CN102182512A - 一种用于煤矿顶板声发射监测的单元结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于煤矿顶板岩层声发射监测的单元结构，包括至少一个共聚物压电岩层声发射传感单元，一个处理单元。传感单元获得100Hz到1MHz岩层声发射信号强度的变化，经过无源电缆(比如，可在直埋时防水、低电容、可达100m或更长的超强韧性高密度聚乙烯电缆)连接到处理单元，一个处理单元可以连接多个传感单元。传感单元实时获得地顶板岩层声发射信号，处理单元进行信号采集、预处理，并将预处理的数据通过无线或有线方式传输出去。本发明具有采样周期、采样精度、传输数据时间间隔可配置、可编程的灵活性，安装操作简便并具有良好的煤矿巷道恶劣条件适应性，能够支撑大区域的密集安装。

Description

一种用于煤矿顶板声发射监测的单元结构

【技术领域】

本发明涉及岩层信号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的煤矿冒顶前兆实时监测方法。

【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，造成矿区煤层顶板压力集中，当集中应力的强度超过岩石强度时，会发生顶板岩层断裂、垮塌的现象，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，给矿山造成了灾难性的人员伤亡和财产损失。

对不同岩性的岩石进行力学实验，模拟顶部岩石从承受压力到压力将岩石压断的整个过程表明：岩石材料在不同的应力作用下，如在正常应力状态(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，岩石产生的声发射信号数量差异很大。

声发射是指在固体材料内由于能量的迅速释放而产生瞬时弹性波的现象。声发射与材料中的局部不稳定状态有关，它是材料中局部能量再分布的结果。这种能量的再分布往往是材料损坏前的征兆。因此，可以利用声发射来研究固体材料，也可用作对材料进行无损检测的一种方法。声发射检测技术是以声发射现象为依据发展起来的，有着多方面的应用。

产生声发射的源是一种微动态变形的过程，例如双晶的形成、马氏体相变、位错断裂和空位聚合等现象。在许多材料中由于范性形变而引起的整体沉陷会产生声发射。在交错的位错聚合处产生破裂核心也是导致声发射的原因。有些情形下，如晶粒间或晶粒内的断口、脆裂和破裂扩展都会发生较大的声发射。声发射大多由一系列的声脉冲波组成，在一定时间内声脉冲的强度和数目的多少往往是判断声发射情况的依据。

用声发射技术检测材料时，被检测的材料必须在一定的条件下才能激发材料中的异常处并使之产生声发射的脉冲波。一般的办法是在材料上外加负载。在焊接的过程中，材料中的热循环、熔化和凝结都会有声发射的现象产生。材料中残余应力的释放也可产生声发射。

在一些情形下，声发射是可以听到的。例如，岩石破裂前或木材断裂前发出的声音。声发射的脉冲波有丰富的频率成分，大多频率在千赫到兆赫之间的范围内。

【发明内容】

本发明的主要目的就是解决现有技术中的问题，提供一种实时监测煤矿顶板岩层声发射的单元结构，具有低成本、易安装维护的特性，适合大区域密集分布。

为实现上述目的，本发明公开一种实时监测煤矿顶板岩层声发射变化的监测单元结构，其特征在于：包括至少一个共聚物压电岩层声发射传感单元，一个处理单元。所述共聚物压电岩层声发射传感单元与处理单元互联，共聚物压电岩层声发射传感单元实时获得100Hz到1MHz岩层声发射的信号，通过无源电缆(比如，可在直埋时防水、低电容(如89pF/m)、可达100m或更长的超强韧性高密度聚乙烯(HDPE)电缆)连接到处理单元，处理单元完成信号采样和数字化等预处理并将处理后的数据再通过无线或有线广域通信网发送出去。

本发明公开的监测单元结构能够根据需要置入顶板岩层0.1米至1米范围内的任何深度，实时连续监测所处位置100Hz到1MHz的岩层声发射信号的变化；也能够通过将传感器安装在与顶板岩层紧密接触的支撑结构(如锚杆)上，达到连续监测岩层声发射信号变化的目的。

