CN103821565B - 一种煤岩破裂多参量复合测量装置及布置方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种煤岩破裂多参量复合测量装置及布置方法，属于煤矿监测技术领域，本发明将煤岩应力、煤岩声发射、煤岩电磁辐射、煤岩温度、煤体湿度传感器集成为一体，构成多参量测量复合传感器，将传感器连接数据采集器，可实现对五种监测数据的采集；复合测量装置具有体积小结构简单、易于安装，屏蔽作用良好、稳定性好、可循环使用等特点；空心厚壁圆筒采用不锈钢材料，强度可靠、可回收再次使用，同时具有良好的屏蔽作用；本发明的复合传感器布置方法确保在开采过程中对预开采煤层不同断面进行监测，避免因井下构造或开采造成各断面受力不平衡导致监测数据缺失进而发生灾难性突发事故。

Description

一种煤岩破裂多参量复合测量装置及布置方法

技术领域

本发明属于煤矿监测技术领域，具体涉及一种煤岩破裂多参量复合测量装置及布置方法。

背景技术

冲击地压是指煤岩体在受外界扰动瞬间失稳破坏时，释放出很大能量而引起的以猛烈震动和爆发式破坏为特征的矿山动力现象，是矿井的一大自然灾害；由于冲击地压灾害瞬时突发性、机理复杂性、分布广泛性以及破坏形式的多样性，使得冲击地压的预测工作变得复杂。

目前，冲击地压灾害预测方法主要有煤岩应力监测、声发射监测、电磁辐射监测、煤岩温度监测、微震监测等，然而这些监测设备大多为单孔同一平面布置，只是针对单个因素或单方面进行分析研究，主要表现在以下几个方面：

①以往的监测设备忽视了监测信息之间的相关性，缺乏监测信息的时空关系对比分析，可能会导致关键信息的丢失，给现场监测数据分析带来困难；

②多种传感器布置到同一钻孔，长期监测时塌孔导致传感器稳定性较差，同时回收困难，造成浪费；

③多种传感器复合到一起不仅易受人工及周围噪音的干扰，测量信号本身之间也相互干扰，监测过程中甚至可能得出完全相反的监测结果，预测准确率降低。

以上缺陷制约了灾害预测准确率的提高，此外现场研究发现冲击地压灾害发生前煤壁“冒汗”煤体湿度变化显著，因此，急需一种多参量复合测量装置，能够将多种传感器复合到一起稳定的固定于钻孔内部，实现同时测量煤岩破裂过程中应力、声发射、电磁辐射、温度及湿度等多种信息，为冲击地压矿井煤炭的安全高效开采提供一种安全、高效可行的监测途径。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种煤岩破裂多参量复合测量装置及布置方法，复合测量装置具有体积小结构简单、易于安装，屏蔽作用良好、稳定性好、可循环使用等特点；复合测量装置布置方法可实现多断面同时监测，确保在开采过程中对预开采煤层不同断面进行监测，避免因井下构造或开采造成各断面受力不平衡导致监测数据缺失进而发生灾难性突发事故。

一种煤岩破裂多参量复合测量装置，该装置包括复合传感器、信号调理器、微处理器、键盘和显示器，其中，

所述的复合传感器包括一个空心厚壁圆筒、套管、第一煤岩应力传感器、第二煤岩应力传感器、煤岩声发射传感器、煤岩电磁辐射传感器、煤岩温度传感器和煤岩湿度传感器；其中，所述的空心厚壁圆筒为一个无上端盖的空心圆柱体，其侧壁和底端设置有用于固定传感器的多个通孔；所述的煤岩电磁辐射传感器通过第一通孔固定于空心厚壁圆筒的底端；用于测量矿井水平方向应力的第一煤岩应力传感器通过第二通孔固定于空心厚壁圆筒的侧壁；用于测量矿井竖直方向应力的第二煤岩应力传感器通过第三通孔固定于空心厚壁圆筒的侧壁；煤岩温度传感器通过第四通孔固定于空心厚壁圆筒的侧壁；煤岩湿度传感器通过第五通孔固定于空心厚壁圆筒的侧壁；煤岩声发射传感器通过第六通孔固定于空心厚壁圆筒的侧壁；空心厚壁圆筒外侧还套有一个套管；

