专利名称：一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及煤炭开采安全监控领域，具体涉及煤炭开采过程中地层塌陷预警方法和技术。
背景技术：
氡是天然放射性衰变系列中的气态放射性核素，它的衰变产物又是一种不易挥发的放射性物质。地层塌陷过程形成的破碎带，为氡的迁移提供良好的通道，地层中的氡会在对流作用、地下水作用、微气泡作用、地热作用、地应力作用、潮汐作用、抽吸作用、地气作用、渗流作用等作用下迁移到地表。地层中破碎带的发育程度在一定程度上会影响氡的迁移水平，具体能反应在地表土壤中测量到的壤氡信息。在煤炭开采过程中，当地层在垮塌前夕，必然能测量到GPS坐标位置的形变位移，因此可以用高精度GPS差分定位观测测量点， 能监测地层沉陷过程的微小变化。煤炭资源是被人类广泛利用的能源之一，在我国有千余座大小不等的煤矿，存在大量的煤炭开采作业。而在煤炭开采过程中，地面塌陷是目前煤炭开采的主要安全问题之一，煤炭开采过程中岩层塌陷，严重影响到煤炭开采工业的安全生产。煤矿是集人工、机械、 采矿工程、地质条件和自然环境共存的复杂系统，其灾变机理、途径等基本因素难以确定， 因素状态模糊性强、安全数据不够充分，事故发生率较高。我国时常会发生大小不等的煤矿坍塌事件。因此，在进行煤矿开采时，地面塌陷安全预警工作显得尤为重要。目前，煤矿开采安全评价以安全系统工程理论和方法为基础，按照相应的程序与方法，对煤矿开采过程中存在的危险因素、发生事故的可能性与伤害程度进行识别和分析。 常用的方法如模糊综合评价、灰色聚类分析、物元分析、BP人工神经网络等，但在处理方法上分别存在某些缺陷，例如，因采用最大-最小算子而损失大量原始信息；因采用均权处理各关联度，而未能足够体现各指标中权重的影响。这些都会造成煤矿开采条件安全性受许多未知因素影响。目前已有的安全评价机制不能确保煤矿开采过程中的地面塌陷预警，因此建立一套有效的煤炭开采过程中地面塌陷的预警方法及系统是煤炭企业生产安全运行的一种行之有效的技术手段。建立一套较为有效的煤矿开采过程中地面岩层塌陷的预警方法，将有助于提高煤炭企业的安全水平，降低事故带来的损失，并为煤炭企业的安全施工提供技术手段。多年来，人们在应用氡气测量进行地震预报、勘测煤田陷落柱、探查隐伏地址构造等领域进行了大量研究，但是由于煤炭开采引起岩层坍塌的过程中，壤中氡气场受地层破损发育程度的影响以及地层塌陷过程中对壤氡异常变化的评价机制，特别是将壤氡α能谱测量方法结合高精度GPS差分技术应用于岩层塌陷预警未见报导，因此本发明所提供的方法是一种创新的技术手段。
发明内容
本发明的目的在于针对目前煤炭开采过程中地层垮塌预警的应用需求，采用壤中氡气α能谱实时连续测量方法结合高精度地面GPS差分定位测量方法，监测煤炭开采过程中地层垮塌前地层裂隙发育情况，对比裂隙发育实验模型的壤氡测量实验数据，建立一套利用壤氡异常来评价裂隙破损发育程度，将实验模型中的壤氡异常评价机制应用到煤炭开采过程中的地层塌陷评价中去，从而达到煤炭开采过程中地层塌陷的预警目的。本发明所提供方法合理，理论基础充分，实现的技术方案成熟可行。为能达到上述发 明目的，所采用的技术方案是根据煤炭开采范围在地表土壤中布置探测点；在各探测点上采用多参数壤氡α能谱测量系统进行壤氡实时连续测量；在其中设定数量的探测点上作高精度GPS差分定位在线实时测量；根据高精度GPS差分定位测量，获取地层的沉降信息；根据获得的壤氡异常分布关系和变化规律，与实验室的煤炭开采过程地层裂隙评价实验模型的实验数据对比，结合高精度GPS差分定位获取的地层沉降信息，确定地层裂隙的发育程度，进而获取煤炭开采过程中地层塌陷的预警信息；整个预警系统由多参数壤氡α能谱测量单元、高精度GPS差分定位装置、现场多测点数据管理装置、基于太阳能的电源管理装置、ZigBee无线网络、GPRS无线网络、远程计算机后台监控系统几个部分构成；多参数壤氡α能谱测量单元和高精度GPS差分定位装置通过ZigBee无线网络与现场多测点数据管理装置相连，现场多测点数据管理装置通过GPRS无线网络与远程计算机后台监控系统相连；多参数壤氡α能谱数据采集单元、高精度GPS差分定位装置、现场多测点数据管理装置与基于太阳能的电源管理装置相连接。