煤机采动激励下综采面近场煤岩动态层析成像系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于综采工作面附近煤岩动态监测技术领域，尤其是涉及一种煤机采动激 励下综采面近场煤岩动态层析成像系统及方法。
【背景技术】
[0002] 根据煤矿企业安全生产规程（即《煤矿安全规程》）规定，生产前要采用钻探、物 探及巷探等技术手段，探测综采工作面（简称综采面）安全距离内的地质构造、水文地质情 况、煤、岩层位及其它相关地质情况，防止瓦斯突出和突水事故的发生，确保安全生产。但 是，随着近十年来我国煤矿开采深度的加大和开采规模的提高，导致开采条件更趋复杂；而 依据传统的超前探测方法无法动态地、高分辨地跟踪综采面近场煤岩裂隙场变化。其中，综 采面近场煤岩指的是综采工作面（简称综采面）安全距离内的煤岩。因此，迫切需要找到 能够实时跟踪综采面近场采动煤岩的结构破坏与裂隙演化的动态可视化方法，从而对即将 发生事故的概率进行科学评价和预测。
[0003] 另外，目前常用的综采面近场煤岩探测方法有：直流电法探测、音频电透法、瞬变 电磁探测。但是上述现有的探测方法必须在综采面停产/准停产的条件下进行专门探测施 工。对处于工作状态下的综采面近场煤岩结构破坏与裂隙演化无法进行动态测量，从而无 法为煤矿安全的动态预测预警提供有效的帮助。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种煤机采动 激励下综采面近场煤岩动态层析成像系统，其结构简单、设计合理、安装布设方便且使用操 作简便、使用效果好，以煤机采动作为激励源，能简便、快速对综采面近场煤岩进行动态层 析成像，并且成像效果好。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种煤机采动激励下综采面近 场煤岩动态层析成像系统，其特征在于：包括采煤过程中对振动激励源作用下综采面近场 煤岩的振动状态进行实时检测的阵列信息同步采集装置和与所述阵列信息同步采集装置 相接的近场煤岩层析成像工作站，所述综采面近场煤岩为位于综采面前方的探测区域内的 煤岩体，所述阵列信息同步采集装置位于综采面前方；所述综采面为回采工作面，所述振动 激励源为对综采面进行开采的采煤机，所述近场煤岩层析成像工作站包括上位机；所述阵 列信息同步采集装置包括采煤过程中对所述振动激励源的位置进行实时检测的开采位置 检测单元和两个均布设在回采巷道内的锚杆振动测量阵列，两个所述锚杆振动测量阵列分 别布设在所述回采巷道中的工作面运输巷和工作面回风巷内，所述工作面运输巷和工作面 回风巷的巷道支护结构均包括多个布设在巷道壁上的锚杆；两个所述锚杆振动测量阵列均 包括多个对所布设位置的振动状态进行实时检测的锚杆振动检测单元，多个所述锚杆振动 检测单元均布设在工作面运输巷或工作面回风巷内的多个所述锚杆外端；两个所述锚杆振 动测量阵列中的所有锚杆振动检测单元均与上位机相接；所述开采位置检测单元布设在采 煤机上且其与上位机相接。
[0006] 上述煤机采动激励下综采面近场煤岩动态层析成像系统，其特征是：所述开采位 置检测单元为对采煤机的截割滚筒位置进行实时检测的位置检测单元。
[0007] 上述煤机采动激励下综采面近场煤岩动态层析成像系统，其特征是：两个所述锚 杆振动测量阵列中的所有锚杆振动检测单元沿综采面的推进方向由前至后分为多个振动 检测组，多个所述振动检测组分别布设在多个振动检测断面上，所述振动检测断面与综采 面呈平行布设，多个所述振动检测断面沿综采面的推进方向由前至后进行布设；每个所述 振动检测组均包括布设在同一振动检测断面上的多个所述锚杆振动检测单元，每个所述振 动检测组中布设于工作面运输巷内的锚杆振动检测单元的数量为一个或多个，每个所述振 动检测组中布设于工作面回风巷内的锚杆振动检测单元的数量为一个或多个。
[0008] 上述煤机采动激励下综采面近场煤岩动态层析成像系统，其特征是：所述工作面 运输巷和工作面回风巷内的多个所述锚杆均由前至后分为多个锚杆组，多个所述锚杆组分 别布设在多个所述振动检测断面上；每个所述锚杆组均包括布设在同一振动检测断面上的 多个所述锚杆，每个所述锚杆组中的多个所述锚杆均包括多个由左至右布设在巷道顶板上 的顶板锚杆、多个由上至下布设在内侧巷道帮部的内侧巷帮锚杆和多个由上至下布设在外 侧巷道帮部的外侧巷帮锚杆，所述工作面运输巷和工作面回风巷的内侧巷道帮部均为靠近 综采面一侧的巷道帮部；两个所述锚杆振动测量阵列中的所有锚杆振动检测单元均布设 在所述内侧巷帮锚杆上，每个所述内侧巷帮锚杆上所布设锚杆振动检测单元的数量均为一 个；两个所述锚杆振动测量阵列组成对采煤机采煤过程中产生的应力波信号进行实时检测 的应力波检测装置。