所述的复合传感器设置于被测矿井两侧孔的底端，其空心厚壁圆筒的底端朝向孔的底端；

所述的信号调理器包括第一信号调理器、第二信号调理器、第三信号调理器、第四信号调理器、第五信号调理器和第六信号调理器；

所述的第一煤岩应力传感器的输出端连接第一信号调理器的输入端，第二煤岩应力传感器的输出端连接第二信号调理器的输入端，煤岩声发射传感器的输出端连接第三信号调理器的输入端，煤岩电磁辐射传感器的输出端连接第四信号调理器的输入端，煤岩温度传感器的输出端连接第五信号调理器的输入端，煤岩湿度传感器输出端连接第六信号调理器的输入端，第一信号调理器的输出端、第二信号调理器的输出端、第三信号调理器的输出端、第四信号调理器的输出端、第五信号调理器的输出端和第六信号调理器的输出端分别连接微处理器的六路输入端，微处理器的另一路输入端连接键盘的输出端，微处理器的一路输出端连接显示器的输入端。

所述的第一煤岩应力传感器输出端的连接线、第二煤岩应力传感器输出端的连接线、煤岩声发射传感器输出端的连接线、煤岩电磁辐射传感器输出端的连接线、煤岩温度传感器输出端的连接线和煤岩湿度传感器输出端的连接线穿过空心厚壁圆筒内部连接信号调理器。

所述的空心厚壁圆筒和套管均采用具有屏蔽作用的不锈钢材料。

所述的空心厚壁圆筒和套管之间还设置有滚轮。

煤岩破裂多参量复合测量装置的布置方法，包括以下步骤：

步骤1、在被测运输巷道和回风巷道内，根据实际需求在回采工作面垂直于巷道的方向设置多个监测断面，并确定相邻两个监测断面之间距离；

步骤2、在巷道帮部的中间位置沿垂直监测断面方向进行打孔；

相邻两个钻孔之间距离相等，同一监测断面的钻孔深度相同，不同监测断面的钻孔深度不同；

步骤3、安装复合传感器于每个钻孔的底部；

步骤4、随着开采的进行，当采空区与开采方向下一个钻孔之间距离小于钻孔间距离时，取出该钻孔中的复合传感器；

步骤5、在监测后方再次打钻孔，将取出的复合传感器设置于新打的钻孔内部，实现复合传感器的循环使用。

本发明的有益效果及优点：

1、本发明将煤岩应力、煤岩声发射、煤岩电磁辐射、煤岩温度、煤体湿度传感器集成为一体，构成多参量测量复合传感器，将传感器连接数据采集器，可实现对五种监测数据的采集。室内实验室应用可实现对煤岩加载破裂过程应力信号、声信号、电磁信号、温度和湿度信号的检测，现场应用实现了多种参量在时间上同步、空间上多断面监测，同时应用该套装置还可评价防治措施的解危效果，达到有效预防矿山动力灾害的目的，对减少矿山动力灾害引起的安全事故、提高巷道的安全性具有重大意义；

2、根据煤岩加载破裂过程中应力、声发射、电磁辐射、温度及湿度变化信息，可作为煤岩稳定性的评价参量和评价指标；

3、煤岩破裂多参量复合测量装置能够实现对五种参量的同步采集，采用数据挖掘方法，提取特征参数，应用信息融合理论，对多个传感器的数据信息进行融合处理，通过现场长期监测数据划分危险指标对灾害发生的可能性进行预警。复合测量装置具有体积小结构简单、易于安装，屏蔽作用良好、稳定性好、可循环使用等特点。复合测量装置布置方法可实现多断面同时监测，确保在开采过程中对预开采煤层不同断面进行监测，避免因井下构造或开采造成各断面受力不平衡导致监测数据缺失进而发生灾难性突发事故。