按照本发明提供的一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统，其特征是所述的根据煤炭开采范围在地表土壤中布置探测点，表示在地表相应范围内设置测点和测线，测线和测点之间的距离为设定值。按照本发明提供的一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统，其特征是所述的在各探测点上采用多参数壤氡α能谱测量系统进行壤氡实时连续测量，具体包括在探测点挖设定深度的测量坑，在每个测量坑内放置多参数壤氡α能谱数据采集单元，将多参数壤氡α能谱数据采集单元的测量数据通过ZigBee无线网络发送到现场多测点数据管理装置，现场多测点数据管理装置再通过GPRS无线网络发送到远程计算机后台监控系统。按照本发明提供的一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统，其特征是所述的多参数壤氡α能谱数据采集单元包含壤中氡气取样装置、壤中氡气测量模块、环境参数测量模块；其中所述的环境参数包括壤中温度、湿度、气压。按照本发明提供的一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统，其特征是所述的在其中设定数量的探测点上作高精度GPS差分定位测量，指的是在设定数量的壤氡测量点上同时设置观测地面沉降高精度GPS差分定位测量点，在一个静态位置上设置一个高精度GPS差分定位静态参考点；所述的高精度GPS差分定位测量点以及高精度GPS差分定位静态参考点包含GPS测量天线、GPS接收机和GPS数据采集单元；高精度GPS差分定位测量点以及高精度GPS差分定位静态参考点通过ZigBee无线网络将采集的GPS定位数据传送到现场多测点数据管理装置，现场多测点数据管理装置通过GRPS网络将GPS定位数据传输到计算机后台监控系统，由计算机后台监控系统进行数据处理。按照本发明提供的一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统，其特征是所述的现场多测点数据管理装置主要包含数据处理单元、数据存储单元、数据发送单元和人机接口单元，多测点数据管理装置主要负责对壤氡测量数据和高精度GPS差分定位观测数据的现场管理。按照本发明提供的一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统，其特征是所述的基于太阳能的电源管理装置，主要包括太阳能电池板、电源充电电路、电池电量检测电路和电池保护电路，完成对多参数壤氡α能谱测量单元、高精度GPS差分定位装置现场多测点数据管理装置的电源管理。
附图1为一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法流程图；附图2为本发明实施的多参数壤氡α能谱数据采集单元和高精度GPS差分定位探测点布置示意图；附图3为多参数壤氡数据采集单元的结构示意图；附图4为一种煤炭开采过程中地层塌陷预警系统构成示意具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施方式进行详细的描述。图1为一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法流程图。如图所示，本发明提供的一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统所采用的技术方案是根据煤炭开采范围在地表土壤中布置探测点(SlOl)；在各探测点上(S201)采用多参数壤氡α能谱测量系统进行壤氡实时连续测量(S102)；在其中设定数量(S202)的探测点上作高精度GPS差分定位测量(S103)；根据高精度GPS差分定位测量，获取地层的沉降信息；根据获得的壤中氡气异常分布关系和变化规律，与实验室的煤炭开采过程地层裂隙评价实验模型的实验数据对比，结合高精度GPS差分定位获取的地层沉降信息，确定地层裂隙的发育程度，进而获取煤炭开采过程中地层塌陷的预警信息(S104)。S101，根据煤炭开采范围在地表土壤中布置探测点。图2为本发明实施的多参数壤氡α能谱数据采集单元和高精度GPS差分定位探测点布置示意图。如图所示，根据煤炭开采范围在地表相应范围内(比如IOOOOm2)的土壤中设置测点(S201，S202)和测线 (S203)，使得探测范围能够覆盖地下煤炭开采区，选定测线和测点之间的距离为设定值。