[0009] 上述煤机采动激励下综采面近场煤岩动态层析成像系统，其特征是：两个所述锚 杆振动测量阵列中的所有锚杆振动检测单元与上位机之间均以无线方式进行通信；所述锚 杆振动检测单元为无线振动检测单元且其包括振动传感器、第一处理器、与振动传感器相 接的信号调理电路以及分别与第一处理器相接的无线信号发射模块和第一数据存储模块， 所述信号调理电路与第一处理器相接。
[0010] 上述煤机采动激励下综采面近场煤岩动态层析成像系统，其特征是：还包括两个 锚杆测量阵列汇集节点，两个所述锚杆振动测量阵列分别通过两个所述锚杆测量阵列汇集 节点与上位机进行通信；两个所述锚杆测量阵列汇集节点分别为布设在工作面运输巷和工 作面回风巷内的第一汇集节点和第二汇集节点，所述第一汇集节点和第二汇集节点均为无 线汇集节点；所述无线汇集节点包括第二处理器以及分别与第二处理器相接的无线信号接 收模块、第一无线通信模块和第二数据存储模块，所述第一处理器通过无线信号发射模块 和无线信号接收模块与第二处理器进行通信；所述近场煤岩层析成像工作站还包括与上位 机相接的第二无线通信模块，所述第二处理器通过第一无线通信模块和第二无线通信模块 与上位机进行通信。
[0011] 同时，本发明还公开了一种方法步骤简单、设计合理且实现方便、能对综采面近场 煤岩进行动态层析成像的煤机采动激励下综采面近场煤岩动态层析成像方法，其特征在于 该方法包括以下步骤：
[0012] 步骤一、锚杆振动检测单元及开采位置检测单元布设：对需开采煤层进行回采之 前，先在工作面运输巷和工作面回风巷内由前至后分别布设多个所述锚杆振动检测单元， 并在采煤机上布设开采位置检测单元；每个所述锚杆振动检测单元的布设位置均为一个测 占.
[0013] 步骤二、煤机采动激励下综采面近场煤岩动态层析成像：沿综采面的推进方向，采 用采煤机由后向前对需开采煤层进行回采；回采过程中，对需开采煤层中沿综采面推进方 向上各位置的综采面近场煤岩分别进行层析成像，且沿综采面推进方向上各位置的综采面 近场煤岩的层析成像方法均相同；
[0014] 对需开采煤层中沿综采面推进方向上任一位置的综采面近场煤岩进行层析成像 时，过程如下：
[0015] 步骤201、综采面开采及振动同步监测：采用采煤机且沿综采面的长度方向由后 向前对当前综采面进行开采，开采过程中通过开采位置检测单元对采煤机的开采位置进行 实时检测，并将所检测信号同步传送至近场煤岩层析成像工作站；同时，通过位于当前综采 面前方的两个所述锚杆振动测量阵列对振动激励源作用下综采面近场煤岩的振动状态进 行实时检测，并将所检测信号同步传送至近场煤岩层析成像工作站，获得当前综采面开采 过程中采煤机不同开采位置的振动监测结果；
[0016] 所述当前综采面为当前状态下进行开采的综采面；
[0017] 所述采煤机各开采位置的振动监测结果，均包括开采位置检测单元检测到的该开 采位置的位置信号和采煤机在该开采位置进行采煤时两个所述锚杆振动测量阵列中所有 振动检测单元检测到的振动信号；
[0018] 步骤202、综采面近场煤岩层析成像：所述近场煤岩层析成像工作站接收到步骤 201中采煤机不同开采位置的振动监测结果后，所述上位机根据接收到采煤机不同开采位 置的振动监测结果，并结合两个所述锚杆振动测量阵列中各锚杆振动检测单元的布设位 置，采用上位机且按照速度层析成像方法，获得沿综采面推进方向上当前位置的综采面近 场煤岩层析图像，完成综采面当前推进位置的综采面近场煤岩层析成像过程；
[0019] 步骤203、综采面向前推进至下一位置的综采面近场煤岩层析成像：按照步骤201 至步骤202中所述的方法，完成综采面向前推进至下一位置的综采面近场煤岩层析成像过 程；
[0020] 步骤204、一次或多次重复步骤203,直至完成需开采煤层中沿综采面推进方向上 各位置的综采面近场煤岩层析成像过程。
[0021] 上述方法，其特征是：步骤201中获得的采煤机不同开采位置的振动监测结果为 综采面当前推进位置开采过程中采煤机在不同开采位置进行采煤时产生的应力波的检测 结果；
[0022] 步骤202中所述近场煤岩层析成像工作站接收到步骤201中采煤机不同开采位置 的振动监测结果后，所述上位机先对接收到的采煤机不同开采位置的振动监测结果进行同 步存储；