4、空心厚壁圆筒采用不锈钢材料，强度可靠、可回收再次使用，同时具有良好的屏蔽作用；应力传感器、声发射传感器、温度及湿度传感器通过螺纹与空心厚壁圆筒连接，电磁辐射线圈安装在空心厚壁圆筒前方，具有结构简单，易于操作，稳定性好的特点。

5、本发明的复合传感器布置方法确保在开采过程中对预开采煤层不同断面进行监测，避免因井下构造或开采造成各断面受力不平衡导致监测数据缺失进而发生灾难性突发事故。

附图说明

图1为本发明一种实施例的煤岩破裂多参量复合测量装置整体结构框图；

其中，1-复合传感器；2-信号调理器；3-微处理器；4-键盘；5-显示器；6-数据存储器；7-时钟；8-数据传输接口；101-第一煤岩应力传感器，102-第二煤岩应力传感器；103-煤岩声发射传感器；104-煤岩电磁辐射传感器；105-煤岩温度传感器；106-煤岩湿度传感器；201-第一信号调理器；202-第二信号调理器；203-第三信号调理器；204-第四信号调理器；205-第五信号调理器；206-第六信号调理器；

图2为本发明一种实施例的复合传感器结构示意图；

其中，107-空心厚壁圆筒；108-滚轮；

图3为本发明一种实施例的复合传感器连线剖面示意图；

其中，109-套管；

图4为本发明一种实施例的实现所述的煤岩破裂多参量复合测量装置的布置方法流程图；

图5为本发明一种实施例的回采工作面传感器布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种实施例做进一步说明。

如图1所示，本发明实施例中，一种煤岩破裂多参量复合测量装置，该装置包括复合传感器1、信号调理器2、微处理器3、键盘4和显示器5，其中，所述的信号调理器包括第一信号调理器201、第二信号调理器202、第三信号调理器203、第四信号调理器204、第五信号调理器205和第六信号调理器206。

如图2所示，本发明实施例中，复合传感器包括一个空心厚壁圆筒107、滚轮108、第一煤岩应力传感器101、第二煤岩应力传感器102、煤岩声发射传感器103、煤岩电磁辐射传感器104、煤岩温度传感器105和煤岩湿度传感器106；本发明实施例中，第一煤岩应力传感器101和第二煤岩应力传感器102均采用GPD200A矿用本安型压力变送器，煤岩声发射传感器103采用SR150A型声发射传感器；煤岩电磁辐射传感器采用高灵敏度、宽频带的接收天线；煤岩温度传感器和煤岩湿度传感器均采用JCJ100本安型数字温湿度传感器；所述的空心厚壁圆筒107和套管109均采用具有屏蔽作用的不锈钢材料。

如图2所示，本实施例中，空心厚壁圆筒107为一个无上端盖的空心圆柱体，其侧壁和底端设置有用于设置传感器的6个通孔；所述的煤岩电磁辐射传感器104通过一个通孔螺纹固定于空心厚壁圆筒107的底端；用于测量矿井水平方向应力的第一煤岩应力传感器101通过另一个通孔螺纹固定于空心厚壁圆筒107的侧壁；用于测量矿井竖直方向应力的第二煤岩应力传感器102通过又一个通孔螺纹固定于空心厚壁圆筒107的侧壁；煤岩温度传感器105通过又一个通孔螺纹固定于空心厚壁圆筒107的侧壁；煤岩湿度传感器106通过又一个通孔螺纹固定于空心厚壁圆筒107的侧壁；煤岩声发射传感器103通过又一个通孔螺纹固定于空心厚壁圆筒107的侧壁；本实施例中，煤岩温度传感器105和煤岩湿度传感器106位于空心厚壁圆筒107的同一侧；煤岩声发射传感器103与第一煤岩应力传感器101相对设置，即第一煤岩应力传感器101位置的另一侧，用于测量矿井前方声发射事件数。