在地表探测范围内布置探测点可以是均勻布置也可是不均勻布置。例如，在地表探测范围内设置测线，所述测线方向与煤炭开采掘进方向一致，测线之间的距离为设定值，该设定值可以根据监测所要求的精度设定(如要求监测精度为2. 5m,则测线之间的距离设为5m)，每条测线上可以均勻布置探测点(测点之间的距离也是根据监测精度的要求确定设定值，比如要求监测精度为2. 5m，则测线之间的距离设为5m)或者不均勻地布置探测点(S201)。测线及测线上的测点构成测网(图2)，测网覆盖了煤炭开采区的地面探测范围。选择测网上的设定数量探测点同时作为高精度GPS差分定位测量点(S202)，选择测网以外的一个静态点作为GPS差分定位静态参考点(S204)。S102，在煤炭开采区各探测点上开展多参数壤氡α能谱实时连续在线监测。具体包括在探测点挖设定深度的探测坑，在每个探测坑内放置多参数壤氡α能谱数据采集单元，将多参数壤氡α能谱数据采集单元测量的数据通过ZigBee无线网络发送到现场多测点数据管理装置，由现场多测点数据管理装置通过GPRS无线网络发送到远程计算机后台监控系统。现有壤中氡气测量的方法很多，本发明采用的壤氡测量方法为基于壤氡静态扩散静电累积原理的α能谱测量技术，图3为多参数壤氡数据采集单元的结构示意图。如图所示，氡气取样装置由带有扩散孔的高压腔体构成，氡通过静态扩散运动进入氡气收集装置腔体内部时，发生α衰变产生氡的子体，由于氡的子体带正电，会在高压电场的作用下吸附到金硅面探测器表面，吸附在金硅面上的氡子体衰变产生的α射线被金硅面探测器探测并将信号输出到电路系统，由电路系统进行α能谱测量。电路系统中同时含有测量壤中温度、湿度、气压的测量模块，电路系统通过绝缘材料与壤中氡气取样装置相连接，整个电路系统采用环氧树脂灌封。图4为一种煤炭开采过程中地层塌陷预警系统构成示意图。整个预警系统由多参数壤氡α能谱测量单元、高精度GPS差分定位装置、现场多测点数据管理装置、基于太阳能的电源管理装置、ZigBee无线网络、GPRS无线网络、远程计算机后台监控系统几个部分构成；多参数壤氡α能谱测量单元和高精度GPS差分定位装置通过ZigBee无线网络与现场多测点数据管理装置相连；现场多测点数据管理装置通过GPRS无线网络与远程计算机后台监控系统相连；多参数壤氡α能谱数据采集单元、高精度GPS差分定位装置、现场多测点数据管理装置与基于太阳能的电源管理装置相连接。其中所述的多参数壤氡α能谱数据采集单元包含壤中氡气取样装置、壤中氡气测量模块、环境参数测量模块。其中所述的环境参数包括壤中温度、湿度和气压。在其中设定数量的探测点上作高精度GPS差分定位测量，指的是在设定数量的壤氡测量点上同时设置观测地面沉降高精度GPS差分定位测量点，在一个静态位置上设定一个高精度GPS差分定位静态参考点；所述的高精度GPS差分定位测量点以及高精度GPS差分定位静态参考点包含GPS测量天线、GPS接收机和GPS数据采集单元；高精度GPS差分定位测量点以及高精度GPS差分定位静态参考点通过ZigBee无线网络将GPS定位数据传送到现场多测点数据管理装置，现场多测点数据管理装置通过GRPS网络将GPS定位数据传输到计算机后台监控系统，由计算机后台监控系统进行数据处理。
现场多测点数据管理装置主要包含数据处理单元、数据存储单元、数据发送单元和人机接口单元，多测点数据管理装置主要负责对壤氡测量数据和高精度GPS差分定位观测数据的现场管理。基于太阳能的电源管理装置主要包括太阳能电池板、电源充电电路、电池电量检测电路和电池保护电路，完成对多参数壤氡α能谱测量单元、高精度GPS差分定位装置现场多测点数据管理装置的电源管理。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些不需要创造性劳动就能做出的各种改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统，其特征在于，包括根据煤炭开采范围在地表土壤中布置探测点；在各探测点上采用多参数壤氡α能谱测量系统进行壤氡实时连续测量；在其中设定数量的探测点上作高精度GPS差分定位在线实时测量；根据高精度GPS差分定位测量，获取地层的沉降信息；根据获得的壤氡异常分布关系和变化规律， 