一种基于可控震源的煤体应力探测装置的制作方法

本发明涉及矿山工程技术领域，具体说是一种基于可控震源的煤体应力探测装置。

背景技术：

矿井冲击地压灾害发生的根本原因是开采和地质条件导致的煤岩体应力集中，因此对煤岩体应力进行有效监测，充分掌握煤岩体的应力分布状态，对冲击地压灾害的防治具有十分重要的意义，具体可以通过震源产生的震动数据分析煤岩体的应力分布情况。

目前，现有的矿井探测装置均以爆破作为震源。然而，这种方式在监测前需要施工炮孔，具体监测时逐个炮孔进行装药起爆，由此大大增加了工作人员的工作量，耗费大量人力物力成本，此外，这种产生震源的方式较为不便，且无法做到实时采集矿井下的震动数据。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种基于可控震源的煤体应力探测装置，以解决以爆破作为震源的矿井探测装置，应用时人力物力成本高，且无法实时获取矿井下震动数据的问题。

本发明提供一种探测装置，包括：监控主机、震源机构和数据采集机构，所述监控主机的输出端与所述震源机构连接，所述监控主机的输入端与所述数据采集机构连接；

所述监控主机，用于确定目标巷道以及向所述目标巷道内的震源机构发送启动指令；

所述震源机构，用于根据所述启动指令在所述目标巷道中产生震源；

所述目标巷道的相邻巷道中的所述数据采集机构，用于采集所述震源发出的震动波数据，并将所述震动波数据发送至所述监控主机。

其中，所述震源机构包括：控制器、撞击单元和气室，所述控制器与所述气室连接，所述控制器还与所述监控主机连接，所述气室与所述撞击单元连接；

所述控制器，用于接收监控主机发送的所述启动指令，并根据所述启动指令控制所述气室产生气体以及释放所述气体，所述释放的气体推动所述撞击单元撞击所述目标巷道的煤壁产生震源。

可选地，所述撞击单元包括：冲头和撞击靶，所述撞击靶一端与锚杆连接；

所述冲头，通过释放的所述气体冲撞所述撞击靶，所述撞击靶通过所述锚杆将震动波传播到煤体内部。

可选地，所述数据采集机构，包括：震动检波器和信号采集单元，所述信号采集单元的输入端与所述震动检波器连接，所述信号采集单元的输出端还与所述监控主机连接；

所述震动检波器，用于接收所述震源发出的震动波；

所述信号采集单元，用于采集所述震动波，并将所述震动波数据发送至所述监控主机。

可选地，所述装置还包括：时钟同步机构，所述时钟同步机构的输出端分别与所述震源机构和所述数据采集机构连接；

所述时钟同步机构，用于向所述震源机构和所述数据采集机构发送时钟信号；

所述时钟信号，用于所述震源机构和所述数据采集机构的时钟同步。

可选地，所述时钟同步机构包括：信号接收器和主时钟调制器，所述信号接收器的输出端与所述主时钟调制器的输入端连接，所述主时钟调制器的输出端分别与所述震源机构和所述数据采集机构连接；

所述信号接收器，用于接收卫星信号，根据所述卫星信号校准当前时间信息，并将校准后的时间信息发送至所述主时钟调制器；

所述主时钟调制器，用于根据所述校准后的时间信息产生时钟信号，并将所述时钟信号发送至所述震源机构和所述数据采集机构。

可选地，所述主时钟调制器通过第一从时钟与所述震源机构连接；所述第一从时钟，用于接收所述主时钟调制器发送的时钟信号，并根据所述时钟信号校准所述震源机构的时间。

可选地，所述数据采集机构，包括：第二从时钟，所述主时钟调制器与所述第二从时钟连接；所述第二从时钟，用于接收所述主时钟调制器发送的时钟信号，并根据所述时钟信号较校准所述数据采集机构的时间。

