专利名称：一种实时监测煤矿大面积冒顶的方法
一种实时监测煤矿大面积冒顶的方法
技术领域：
本发明涉及矿井冒顶监测仪器仪表和传感器及电路设计领域，具体涉及一种低成本、可以密集布局监测点，从而覆盖任意大面积区域的地震前兆实时监测方法。
背景技术：
煤矿开采时，矿区煤层顶板往往比较坚硬且不易垮塌，因此，矿区采空区往往呈现大面积的悬顶现象，有些采空区的悬顶面积甚至有几个足球场那么大。由于采空了坚硬的顶板下的煤层，而造成了矿区煤层顶板压力集中现象，当集中应力的强度超过岩石强度时，会发生顶板岩层断裂、垮塌现象，通常被称作“冒顶”。这种冒顶落下的岩石，填充了采空区，压缩采空区的空气，形成暴风。这种顺势的暴风能量和威力极大，暴风形成的冲击波能将数吨重的井下设备掀起几十米，甚至将井下矿车压缩成一团废铁。顶板岩层断裂、垮塌现象的发生，给矿山造成灾难性的人员伤亡、财产损失。对不同岩性的岩石力学实验，模拟顶部岩石从承受压力到压力将岩石压断的整个过程分析表明岩石材料在不同的应力作用下，在正常应力状态下(承受应力的大小没有超过岩石或者材料的承受强度)、危险状态(承受的应力大小开始逐渐超过岩石或材料的承载强度，材料开始发生微小破坏)和破坏状态(承受的应力大小超过岩石或材料的最大承载强度，材料开始发生明显破坏)时，产生的微震信号数量差异很大，情况是正常情况下岩石材料不会发生破坏，几乎没有微震信号发生。危险情况下当岩石材料承受的应力大小开始逐渐超过岩石或材料的承载强度时，由于岩石材料都是非均勻质的，岩石材料都还有弱面和瑕疵，弱面和瑕疵发育的部分首先破坏，同时产产生微震信号，随着应力的逐渐增大，这种破坏的数量明显增多，产生的微震信号数量也大幅度增加。这是产生的微震信号时正常情况下产生的微震信号的数千倍。破坏情况下当岩石材料承受的应力大小明显超过岩石或材料的承载强度时，材料开始发生明显破坏，同时产生大能量的微震信号，随着冒落或垮塌事故的发生，大能量的微震信号伴随者冒落或垮塌过程连续发生，直至冒落或垮塌事故结束。
发明内容本发明的主要目的就是解决现有煤矿顶板只加固、少监测、无预警的问题，提供一种煤矿顶板掉落前兆监测和大面积冒顶前兆监测方法，具有低成本、可以密集布局临测点， 实时监测大面积顶板区域的岩石微震的异常情况，从而进行冒顶分析和预报。为实现上述目的，本发明提供一种特定临测单元结构，其特征在于包括至少一个监测单元和至少一个监测中心，所述每个监测单元包含至少一个共聚物压电岩石微震传感单元，一个处理单元，并与至少一个监测中心联结。监测单元相比当前使用的其他监测技术具有极低的成本，容易安装，快速组网，可以在较小的区域，比如沿巷道每5m、10m，等等，布局一个监测点，从而使一个监测中心可以覆盖一个较大的区域；多个监测中心可以互联覆盖整个煤矿。
所述监测单元包含一个或多个共聚物压电岩石微震传感单元、一个处理单元。传感单元能够获得IOOHz到IOOkHz的岩石微震信号。处理单元对传感单元的数据进行预处理之后，通过有线或无线方式发送到监测中心。监测中心通过大区域密集布局的监测单元， 实现大区域的密集监测，作为煤矿冒顶分析和预报的依据。所述传感单元的共聚物压电传感器，感知岩石微震，感知信号经过无源电缆(比如，超强韧性高密度聚乙烯(HDPE)、可在直埋时防水、低电容-89pF/m、可达IOOm或更长) 传输到地面，连接到处理单元后再进行采样量化。通过连接该监测中心的一大批监测单元提供的反映所覆盖区域的煤矿顶板岩石微震情况，综合分析，排除局部干扰，进行冒顶的分析和预报。多个监测中心互连，将能够覆盖整个煤矿区域。本发明的有益效果是低成本实时监测煤矿顶板岩层微震，能够密集布局，并覆盖任意大面积区域，从而掌握整个监测区域顶板状态的实时变化。解决长期以来没有实现的低成本、高密集度、大面积覆盖的冒顶实时监测点的建立问题，为冒顶前兆分析和冒顶预报建立详细、精确、可信的监测数据基础。
图1是监测单元和监测中心一一对应连接。 图2是一个监测中心连接两个监测单元。 图3是多个监测单元和监测中心互联。 图4是本发明一种实施例的特定应用分析。