本发明实施例中，第一煤岩应力传感器101的输出端连接第一信号调理器201的输入端SIN-IN，第二煤岩应力传感器102的输出端连接第二信号调理器202的输入端SIN-IN，煤岩声发射传感器103的输出端连接第三信号调理器203的输入端SIN-IN，煤岩电磁辐射传感器的输出端连接第四信号调理器204的输入端SIN-IN，煤岩温度传感器105的输出端连接第五信号调理器205的输入端SIN-IN，煤岩湿度传感器106输出端连接第六信号调理器206的输入端SIN-IN，第一信号调理器201的输出端SIN_OUT、第二信号调理器202的输出端SIN_OUT、第三信号调理器203的输出端SIN_OUT、第四信号调理器204的输出端SIN_OUT、第五信号调理器205输出端SIN_OUT和第六信号调理器206的输出端SIN_OUT分别连接微处理器的六路输入端，所述的微处理器采用的型号为MSP430F449IZP；微处理器的另一路输入端连接键盘的输出端，微处理器的一路输出端连接显示器的输入端；所述的显示器采用LCD048型显示器；本发明实施例中，还设置有AT45DB041B-SI型号数据存储器6，微处理器3外围电路包括电源、时钟7及数据传输接口8。

如图3所示，所述的第一煤岩应力传感器101输出端的连接线、第二煤岩应力传感器102输出端的连接线、煤岩声发射传感器103输出端的连接线、煤岩电磁辐射传感器输出端的连接线、煤岩温度传感器105输出端的连接线和煤岩湿度传感器106输出端的连接线穿过空心厚壁圆筒107连接信号调理器2；空心厚壁圆筒107外侧还套有一个套管109；滚轮108设置于空心厚壁圆筒107和套管109之间，便于将空心厚壁圆筒107推入套管109中，再将套管109放置于钻孔底部。

本发明实施例中，实现煤岩破裂多参量复合测量装置的布置方法，方法流程图如图4所示，包括以下步骤：

步骤1、在被测运输巷道和回风巷道内，根据实际需求沿垂直于煤层的方向设置三个监测断面，且相邻两个监测断面之间长度相等；

如图5所示，本发明实施例中，图5中虚线表示每个监测断面，三个监测断面之间的长度分别用Δx1、Δx2、Δx3表示，每隔10m或20m米为一个监测断面。

步骤2、在巷道帮部中间位置沿垂直监测断面方向进行打孔；相邻两个钻孔之间距离相等，同一监测断面的钻孔深度相同，不同监测断面的钻孔深度不同；

如图5所示，本发明实施例中，在第1监测断面上钻出n个间距为4Δd(Δd表示钻孔间距离，可设置为10m～20m距离)的监测钻孔，深度为Δx1；在第2监测断面上钻出p个间距为2Δd的监测钻孔，深度为Δx1+Δx2；在第3监测断面上钻出q个间距为4Δd的监测钻孔，深度为Δx1+Δx2+Δx2；若设置更多监测断面，原理与本发明实施例相同。

步骤3、安装复合传感器于每个钻孔的底部；

本发明实施例中，复合传感器1设置于被测矿井两侧孔的底端，其空心厚壁圆筒107的底端朝向孔的底端，并且每个传感器通过空心厚壁圆筒107的通孔与矿井接触；本发明实施例中，钻孔的孔径为130mm，孔间隔20m；在孔底安装煤岩破裂多参量测量复合传感器1，传感器通过信号调理器2连接微处理器3，安装完毕后打开电源，进行数据实时监测。

数据分析包括：①同一监测点多种监测信息对比分析；②同一监测断面多种监测信息对比分析；③不同监测断面多种监测信息对比分析；④随着开采的进行，多种监测信息的变化规律。采用数据挖掘方法，提取特征参数，应用信息融合理论，对多个传感器的数据信息进行融合处理，通过现场长期监测数据划分危险指标对灾害发生的可能性进行预警，通过在开采过程中对预开采煤层不同断面进行监测，避免因井下构造或开采造成各断面受力不平衡导致监测数据缺失进而发生灾难性突发事故。

