震动传感器1.2将测得的实时的巷道壁或巷道底板或巷道顶板的震动数据传输给对应的控制器1.1，同时，每个控制器1.1将上述震动数据传输给井下现场主机2，井下现场主机2将上述震动数据进行保存，并将上述震动数据同步上传给地面控制室主机终端3 ;所述巷道壁或巷道底板或巷道顶板的实时震动数据包括每个三维震动传感器1.2测得了震动信号时震动发生的强度、时间和震动频率(震动发生时的震动频率上传到地面控制室主机终端3用作对巷道地质条件的评估)；在地面控制室主机终端3内根据各个三维震动传感器1.2上传的实时震动数据，利用现有地震震源确定法，确定震源地点(该现有地震震源确定法中需要用到震动发生时间和各个三维震动传感器1.2安装的坐标)；
[0042]步骤3:在各个控制器1.1中将步骤2中得到的实时震动数据与预先设定的震动信号幅度进行比较，并将比较结果通过井下现场主机2上传到地面控制室主机终端3，一旦某个位置处测得的震动数据达到预先设定的震动信号幅度时，则地面控制室主机终端3启动井下现场主机2对所有的控制器1.1发出控制信号，所有的控制器1.1控制对应的电极1.3对巷道壁或巷道底板或巷道顶板进行激发极化高密度电法测量；并将测量结果由井下现场主机2传输给地面控制室主机终端3，在地面控制室主机终端3内得到被测巷道壁或巷道底板或巷道顶板的视电阻率和视极化率的变化数据；
[0043]步骤4:在地面控制室主机终端3内进行如下判断，当被测巷道壁或巷道底板或巷道顶板的视电阻率变小的变化小于设定值时，且视极化率的变化小于视极化率数据的二倍标准差时，表明巷道壁或巷道底板或巷道顶板不存在突水；当被测巷道壁或巷道底板或巷道顶板的视电阻率变小的变化大于等于设定值时，且视极化率的变化大于视极化率数据的二倍标准差时，表明巷道壁或巷道底板或巷道顶板存在突水；经过以上判断即实现了矿井顶底板突水情况的监测预报。(激发极化参数仅与水有关；因此，采用电阻率和激化率二参数来评价地层的水含量有无变化具有较高的准确性。)
[0044]上述技术方案中，所述步骤3中预先设定震动信号幅度为被测巷道壁或巷道底板或巷道顶板背景信号幅度值的三倍。
[0045]上述技术方案中，步骤4中，所述设定值为被测巷道壁或巷道底板或巷道顶板视电阻率背景值的二倍标准差。
[0046]上述技术方案中，步骤3中，所述地面控制室主机终端3根据激发极化高密度电法的测量结果生成视电阻率和视极化率的剖面等值线色谱图，该色谱图作为矿井顶底板突水情况监测预报的参考。上述色谱图可以提取地层中的含水信息，解释含水、导水构造及潜在导水、突水通道，并总结出构造异常体的含水、导水规律；提取视电阻率和激发率成像剖面中岩石的电性分层信息，可用于解释工作面顶、底板隔水层厚度、含水层厚度、含水层原始导升高度。
[0047]上述技术方案中，步骤I中，所述地面控制室主机终端3通过井下现场主机2控制各个控制器1.1对应的电极1.3，间隔固定周期对巷道壁或巷道底板或巷道顶板进行激发极化高密度电法的测量。上述间隔固定周期为可设定每24小时测量I?5次。
[0048]上述技术方案中，判断突水发生的依据是相同位置的激发极化高密电法所测量的视电阻率和视极化率的相对变化程度；这样可以克服巷道的锚杆、锚索、锚网、轨道等干扰因素，因为监测测量是在相同的环境和装置下，只需探测地层的电阻率和激化率有无相对变化。
[0049]上述技术方案中，微震监测的原理为:当微震事件发生后会产生震动波，此波沿周围的介质向四周传播，三维震动传感器1.2接收原始的微震信号以后将其转变为电信号，将其发送到控制器1.1，控制器1.1通过综合电缆4传送到井下现场主机2和地面控制室主机终端3，地面控制室主机终端3对微震动数据信号进行多方面处理和分析，这样能实现了对微震事件的定位、获取事件原始参数等处理，并可以对微震事件在绘图仪或三维空间和时间轴下进行实体演示，其原始数据和处理文件可实时显示。
[0050]实施例:
[0051]将矿井顶底板突水监测预报系统置于煤矿掘进巷道中，三维震动传感器1.2接收的矿井顶底板背景震动信号强度为10mv，将IOmv设定为顶底板背景震动信号幅度值；当三维震动传感器1.2在某一时刻测得了震动信号，该震动信号的强度为35mv，震动频率为500HZ ;此时因震动信号的强度大于矿井顶底板背景信号幅度值的三倍，则地面控制室主机终端3启动井下现场主机2控制电极1.3对矿井顶底板进行激发极化高密度电法测量；并将测量结果由井下现场主机2传输给地面控制室主机终端3，如果在地面控制室主机终端3内得到矿井顶底板的视电阻率为300Ω/πι (矿井顶底板视电阻率背景值为400Ω/πι，标准差值为25 Ω/m)，此时，矿井顶底板的视电阻率变小为ΙΟΟΩ/πι,ΙΟΟΩ/m大于两倍标准差值(δΟΩ/m);同时，在地面控制室主机终端3内得到矿井顶底板的视极化率为15% (矿井顶底板视极化率背景值为8%，标准差值为2%)，此时，矿井顶底板的视极化率的变化为7%，7%大于两倍标准差值(4%);此时则判断出矿井顶底板有发生突水的征兆。所述实施例已经过技术人员经过现场勘测验证，确实存在发生突水的征兆。