监测单元结构可以实时连续监测的时间精度和间隔(从毫秒到秒到分)和采样精度(16位到24位)等均可由用户设置。

监测单元结构具有较低成本，能够大区域、高密集布局，易于安装维护的优势和特点。

共聚物压电岩层声发射传感单元的感知或检测原理是：

压电材料是一种经特殊加工后能将动能转化成电能的材料。一些聚合体材料，例如共聚物(PVDF-TrFE)使这一特性有了很大提高。压电材料在受机械冲击或振动时产生电荷。在原子层，偶极子(氢-氟偶对)的排列顺序被打乱，并试图使其恢复原来的状态。这个偶极子被打乱的结果就是有一个电子流形成。就像海绵中的水，当你挤压一块湿海绵时，水会从海绵中流出来，当你松开时，水又被吸回去，这同压电应力变化传感单元十分相似。当有应力施加到传感单元上时，就产生了电荷(电压)，而当去掉负载时，就会产生一个相反极性的信号。它产生的电压可以相当高，但传感单元产生的电流却比较小。

共聚物压电岩层声发射传感单元的检测原理就是如此，顶板岩层处于正常状态，即岩层强度高于岩层承载力时，岩层声发射信号产生强度和频率都小；顶板岩层处于危险状态，即岩层强度接近于岩层承载力时，岩层声发射信号的强度和频率增高；顶板岩层处于冒顶前，就会产生大量高强度的岩层声发射信号，以此可进行冒顶预报和分析。

本发明的有益效果是：

本发明采用一种共聚物压电岩层声发射传感单元和处理单元，完成煤矿顶板岩层声发射信号变化的实时监测，成本低，结构可靠，安装维护容易，适宜建立大区域高密集度的岩层声发射实时监测点，从而有助于煤矿冒顶的分析和预报。

同时，本发明的实时监测岩层声发射的监测单元，能够通过有线通信网，将检测数据发送出去，这样可以在任何地方建立监测中心，接收任意大区域的监测单元发送的数据，形成一个大区域的岩层声发射变化图像，进行煤矿冒顶分析和预报。

【具体实施方式和附图说明】

本申请的特征及优点将通过实施例进行补充说明。

图1是一个球形监测单元结构示意图，包括一个直径10cm的金属球保护层，该金属球内壁附着一层用于监测岩层声发射信号的共聚物压电薄膜传感器。金属球上开一个小口，用于将内部传感器的电极引出，引出后通过无源电缆连接处理单元。

图2是一个球形监测单元安装示意图，球形监测单元的主结构放入顶板岩层的开口中，用胶灌封后传感器与岩层能够很好地结合在一起，无源电缆伸入岩层连接压电薄膜，处理单元负责收集压电薄膜信号并向外发送信息。

图3是一个层状监测单元结构示意图，包括一个多层结构的压电薄膜传感器，从上到下分别为保护层、电极片、共聚物压电薄膜、电极片、保护层。由于整个多层结构采用柔性材料制成，因此该传感器能够以弯折方式适应物体表面

图4是一个层状监测单元结构的安装示意图，锚杆锚入岩层顶板，锚杆尾部用传感器包裹并上胶固定，无源电缆连接传感器和处理单元。这种安装方式灵活、简易、环境适应性好。

以上内容是结合具体的优选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只局限于这些说明。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。

Claims (5)

1.一种实时监测煤矿顶板岩层声发射变化的监测单元结构，其特征在于：包括至少一个共聚物压电岩层声发射传感单元，一个处理单元。所述共聚物压电岩层声发射传感单元与处理单元互联，共聚物压电岩层声发射传感单元实时获得100Hz到1MHz岩层声发射的信号，通过无源电缆(比如，可在直埋时防水、低电容(如89pF/m)、可达100m或更长的超强韧性高密度聚乙烯(HDPE)电缆)连接到处理单元，处理单元完成信号采样和数字化等预处理，并将处理后的数据再通过无线或有线广域通信网发送出去。

2.如权利要求1所述的共聚物压电岩层声发射传感单元结构，其特征在于：能够根据需要置入顶板岩层0.1米至1米范围内的任何深度，可实时连续监测所处位置100Hz到1MHz的岩层声发射信号的变化。

3.如权利要求1所述的共聚物压电岩层声发射传感单元结构，其特征在于：能够通过将传感器安装在与顶板岩层紧密接触的支撑结构(如锚杆)上，达到连续监测岩层声发射信号变化的目的。

4.如权利要求2所述的共聚物压电岩层声发射传感单元结构，其特征在于：实时连续监测的时间精度和间隔(从毫秒到秒到分)和采样精度(16位到24位)等均可由用户设置。

5.如权利要求1所述的实时监测岩层活动变化的监测单元结构，其特征在于：具有较低成本，能够大区域、高密集布局，易于安装维护。

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