[0023] 步骤202中进行层析成像之前，先采用上位机选取综采面当前推进位置开采过程 中采煤机的m个开采位置作为有效振动监测位置，并对m个所述振动监测位置的位置信息 进行记录；之后，上位机根据m个所述有效振动监测位置的位置信息，从步骤201中获得的 采煤机不同开采位置的振动监测结果中提取出m个所述有效振动监测位置的振动监测结 果；其中，m为正整数且m彡3;
[0024] 步骤202中进行层析成像时，所述上位机根据提取出的m个所述有效振动监测位 置的振动监测结果，并结合两个所述锚杆振动测量阵列中各锚杆振动检测单元的布设位 置，且按照速度层析成像方法，获得沿综采面推进方向上当前位置的综采面近场煤岩层析 图像；
[0025] 步骤204中完成需开采煤层中沿综采面推进方向上各位置的综采面近场煤岩层 析成像过程后，获得综采面各推进位置开采过程中综采面近场煤岩的层析图像；所获得的 综采面各推进位置开采过程中综采面近场煤岩的层析图像，按照沿综采面推进方向上的开 采先后顺序排序后组成需开采煤层的综采面近场煤岩的动态层析图像。
[0026] 上述方法，其特征是：步骤202中进行层析成像时，包括以下步骤：
[0027] 步骤2021、速度模型建立：建立成像区域层析成像用的速度模型，所述速度模型 为初始模型且其为网格模型；所述成像区域为当前综采面前方的探测区域且其为综采面当 前推进位置的综采面近场煤岩所处区域；
[0028] 步骤2022、振动监测结果分析处理：对提取出的m个所述有效振动监测位置的振 动监测结果分别进行分析处理，m个所述有效振动监测位置的振动监测结果的分析处理方 法均相同；其中，对任一个所述有效振动监测位置的振动监测结果进行分析处理时，包括以 下步骤：
[0029] 步骤20221、任意两测点间应力波实际走时差计算：根据当前开采位置的振动监 测结果，计算得出工作面运输巷内的各测点与工作面回风巷内的各测点之间的应力波实际 走时差；
[0030] 其中，工作面运输巷内的测点p与工作面回风巷内的测点q之间的应力波实际走 时差，记作AT(p'q);AT(p'q)为当前分析应力波到测点p的初至时间与到达测点q的初至时 间的时间差；其中，所述当前分析应力波为采煤机在当前开采位置进行采煤时产生的应力 波；所述当前开采位置为当前分析处理的有效振动监测位置；
[0031] 其中，步骤一中两个所述锚杆振动测量阵列中所包括锚杆振动检测单元的总数量 为M个，所述综采面前方探测区域内的测点总数量为M个，M个所述测点分别为测点1、测点 2、…、测点M;p为正整数且p=l、2、…、ml，q为正整数且q=ml+l、ml+2、…、M，ml为 正整数且其为工作面运输巷内的测点总数量，m2为正整数且其为工作面回风巷内的测点总 数量，ml+m2 =M;
[0032] 步骤20222、任意两测点间应力波理论走时差计算：先按照射线追踪方法，求解出 当前分析应力波穿越成像区域的M条射线的轨迹和旅行时；之后，根据计算得出的M条射线 的旅行时，计算得出工作面运输巷（4)内的各测点与工作面回风巷内的各测点之间的应力 波理论走时差，完成当前开采位置的振动监测结果分析处理过程；
[0033] 其中，M条射线为当前开采位置分别与M个所述测点之间的射线，M条射线中任一 条射线的旅行时均为根据预先建立的所述成像区域的速度模型计算得出的该射线的正演 理论走时;M条射线分别为射线1、射线2、…、射线M;
[0034] 测点p与测点q之间的应力波理论走时差，记作ATQ(p'q);ATQ(p'q)为射线p的旅行 时与射线q的旅行时的时间差；其中，射线P为当前分析应力波穿越成像区域到测点P的射 线且其为当前开采位置与测点P之间的射线，射线q为当前分析应力波穿越成像区域到测 点q的射线且其为当前开采位置与测点q之间的射线；
[0035] 步骤20221中计算得出的工作面运输巷内各测点与工作面回风巷内各测点之间 的应力波实际走时差和步骤20222中计算得出的工作面运输巷内各测点与工作面回风巷 内各测点之间的应力波理论走时差，组成当前开采位置的一组反演求解用模型修正数据；
[0036] 步骤20223、多次重复步骤20221至步骤20222,直至完成m个所述有效振动监测 位置的振动监测结果分析处理过程，获得m组反演求解用模型修正数据；
[0037] 步骤2023、反演求解：调用SIRT算法，对步骤2021中所述速度模型进行修正，并 计算得出修正后的速度模型中各网格的慢度，使得步骤20223中获得的每组反演求解用模 型修正数据中测点P与测点q之间的应力波理论走时差与应力波实际走时差之间的偏差均 满足预先设计的误差要求，获得采煤机当前开采位置的综采面近场煤岩的层析图像。
[0038] 上述方法，其特征是：步骤202中进行综采面近场煤岩层析成像之前，先对采煤机 不同开采位置的振动监测结果进行矫正