[0052]本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
【权利要求】
1.一种矿井顶底板突水监测预报系统，其特征在于:它包括地面控制室主机终端(3)、与地面控制室主机终端(3)连接的井下现场主机(2)、与井下现场主机(2)连接的综合电缆总线(4)、沿煤矿巷道方向在巷道壁或巷道底板或巷道顶板上布置的多个检测终端(1)，其中，所述每个检测终端(I)包括控制器(1.1)、三维震动传感器(1.2)、电极(1.3)以及与控制器(1.1)连接的存储器(1.4)，所述三维震动传感器(1.2)和电极(1.3)的信号输出端均连接控制器(1.1)的信号输入端，每个控制器(1.1)的数据通信端均通过综合电缆总线(4)连接井下现场主机(2)。
2.根据权利要求1所述的矿井顶底板突水监测预报系统，其特征在于:所述每个检测终端(I)之间等距离布置，相邻两个检测终端(I)之间相距5~20m。
3.根据权利要求1所述的矿井顶底板突水监测预报系统，其特征在于:所述综合电缆总线(4)包括两根测量线、两根供电线、两根传输线和两根电源线。
4.根据权利要求1所述的矿井顶底板突水监测预报系统，其特征在于:所述电极(1.3)为金属棒电极。
5.根据权利要求1所述的矿井顶底板突水监测预报系统，其特征在于:所述控制器(1.1)还连接有报警器(5)。
6.一种利用权利要求1~5中任意一项所述矿井顶底板突水监测预报系统的矿井顶底板突水监测预报方法，其特征在于，它包括如下步骤: 步骤1:各个控制器(1.1)控制各自的三维震动传感器(1.2)对巷道壁或巷道底板或巷道顶板的震动进行实时监测； 步骤2:每个三维震动传感器(1.2)将测得的实时的巷道壁或巷道底板或巷道顶板的震动数据传输给对应的控`制器(1.1)，同时，每个控制器(1.1)将上述震动数据传输给井下现场主机(2)，井下现场主机(2)将上述震动数据进行保存，并将上述震动数据同步上传给地面控制室主机终端(3);所述巷道壁或巷道底板或巷道顶板的实时震动数据包括每个三维震动传感器(1.2)测得了震动信号时震动发生的强度、时间和震动频率；在地面控制室主机终端(3)内根据各个三维震动传感器(1.2)上传的实时震动数据，利用现有地震震源确定法，确定震源地点； 步骤3:在各个控制器(1.1)中将步骤2中得到的实时震动数据与预先设定的震动信号幅度进行比较，并将比较结果通过井下现场主机(2 )上传到地面控制室主机终端(3 )，一旦某个位置处测得的震动数据达到预先设定的震动信号幅度时，则地面控制室主机终端(3)启动井下现场主机(2)对所有的控制器(1.1)发出控制信号，所有的控制器(1.1)控制对应的电极(1.3)对巷道壁或巷道底板或巷道顶板进行激发极化高密度电法测量；并将测量结果由井下现场主机(2)传输给地面控制室主机终端(3)，在地面控制室主机终端(3)内得到被测巷道壁或巷道底板或巷道顶板的视电阻率和视极化率的变化数据； 步骤4:在地面控制室主机终端(3)内进行如下判断，当被测巷道壁或巷道底板或巷道顶板的视电阻率变小的变化小于设定值时，且视极化率的变化小于视极化率数据的二倍标准差时，表明巷道壁或巷道底板或巷道顶板不存在突水；当被测巷道壁或巷道底板或巷道顶板的视电阻率变小的变化大于等于设定值时，且视极化率的变化大于视极化率数据的二倍标准差时，表明巷道壁或巷道底板或巷道顶板存在突水；经过以上判断即实现了矿井顶底板突水情况的监测预报。
7.根据权利要求6所述的矿井顶底板突水监测预报方法，其特征在于:所述步骤3中预先设定震动信号幅度为被测巷道壁或巷道底板或巷道顶板背景信号幅度值的三倍。
8.根据权利要求6所述的矿井顶底板突水监测预报方法，其特征在于:步骤4中，所述设定值为被测巷道壁或巷道底板或巷道顶板视电阻率背景值的二倍标准差。
9.根据权利要求6所述的矿井顶底板突水监测预报方法，其特征在于:步骤3中，所述地面控制室主机终端(3 )根据激发极化高密度电法的测量结果生成视电阻率和视极化率的剖面等值线色谱图，该色谱图作为矿井顶底板突水情况监测预报的参考。
10.根据权利要求6所述的矿井顶底板突水监测预报方法，其特征在于:步骤I中，所述地面控制室主机终端(3)通过井下现场主机(2)控制各个控制器(1.1)对应的电极(1.3)，间隔固定周期`对巷道壁或巷道底板或巷道顶板进行激发极化高密度电法的测量。
【文档编号】G01V11/00GK103529488SQ201310460139
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年9月30日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】武强, 刘春生, 刘鎏 申请人:武汉长盛煤安科技有限公司