可选地，所述装置还包括：数据处理机构，所述数据处理机构与所述监控主机连接；

所述监控主机，还用于筛选所述震动波数据中的有效数据，并将所述有效数据发送至所述数据处理机构；

所述数据处理机构，用于对接收的有效数据进行分析，反演得出煤体应力的分布图像。

可选地，所述目标巷道中每隔第一预设距离安装有所述震源机构，所述目标巷道的相邻巷道每隔第二预设距离安装有所述数据采集机构。

本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供一种基于可控震源的煤体应力探测装置，与现有监测装置中的爆破震源相比，能够摆脱爆破震源的诸多限制，减少人力物力成本，能够实时监测矿井下情况，实时获取矿井下的震动波数据，监测施工更加方便。

附图说明

通过以下参考附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种探测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的震源机构的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的震源机构和数据采集机构的现场安装示意图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是值得说明的是，本发明并不限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本发明。

此外，本领域普通技术人员应当理解，所提供的附图只是为了说明本发明的目的、特征和优点，附图并不是实际按照比例绘制的。

同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。

本发明实施例的一种探测装置，包括：监控主机、震源机构和数据采集机构，所述监控主机的输出端与所述震源机构连接，所述监控主机的输入端与所述数据采集机构连接；所述监控主机，用于确定目标巷道以及向所述目标巷道内的震源机构发送启动指令；所述震源机构，用于根据所述启动指令在所述目标巷道中产生震源；所述目标巷道的相邻巷道中的所述数据采集机构，用于采集所述震源发出的震动波数据，并将所述震动波数据发送至所述监控主机。

其中，本发明实施例的探测装置应用于矿井下震源的产生和震动波数据的采集，以便根据采集的震动波数据进行煤岩体应力分布情况的反演分析，具体施工时将震源机构安装在矿井下不同监测区域的巷道中，同时将数据采集机构安装在与震源机构所在巷道相邻的巷道中，即用震源机构和数据采集机构包围待监测区域，震源机构用于在巷道中产生震源，数据采集机构用于在相邻巷道中采集震源的震动波数据，监测机构在地面上用于控制震源机构，并监测矿井下的数据采集情况以及接收井下采集机构传上来的信号。

如图1所示，不同监测区域的巷道中可布置多个震源机构8，该震源机构8之间可以通过电缆连接，风管9与巷道供风管路相连，为震源机构8供气，震源机构8通过压缩气体能够产生震源，同时震源机构8通过光纤与网络交换机4连接，由此通过矿井下的光纤环网能够接收启动指令，此外，数据采集机构包括震动检波器11和信号采集单元10，震动检波器11也可在巷道中布置多个，信号检波器11与信号采集单元10之间通过电缆连接，信号检波器11之间也通过电缆连接，信号采集单元10通过光纤与交换机4连接，由此能够通过矿井下的光纤环网将采集震动波数据发送至监控主机3，此外，监控主机3通过网络交换机4与震源机构8和信号采集单元10连接，由此监控主机3能够向震源机构8发送启动指令，并接收信号采集单元10反馈的震动波数据，网络交换机4之间通过光纤连接形成光纤环网。

具体地，当工作人员想要获取矿井下某一区域的震动波数据，会在监控主机3的操作界面点击数据采集按钮，该监控主机3具体可以为具有监控功能的计算机设备，监控主机3接收到用户的请求之后，会在界面中显示不同监测区域对应的巷道，工作人员根据想要监测的区域选择目标巷道，点击确定之后，监控主机3根据工作人员选择的目标巷道，确定所述目标巷道对应的震源机构的标识信息，其中，不同巷道和不同震源机构具有映射关系，映射关系表预先存储在监控主机3中，例如，巷道1对应震源机构a、震源机构b和震源机构c，由此根据目标巷道的标识信息和映射关系表，能够确定目标巷道内的震源机构的标识信息，该目标巷道的标识信息可以为巷道编号，该震源机构的标识信息可以为震源机构的编号。