图5是一种监测单元的实施例。(为表述方便，我们将监测单元称为SP)具体实施方式本申请的特征及优点将通过实施例，结合附图进行说明。为表述方便，我们将监测单元称为SP，将监测中心称为SC。通过一系列SP和SC的互联就可以实现任意大的区域的冒顶前兆监测，该种结构包括至少一个SP和至少一个SC， SP与SC中的至少一个互联，SC与SC的互联，如图1至3所示。SP和SC，SC和SC的互联均可以采用无线或有线方式。图4是本发明一种实施例的特定应用分析，在巷道方向上每IOm的区域布局一个 SP,这样在IKm的巷道区域共布局100个SP，在IOkm的巷道区域布局一个SC，SP通过GPRS 或3G模块无线发布数据到至少一个SC，SC之间通过3G无线模块和有线互联，使每个SC能够获得全部区域SP监测的数据，从而实时监测煤矿冒顶前兆。图5是一种SP的实施例，SP中包括两个个共聚物压电岩石微震传感单元(用SA 表示)、一个处理单元。SA传感单元能够获得IOOHz到IOOkHz的岩石微震信号；处理单元包括一个对传感单元的信号进行数字化等预处理的模块，一个GPRS或3G模块，一个电源管理模块提供电源管理，预处理后的数据通过GPRS或3G无线方式发送到监测中心。SP发送的数据至少包括SP的标识(每个SP具有唯一标识)；位置信息(坐标)；监测时间精度；
监测或发送数据的时间间隔；预板岩层的微震信号；以上内容是结合一种实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施具局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种大区域密集实时监测煤矿冒顶前兆的监测单元和监测中心的系统组成结构，其特征在于包括至少一个监测单元和至少一个监测中心，所述每个临测单元包含至少一个共聚物压电岩石微震传感单元，一个处理单元，并与至少一个监测中心联结。监测单元相比当前使用的其他监测技术具有极低的成本，容易安装，快速组网，可以在较小的区域，比如沿巷道每5m、10m，等等，布局一个监测点，从而使一个监测中心可以覆盖一个较大的区域； 多个监测中心可以互联覆盖整个煤矿。
2.如权利要求1所述的特定临测单元结构，其特征在于所述监测单元包含一个或多个共聚物压电岩石微震传感单元、一个处理单元。传感单元能够获得IOOHz到IOOkHz的岩石微震信号。处理单元对传感单元的数据进行预处理之后，通过有线或无线方式发送到监测中心。监测中心通过大区域密集布局的监测单元，实现大区域的密集监测，作为煤矿冒顶分析和预报的依据。
3.如权利要求2所述的特定传感单元结构，其特征在于所述传感单元的共聚物压电传感器，感知岩石微震，感知信号经过无源电缆(比如，超强韧性高密度聚乙烯(HDPE)、可在直埋时防水、低电容_89pF/m、可达IOOm或更长)传输到地面，连接到处理单元后再进行采样量化。
4.如权利要求1所述的监测中心结构，其特征在于通过连接该监测中心的一大批监测单元提供的反映所覆盖区域的煤矿顶板岩石微震情况，综合分析，排除局部干扰，进行冒顶的分析和预报。多个监测中心互连，将能够覆盖整个感矿区域。
全文摘要
本发明公开了一种实时监测煤矿大面积冒顶的方法，该方法由沿开采巷道可以密集布局在顶部的监测单元(每5m，或10m等)和若干个监测中心组成。监测单元包括采用一个或多个感知100Hz到100kHz的岩石微震信号的共聚物压电传感单元，一个处理单元。处理单元对接收的传感单元的感知信号或数据进行预处理之后，发送到监测中心。监测中心负责接收一个较大区域的多个监测单元发来的数据，并进行分析处理，监测中心之间同样可以交换数据，以获得更大区域的采空区顶板变化状态，从而进行煤矿冒顶分析和预报。本发明具有成本低、安装易和组网灵活的特点，能够实现任意大区域的煤矿冒顶前兆分析和监测。
文档编号G01V1/00GK102183296SQ20111000820
公开日2011年9月14日 申请日期2011年1月14日 优先权日2011年1月14日
发明者冯晓星, 王新安, 王金泊, 葛彬杰 申请人:深圳思量微系统有限公司