CN104018882B - 一种分布式煤岩动力灾害电位实时监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式煤岩动力灾害电位实时监测方法及系统，在煤岩巷道表面或钻孔内分布式布置若干监测电极，电位监测仪连续实时采集煤岩体受载产生的电位信号差，根据电位信号差的分布和变化，采用区域临界值和动态趋势相结合的方式对煤岩动力灾害危险性及危险区域进行实时预警。本发明提供的分布式煤岩动力灾害电位实时监测方法及系统，通过分布式监测电位信号来反映煤岩体受载、变形破坏程度、动力灾害危险性分布及其演化情况，具有实时性及响应性好、抗干扰能力强、自动化程度高、实用性较强、安装方便的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种分布式煤岩动力灾害电位实时监测方法及系统，通过监测煤岩体破坏产生的电位信号变化来进行煤岩动力灾害的监测，属于煤岩动力灾害地球物理监测及矿山安全监控技术，主要用于矿山冲击地压、煤与瓦斯突出、压出、巷道顶板失稳冒落、突水和地质滑坡等动力灾害演化过程研究及危险性监测预警。
背景技术
随着煤矿开采深度的逐年增加，冲击地压、煤岩层顶板失稳冒落、煤与瓦斯突出、突水等突发性煤岩动力灾害发生的可能性和危险性也逐渐增大，部分原来无危险的煤矿也开始出现动力现象。如此形势下，煤矿的正常生产和煤炭工业的可持续发展将受到极大威胁。对上述动力灾害发生之前进行有效识别预警并及时采取预防措施对煤岩动力灾害防治工作尤为重要。
目前对于煤岩动力灾害的预测预报常采用钻孔法，但该方法需要耗费大量人力物力来专门进行施工作业，不利于采掘生产，也不能实现连续实时监测，且该方法在实施过程中有诱发煤岩动力灾害发生的可能。随着对煤岩动力灾害和地球物理手段研究的不断深入，提出了多种地球物理监测方法，包括声发射法、地音法、微震法和电磁辐射法等。其中，电磁辐射法在煤岩动力灾害监测技术方面实现了非接触式动态监测。但是这些地球物理方法仍有诸如传感器安设、准确定位监测、提高抗干扰能力、提高响应准确性等方面的很多问题需要解决。煤岩体应力监测也被应用于矿山压力及冲击地压的监测，但需要传感器与煤岩体进行良好耦合，这在现场中比较困难。
电法作为地球物理手段之一也有深入的研究，在地质勘探、物探等领域应用广泛。该方法主要通过向受测区域施加直流或交流电磁场，用于探测地质构造、地质异常、矿山采空区、矿藏赋存、水流等，也可探测受测区域煤岩体的自然电位场变化，但分析处理时一般将该自然电位场作为背景场考虑而不做深入研究。该方法未涉及针对煤岩动力破坏诱发的电位信号的连续实时监测与分析。
近年来，中国矿业大学对不同受载方式下煤岩体变形破裂过程的电位信号进行了大量的测试和研究。研究结果表明，煤岩体受载或变形破裂时有电位信号产生，电位信号对煤岩体受载程度比电磁辐射、微震和声发射等更好。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种分布式煤岩动力灾害电位实时监测方法及系统，能够对监测区域内的煤岩体电位信号变化进行同步多点连续实时监测，能够对矿山生产过程中潜在的冲击地压(岩爆)、煤与瓦斯突出、压出、巷道顶板失稳冒落等动力灾害危险区域及危险性监测预警。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种分布式煤岩动力灾害电位实时监测方法，在煤岩巷道表面或钻孔内分布式布置若干监测电极，电位监测仪按照不同监测方式连续实时采集监测电极接收到的煤岩体受载产生的电位信号差，电位监测系统对电位信号差进行实时分析，根据电位信号差对煤岩动力灾害危险性及危险区域进行实时监测与预警。
所述监测电极的布置方式为以下两种方式中的一种：第一种、等距电位差方式，测得的电位信号差为正负电极间的电位差；第二种、共地点电位差方式，测得的电位信号差为正电极处相对于共地负电极处的电位差。
所述监测方式包括以下两种方式中的一种或两种的结合：第一种、煤岩动力灾害电位实时监测、定期采集与分析方式；第二种、煤岩动力灾害电位实时在线监测与分析方式；其中第一种监测方式是对第二种的补充与验证。
所述监测与预警方式为电位监测系统对煤岩体产生的电位信号差进行分析，获取电位信号的分布和变化规律，采用临界值法与动态趋势法相结合的方式，对煤岩动力灾害危险性及危险区域进行实时监测与预警。比如当某一区域的电位信号平均值或动态趋势变化率超过设定的预警临界值时，预警有危险，超限的区域即为危险区域。