进一步地，监控主机会显示确定的目标巷道中震源机构的标识信息，由用户选择目标巷道中想要监测区段对应的震源机构的标识信息，并向该震源机构发送启动指令，震源机构接收到监控主机发送的启动指令，会在目标巷道中产生震源，与此同时，在目标巷道的相邻巷道中的数据采集机构会实时采集震源发出的震动波数据，并将采集到的震动波数据发送给监控主机，其中，数据采集机构能够一直感知集矿井下所有的波形数据。由此通过本发明实施例中的震源机构不必采用爆破的方式就能够在矿井下产生震源，施工更加方便，大大减少了工作人员的工作量，同时便于实时采集矿井下的震动波数据分析煤岩体的应力分布情况。

其中，所述震源机构包括：控制器、撞击单元和气室，所述控制器与所述气室连接，所述控制器还与所述监控主机连接，所述气室与所述撞击单元连接；所述控制器，用于接收监控主机发送的所述启动指令，并根据所述启动指令控制所述气室产生气体以及释放所述气体，所述释放的气体推动所述撞击单元撞击所述目标巷道的煤壁产生震源。进一步地，所述撞击单元包括：冲头和撞击靶，所述撞击靶与锚杆连接；所述冲头，通过释放的所述气体冲撞所述撞击靶，所述撞击靶通过所述锚杆将震动信号传播到煤体内。

具体地，如图2所示，震源机构8包括：控制器18、气室17和撞击单元，该撞击单元还包括：冲头16和撞击靶14，控制器18分别与气室17和监控主机3连接，气室17释放气体的一侧为冲头16，冲头16的一侧为撞击靶14，撞击靶14靠近巷道壁的一端与锚杆12固定连接，其中，该控制器18具体可以为89c51单片机，进一步地，当监控主机3向震源机构8发送启动指令时，控制器18会接收到监控主机3发送的启动指令，控制器18根据该启动指令控制气室17进气，气室17具体可以通过进风管22吸收气体，之后对吸收的气体进行压缩，当气室17的气体压力达到预设气压值时，气室17会停止对气体的压缩，此时监控主机3能够显示气室17中的气体压力已经达到预设气压值，工作人员可以通过操纵监控主机3继续向震源机构8中的控制器18发送产生震源的指令，控制器18接收到监控主机发送的指令后，会控制气室17打开气室阀门，气室17内的气体会强力推动冲头16撞击撞击靶14，撞击靶14带动锚杆12撞击目标巷道的煤壁产生震源，由此，通过本发明实施例中的监控主机和震源机构能够实时产生震源进行检测，避免采用爆破的方式产生震源，操作更加方便，同时本发明实施例中的震源机构简单小巧，输出力大，相位控制精度高，激发震动传播距离大，可根据现场地质情况调节输出力大小和震动频率。

此外，可以通过固定架21、锚杆13和水泥基础23将震源机构8固定在监测区域的巷道中，该震源机构8具有防爆外壳15，通过高压电线19为震源机构8进行供电，震源机构8中的控制器18通过信号线20接收指令，该震源机构8的最大输出力为10000牛。有效输出信号频率范围为5-1400赫兹，相位控制精度为±3°。

在本发明又一个可选实施例中，所述数据采集机构，包括：震动检波器和信号采集单元，所述信号采集单元的输入端与所述震动检波器连接，所述信号采集单元的输出端还与所述监控主机连接；所述震动检波器，用于接收所述震源发出的震动波；所述信号采集单元，用于采集所述震动波，并将所述震动波数据发送至所述监控主机。

具体地，如图1所示，数据采集机构包括震动检波器11和信号采集单元10，当目标巷道中震源机构8产生震源时，震动检波器11能够在目标巷道的相邻巷道中感知震源发出的震动波，震动检波器10检测到波形之后，信号采集单元10会采集该震动波，并将采集到的震动波数据反馈给监控主机3，其中，该信号采集单元具体可以为ad转换模块，震动检波器10的最大监测频率为10000赫兹，采样频率为1000赫兹，信号失真度为0.0001％。