与实验室的煤炭开采过程地层裂隙评价实验模型的实验数据对比，结合高精度GPS差分定位获取的地层沉降信息，确定地层裂隙的发育程度，进而获取煤炭开采过程中地层塌陷的预警信息；整个预警系统由多参数壤氡α能谱测量单元、高精度GPS差分定位装置、现场多测点数据管理装置、基于太阳能的电源管理装置、ZigBee无线网络、GPRS无线网络、远程计算机后台监控系统几个部分构成；多参数壤氡α能谱测量单元和高精度GPS差分定位装置通过ZigBee无线网络与现场多测点数据管理装置相连，现场多测点数据管理装置通过 GPRS无线网络与远程计算机后台监控系统相连；多参数壤氡α能谱数据采集单元、高精度 GPS差分定位装置、现场多测点数据管理装置与基于太阳能的电源管理装置相连接。
2.根据权利要求1所述的一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统，其特征在于所述的根据煤炭开采范围在地表土壤中布置探测点，表示在地表相应范围内设置测点和测线，测线和测点之间的距离为设定值。
3.根据权利要求1所述的一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统，其特征在于所述的在各探测点上采用多参数壤氡α能谱测量系统进行壤氡实时连续测量，具体包括在探测点挖设定深度的测量坑，在每个测量坑内放置多参数壤氡α能谱数据采集单元， 将多参数壤氡α能谱数据采集单元的测量数据通过ZigBee无线网络发送到现场多测点数据管理装置，再由现场多测点数据管理装置通过GPRS无线网络发送到远程计算机后台监控系统。
4.根据权利要求1所述的一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统，其特征在于所述的多参数壤氡α能谱数据采集单元包含壤中氡气取样装置、壤中氡气测量模块、 环境参数测量模块；其中所述的环境参数包括壤中温度、湿度和气压。
5.根据权利要求1所述的一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统，其特征在于所述的在其中设定数量的探测点上作高精度GPS差分定位测量，指的是在设定数量的壤氡测量点上同时设置观测地面沉降高精度GPS差分定位测量点，在一个静态位置上设置一个高精度GPS差分定位静态参考点；所述的高精度GPS差分定位测量点以及高精度GPS 差分定位静态参考点包含GPS测量天线、GPS接收机和GPS数据采集单元；高精度GPS差分定位测量点以及高精度GPS差分定位静态参考点通过ZigBee无线网络将采集的GPS定位数据传送到现场多测点数据管理装置，现场多测点数据管理装置通过GRPS网络将GPS定位数据传输到计算机后台监控系统，由计算机后台监控系统进行数据处理。
6.根据权利要求1所述的一种煤炭开采过程中地层塌陷预警系统，其特征在于所述的现场多测点数据管理装置主要包含数据处理单元、数据存储单元、数据发送单元和人机接口单元，多测点数据管理装置主要负责壤氡测量数据和高精度GPS差分定位观测数据的现场管理。
7.根据权利要求1所述的一种煤炭开采过程中地层塌陷预警系统，其特征在于所述的基于太阳能的电源管理装置，主要包括太阳能电池板、电源充电电路、电池电量检测电路和电池保护电路，完成对多参数壤氡α能谱测量单元、高精度GPS差分定位装置现场多测点数据管理装置的电 源管理。
全文摘要
本发明提供了一种煤炭开采过程中地层塌陷预警方法与系统，具体包括根据煤炭开采范围在地表土壤中布置探测点；在各探测点上采用多参数壤氡α能谱测量系统进行壤氡实时连续测量；在其中设定数量的探测点上作高精度GPS差分定位在线实时测量；根据高精度GPS差分定位测量，获取地层的沉降信息；根据获得的壤氡异常分布关系和变化规律，与实验室的煤炭开采过程地层裂隙评价实验模型的实验数据对比，结合高精度GPS差分定位获取的地层沉降信息，确定地层裂隙的发育程度，进而获取煤炭开采过程中地层塌陷的预警信息。该方法所使用的监测系统结构简单，技术方案实施方便，能较为准确的达到煤炭开采过程中地层破裂程度评价及垮塌预警的目的。
文档编号E21F17/18GK102287234SQ20111016549
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月20日 优先权日2011年6月20日
发明者丁卫撑 申请人:成都理工大学