所述临界值法为：电位监测仪按照预设的采样周期N对监测区域煤岩电位信号进行实时采集，然后地面终端计算出采样周期N时间内电位差的平均值PD-avg1；当N时间内电位差的平均值PD-avg1超过预定的预警临界值时，系统发出灾变警报；所述动态趋势法为：指对每个采样周期内的电位差的平均值PD-avg2进行分析，并计算PD-avg2的增长趋势，当T时间内PD-avg2呈连续变化趋势且变化率ΔPD超过预设临界增长率n时，系统发出灾变警报。
一种分布式煤岩动力灾害电位实时监测系统，包括监测电极、电位监测仪、手持采集仪、通讯分站、本安电源、矿用传输接口、监测主机、监控终端、防爆环网交换机、环网和矿用屏蔽电缆；所述监测电极分布式布置在煤岩巷道表面或钻孔内，所述电位监测仪与监测电极相连，所述电位监测仪呈分布式与通讯分站相连，所述通讯分站通过防爆环网交换机接入环网后接入监测主机，同时通讯分站还可通过矿用传输接口直接接入监测主机；所述本安电源为通讯分站供电；所述手持采集仪既可以对电位监测仪进行参数设置，也可以收集电位监测仪数据并通过监控终端与监测主机进行数据分析。
监测电极可选用多种型号地震监测、地电场监测及地质勘探等领域内研发应用的电极(包括硫酸铜、氯化银等固(液)不极化电极，铜、铁、不锈钢、钝化处理后的铅等金属材质电极)。监测电极外型灵活多变，可根据实际情况设计为柱状、杆状、针状、锥状等外型。监测电极完全被动接受电位信号，能有效保证原始电位信号的真实性。
电位监测仪通过通讯分站和/或传输接口(以RS485或CAN通讯方式)将电位信号差实时上传至监测主机，通讯分站也可通过交换机、光纤、环网或手持采集仪将监测数据上传给监控终端。
综上，本发明主要包括以下指标：
(a)信号接收方式：分布式，多点，区域性接收
(b)信号处理方式：实时处理，实时显示，实时输出
(c)预警方式：实时预警；采用临界值法与动态趋势法相结合的方式，对煤岩动力灾害危险性及危险区域进行实时预警。
有益效果：本发明提供的分布式煤岩动力灾害电位实时监测方法及系统，通过监测电位信号来反映煤岩体受载、变形破坏程度及动力灾害危险性，具有自动化程度高、实用性较强、安装方便、操作更快捷、一次安装长期有效、监测区域灵活等特点，能够真实全面反映预定监测区域煤岩体的受载及变形破坏情况。
附图说明
图1为本发明系统的结构框图；
图2为监测电极的布置方式，其中(a)为等距电位差分布，(b)为共地点电位差分布；
图3为分布式煤岩动力灾害电位实时监测数据分析及预警流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，分布式煤岩动力灾害电位实时监测系统包括监测电极1、电位监测仪2、通讯分站3、本安电源4、矿用传输接口5、监测主机6、监控终端7、防爆环网交换机8、环网9和矿用屏蔽电缆10；所述监测电极1分布式布置在煤岩巷道表面或钻孔内，所述电位监测仪2与监测电极1相连，所述电位监测仪2呈分布式与通讯分站3相连，所述通讯分站3通过防爆环网交换机8接入环网9后接入监测主机6，同时通讯分站3还可通过RS485或者CAN通讯方式与矿用传输接口5相连并直接接入监测主机6；所述本安电源4为通讯分站3供电；所述各设备之间均采用矿用屏蔽电缆10进行连接，所述手持采集仪既可以对电位监测仪2进行参数设置，也可以收集电位监测仪2数据并通过监测主机6与监控终端7进行数据分析。
本发明的分布式煤岩动力灾害电位实时监测方法，在煤岩巷道表面或钻孔内分布式布置若干监测电极，电位监测仪按照不同监测方式连续实时采集监测电极接收到的煤岩体受载产生的电位信号差，电位监测系统对煤岩体产生的电位信号差进行实时分析，获取电位信号的分布和变化规律，采用临界值法与动态趋势法相结合的方式，对煤岩动力灾害危险性及危险区域进行实时监测与预警。比如当某一区域的电位信号平均值或动态趋势变化率超过设定的预警临界值时，预警有危险，超限的区域即为危险区域。
如图2所示，所述监测电极1的布置方式为以下两种方式中的一种：第一种、等距电位差方式，测得的电位信号差为正负电极间的电位差，如图(a)；第二种、共地点电位差方式，测得的电位信号差为正电极处相对于共地负电极处的电位差，如图(b)。
该案中，煤岩动力灾害电位实时监测方式采用以下两种方式中的一种或两种的结合：1、煤岩动力灾害电位实时监测、定期采集与分析方式，由手持采集仪定期采集各电位监测仪2数据，然后由监控终端7进行深入分析处理；2、煤岩动力灾害电位实时在线监测与分析方式，由监控终端7的分析软件对上传数据自动实时处理分析，方式1用于对方式2的补充和验证。具体实现过程如下：