在本发明再一个可选实施例中，所述装置还包括：时钟同步机构，所述时钟同步机构的输出端分别与所述震源机构和所述数据采集机构连接；所述时钟同步机构，用于向所述震源机构和所述数据采集机构发送时钟信号；所述时钟信号，用于所述震源机构和所述数据采集机构的时钟同步。进一步地，所述时钟同步机构包括：信号接收器和主时钟调制器，所述信号接收器的输出端与所述主时钟调制器的输入端连接，所述主时钟调制器的输出端分别与所述震源机构和所述数据采集机构连接；所述信号接收器，用于接收卫星信号，根据所述卫星信号校准当前时间信息，并将校准后的时间信息发送至所述主时钟调制器；所述主时钟调制器，用于根据所述校准后的时间信息产生时钟信号，并将所述时钟信号发送至所述震源机构和所述数据采集机构。

具体地，如图1所示，时钟同步机构包括信号接收器1和主时钟调制器2，信号接收器1用于与卫星通信，获取准确的时间信息，信号接收1将确定的时间信息发送至主时钟调制器2，主时钟调制器2根据接收到的时间信息进行调制，产生时钟信号，并将确定的时钟信号通过网络交换机4发送给震源机构8和数据采集机构，以便使震源机构8中的时间与数据采集机构中的时间同步。

进一步地，所述主时钟调制器通过第一从时钟与所述震源机构连接；所述第一从时钟，用于接收所述主时钟调制器发送的时钟信号，并根据所述时钟信号校准所述震源机构的时间。进一步地，所述数据采集机构，包括：第二从时钟，所述主时钟调制器与所述第二从时钟连接；所述第二从时钟，用于接收所述主时钟调制器发送的时钟信号，并根据所述时钟信号较校准所述数据采集机构的时间。

具体地，如图1所示，第一从时钟7安装在网络交换机4中，并与震源机构8连接，通过接收主时钟调制器2发送的时钟信号对震源机构8中的时间进行校准，此外，第二从时钟7安装在信号采集单元10中，通过接收主时钟调制器2发送的时钟信号对信号采集单元10中的时间进行校准，其中，时钟信号的精度可以达到纳秒级，电源6通过电缆给网络交换机4、震源机构8和信号采集单元10供电，由此通过主时钟调制器与从时钟的配合，进行高精度采集端授时和高精度激发端授时，确保震源机构和数据采集机构的时钟绝对同步，有效提高p波初至的拾取精度与波速反演计算的准确度。

在具体应用场景中，所述装置还包括：数据处理机构，所述数据处理机构与所述监控主机连接；所述监控主机，还用于筛选所述震动波数据中的有效数据，并将所述有效数据发送至所述数据处理机构；所述数据处理机构，用于对接收的有效数据进行分析，反演得出煤体应力的分布图像。

具体地，如图1所示，数据处理机构5与网络交换机4之间通过光纤连接，由此数据处理机构5能够与监控主机3进行通信，该数据处理机构5具体可以为数据处理服务器，数据采集单元10将采集到的震动波数据发送给监控主机3，监控主机3会对该震动波数据进行初步筛选，将有效的震动波数据发送给数据处理机构5，数据处理机构5会对有效的震动波数据进行分析处理，并进行地震层析成像，形成煤体应力云图。

进一步地，所述目标巷道中每隔第一预设距离安装有所述震源机构，所述目标巷道的相邻巷道每隔第二预设距离安装有所述数据采集机构，其中，该第一预设距离和第二预设距离可以根据根据需要的监测精度和施工成本进行设定，如图3所示，监测区域内的巷道内每隔20米布置震源机构8，同时在震源机构8所在巷道的相邻巷道内每隔10米布置震动检波器11，由此通过震源机构8和震动检波器11能够采集巷道内任意一段区域的震动波数据。

以上所述实施例仅为表达本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。