步骤4、随着开采的进行，当采空区与开采方向下一个钻孔之间距离小于钻孔间距离时，取出该钻孔中的复合传感器；

步骤5、在监测后方再次打钻孔，将取出的复合传感器设置于新打的钻孔内部，实现复合传感器的循环使用。

Claims (3)

1.一种煤岩破裂多参量复合测量装置，其特征在于：该装置包括复合传感器、信号调理器、微处理器、键盘和显示器，其中，

所述的复合传感器包括一个空心厚壁圆筒、套管、第一煤岩应力传感器、第二煤岩应力传感器、煤岩声发射传感器、煤岩电磁辐射传感器、煤岩温度传感器和煤岩湿度传感器；其中，所述的空心厚壁圆筒为一个无上端盖的空心圆柱体，其侧壁和底端设置有用于固定传感器的多个通孔；所述的煤岩电磁辐射传感器通过第一通孔固定于空心厚壁圆筒的底端；用于测量矿井水平方向应力的第一煤岩应力传感器通过第二通孔固定于空心厚壁圆筒的侧壁；用于测量矿井竖直方向应力的第二煤岩应力传感器通过第三通孔固定于空心厚壁圆筒的侧壁；煤岩温度传感器通过第四通孔固定于空心厚壁圆筒的侧壁；煤岩湿度传感器通过第五通孔固定于空心厚壁圆筒的侧壁；煤岩声发射传感器通过第六通孔固定于空心厚壁圆筒的侧壁；空心厚壁圆筒外侧还套有一个套管；所述的空心厚壁圆筒和套管均采用具有屏蔽作用的不锈钢材料；所述的空心厚壁圆筒和套管之间还设置有滚轮；

所述的复合传感器设置于被测矿井两侧孔的底端，其空心厚壁圆筒的底端朝向孔的底端；

所述的信号调理器包括第一信号调理器、第二信号调理器、第三信号调理器、第四信号调理器、第五信号调理器和第六信号调理器；

所述的第一煤岩应力传感器的输出端连接第一信号调理器的输入端，第二煤岩应力传感器的输出端连接第二信号调理器的输入端，煤岩声发射传感器的输出端连接第三信号调理器的输入端，煤岩电磁辐射传感器的输出端连接第四信号调理器的输入端，煤岩温度传感器的输出端连接第五信号调理器的输入端，煤岩湿度传感器输出端连接第六信号调理器的输入端，第一信号调理器的输出端、第二信号调理器的输出端、第三信号调理器的输出端、第四信号调理器的输出端、第五信号调理器的输出端和第六信号调理器的输出端分别连接微处理器的六路输入端，微处理器的另一路输入端连接键盘的输出端，微处理器的一路输出端连接显示器的输入端。

2.根据权利要求1所述的煤岩破裂多参量复合测量装置，其特征在于，所述的第一煤岩应力传感器输出端的连接线、第二煤岩应力传感器输出端的连接线、煤岩声发射传感器输出端的连接线、煤岩电磁辐射传感器输出端的连接线、煤岩温度传感器输出端的连接线和煤岩湿度传感器输出端的连接线穿过空心厚壁圆筒内部连接信号调理器。

3.权利要求1所述的煤岩破裂多参量复合测量装置的布置方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在被测运输巷道和回风巷道内，根据实际需求在回采工作面垂直于巷道的方向设置多个监测断面，并确定相邻两个监测断面之间距离；

步骤2、在巷道帮部的中间位置沿垂直监测断面方向进行打孔；

相邻两个钻孔之间距离相等，同一监测断面的钻孔深度相同，不同监测断面的钻孔深度不同；

步骤3、安装复合传感器于每个钻孔的底部；

步骤4、随着开采的进行，当采空区与开采方向下一个钻孔之间距离小于钻孔间距离时，取出该钻孔中的复合传感器；

步骤5、在监测后方再次打钻孔，将取出的复合传感器设置于新打的钻孔内部，实现复合传感器的循环使用。