(1)选定监测煤岩巷道区域，在预定监测区域煤岩巷道表面或钻孔内分布式布置监测电极；
(2)按照图1所示，依次连接各个部件，建立分布式煤岩动力灾害电位实时监测系统；
(3)监测终端运行煤岩体电位分析软件，实时采集与分析电位信号分布及变化，对煤岩动力灾害危险性及危险区域进行预警。
该案通过电位监测煤岩体受载、变形破裂程度及动力灾害危险性具有响应性好、抗干扰能力强、操作简便等优点。可应用于矿山冲击地压、煤与瓦斯突出、压出、巷道顶板失稳冒落、突水和地质滑坡等动力灾害演化过程研究及危险性监测预警。
下面就本案加以具体说明：
本案中，通过在预定煤岩体监测区域内分布式布置电位监测装置，当监测区域内的煤岩体受载产生电位信号后，电位监测装置对电位信号进行实时采集，然后通过两种通讯方式(光纤环网和485或者CAN通讯)上传至地面监控终端7，地面监控终端7运行煤岩体电位分析软件，对电位信号进行深入分析处理后作出预警判断。
如图3所示，对电位信号差进行分析，获取电位分布和变化，采用临界值法与动态趋势法相结合的方式，对煤岩动力灾害危险性及危险区域进行实时预警。其中临界值法是指电位监测仪按照预设的采样周期N对监测区域煤岩电位信号进行实时采集，然后地面终端计算出采样周期N时间内电位差的平均值PD-avg1；当N时间内电位差的平均值PD-avg1超过预定的预警临界值时，系统发出灾变警报；动态趋势法是指对每个采样周期内的电位差的平均值PD-avg2进行分析，并计算PD-avg2的增长趋势，当T时间内PD-avg2呈连续变化趋势且变化率ΔPD超过预设临界增长率n时，系统发出灾变警报。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种分布式煤岩动力灾害电位实时监测方法，其特征在于：在煤岩巷道表面或钻孔内分布式布置若干监测电极，电位监测仪按照不同监测方式连续实时采集监测电极接收到的煤岩体产生的电位信号差，电位监测系统对电位信号差进行实时分析，根据电位信号差变化对煤岩动力灾害危险性及危险区域进行实时监测与预警。
2.根据权利要求1所述的分布式煤岩动力灾害电位实时监测方法，其特征在于：所述监测电极的布置方式为以下两种方式中的一种：第一种、等距电位差方式，测得的电位信号差为正负电极间的电位差；第二种、共地点电位差方式，测得的电位信号差为正电极处相对于共地负电极处的电位差。
3.根据权利要求1所述的分布式煤岩动力灾害电位实时监测方法，其特征在于：所述监测方式包括以下两种方式中的一种或两种的结合：第一种、煤岩动力灾害电位实时监测、定期采集与分析方式；第二种、煤岩动力灾害电位实时在线监测与分析方式；其中第一种监测方式是对第二种的补充与验证。
4.根据权利要求1所述的分布式煤岩动力灾害电位实时监测方法，其特征在于：所述监测与预警方式为电位监测系统对煤岩体产生的电位信号差进行实时分析，获取电位信号的分布和变化规律，采用临界值法与动态趋势法相结合的方式，对煤岩动力灾害危险性及危险区域进行实时监测与预警。
5.根据权利要4所述的分布式煤岩动力灾害电位实时监测方法，其特征在于：所述临界值法为：电位监测仪按照预设的采样周期N对监测区域煤岩电位信号进行实时采集，然后地面终端计算出采样周期N时间内电位差的平均值PD-avg1；当N时间内电位差的平均值PD-avg1超过预定的预警临界值时，系统发出灾变警报；所述动态趋势法为：指对每个采样周期内的电位差的平均值PD-avg2进行分析，并计算PD-avg2的增长趋势，当T时间内PD-avg2呈连续变化趋势且变化率ΔPD超过预设临界增长率n时，系统发出灾变警报。
6.一种分布式煤岩动力灾害电位实时监测系统，其特征在于：包括监测电极(1)、电位监测仪(2)、通讯分站(3)、本安电源(4)、矿用传输接口(5)、监测主机(6)、监控终端(7)、防爆环网交换机(8)、环网(9)和矿用屏蔽电缆(10)；所述监测电极(1)分布式布置在煤岩巷道表面或钻孔内，所述电位监测仪(2)与监测电极(1)相连，所述电位监测仪(2)呈分布式与通讯分站(3)相连，所述通讯分站(3)通过防爆环网交换机(8)接入环网(9)后接入监测主机(6)，同时通讯分站(3)还可通过矿用传输接口(5)直接接入监测主机(6)；所述本安电源(4)为通讯分站(3)供电；所述各设备之间均采用矿用屏蔽电缆(10)进行连接。
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