CN104697683B - 动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法及系统，本发明采用声电波原理的非埋入式集成检测方法对深井动力灾害环境下的巷道围岩(包括回采巷道和掘进巷道)顶板、两帮及底板进行同步、连续、区域性检测，可实现灾害巷道围岩环境锚岩稳定性预测、动力信息检测预警及锚固质量评判功能，在井下具有检测时，无需打设钻孔，操作简便，可直接对巷道顶板或巷帮围岩体测点或测面进行选择性次序检测等特点。

Description

动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法及系统

技术领域

本发明属于采矿、岩土及边坡工程领域，具体涉及一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法及系统。

背景技术

在采矿工程中，由于井下巷道煤岩体受埋藏深度、构造应力、开采尺度、深部采掘方式、煤岩岩石力学属性以及集中应力、节理、裂隙等影响，使得锚杆(索)支护的巷道周边区域煤岩具有冲击动力、强烈矿压显现、煤与瓦斯突出等动力灾害特点。

在工程实践中，用单纯的数学解析、岩石力学理论及相应的室内模拟试验来解决实际问题非常困难。因为巷道周边煤岩体受上述因素的作用后，特别是受应力扰动后自身的弹性变形能和应变能在时间上和空间上不断发生变化和迁移。在不同的地点或偶然的时间点，煤岩中的扰动应力或叠加应力产生集中后，往往在瞬间爆发“岩爆”或“煤爆”现象，弹性能以弹射碎片的方式沿着某一细小裂隙面释放，从而由动力显兆现象衍生为动力灾害事故，使锚岩体结构稳定性破坏，锚杆、索被迫拉断、拔出，继而失去锚固效能。

煤岩冲击地压灾害往往在偶然的时间瞬间发生，且自身具备连锁动力反应，在动力显兆衍生为动力灾害的过程中，总体上形成了“时-空-域”的不断变化和循环，给矿山工程和人员安全带来了困阻。同时，动力灾害的频发更使得矿山工程检测技术成为解决矿山众多灾害问题的一种主要手段。

当前，对矿山巷道围岩监测技术手段较多，例如声发射、光纤、电阻应力计、电磁辐射、光学钻孔窥视等，但都集中于某一种技术手段，由于巷道煤岩(围岩体)赋存灾害环境的复杂性和多样性，在现场监测中受地质因素和操作环境因素干扰较多，很多检测准备工作过于繁杂，检测结果出现单一、失真现象，可见单一的检测手段在矿山复杂灾害围岩环境中难以对工程实践实现起到有效的指导作用。

在灾害地质围岩环境和采掘扰动环境影响下，单一的监测手段在检测过程中出现了精度不高、数据失真，失效，不能够综合反映实际问题所产生的原因或结果。同时，矿井下致灾因素众多，往往用单一的检测技术或检测原理对非线性锚岩体的动态信息与迁移演化过程进行检测，其结果往往没有对比性，不能集中反映出问题的实际性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法及系统，其设计合理且使用操作简便、无需打设钻孔、信息化检测、检测结果准确。

为了达到上述目的，一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法，包括以下步骤：

步骤一：在回采工作面巷道或正在掘进的巷道上布置测点或测面，测点或侧面为布置在顶板和两帮中部的锚杆、锚索；

步骤二：将传感器固定在顶板测点锚杆上，用锚岩体动力学信息声电检测装置中的声发射探头通过围岩体与锚杆金属介质传声原理对顶板围岩体进行持续检测，检测结果会通过声发射探头采集，传感器接收后通过信号传输电缆传至采集控制接收器并记录采集信息；

步骤三：将激励传感器和响应传感器固定在测点锚杆上，通过测力锤对锚杆的敲击、振动，振动信号会通过不同锚固和工作荷载中的金属介质传播至激励传感器和响应传感器上，动力显兆锚杆锚索质量检测装置采集激励传感器和响应传感器上的信号，并将振动信号变成电信号，以各自波形的形式呈现在信号采集接收控制器中；

步骤四：将采集控制接收器采集的信息传导至客户端主机，通过动力灾害矿井锚岩稳定性检测分析软件对顶板围岩体矿山压力、动力灾害、裂隙演化活动特征进行分析，同时对顶板锚杆支护范围围岩体的灾害显兆性进行预警和预测，结合动力显兆声学动态分析预测结果，可对测点锚杆锚固质量进行综合评价。

所述步骤一中，测点从工作面巷道中距离工作面前方20m处开始布置，回采工作面每隔10m～30m布置一个测点，掘进工作面每隔5～10m布置一个测点。

所述步骤二中，锚岩体动力学信息声电检测装置能够只检测声学信息，或只检测电磁辐射信息，也能够同时检测同一测面、测点或不同测面、测点的信息。

所述步骤三中，动力显兆锚杆锚索质量检测装置通过布设电磁辐射天线，对测点所在的面进行非接触式持续动态检测，检测时，用固定可伸缩可旋转支架固定好天线，将天线固定在测试区域，方向正对着所测面煤岩壁，并距离煤岩壁1m，将监测结果传至采集控制接收器进行同步显示和记录，控制器的信号采集、转换、处理、存储和报警由监测仪自动连续地完成。

一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法采用的系统，包括设置在测点或测面上的传感器，以及采集传感器信息的锚岩体动力学信息声电检测装置和动力显兆锚杆锚索质量检测装置，锚岩体动力学信息声电检测装置和动力显兆锚杆锚索质量检测装置连接有采集控制接收器，采集控制接收器连接客户端主机。

所述锚岩体动力学信息声电检测装置和动力显兆锚杆锚索质量检测装置通过天线、探头或传感器连接采集控制接收器。

所述动力显兆锚杆锚索质量检测装置采集的是激励传感器和响应传感器上的信息。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法集声学、电磁信号、弹性波三种检测原理为一体，在检测过程中，相互作用、相互补充，取长补短，弥补了单一检测手段失真、单调劣势，利用系统化的优势，对检测结果经过系统软件分析后，可对工程进行实际指导；

在巷道掘进中，通过本发明的检测方法对巷道周边的动力显兆声电信息和锚固质量的检测结果，可较准确的辨识出测点区域危险性和支护方案的合理性，起到了重要的工程实际指导价值。

进一步的，本发明的检测方法在检测过程中，能够根据实际情况和技术要求，可实现多项功能对同一测点同步、连续检测，也可实现不同通道(功能)对不同测点区域性检测。

一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法采用的系统在检测过程中，能够提前通过客户端主机在地面可以设置好各项系统参量，井下实行非埋入式、部分功能可非接触式高效检测，本身重量轻便，大大减小传统检测中人为操作误差和降低传统钻孔式检测中人员劳动强度，提高了检测效率，保障检测时间，本发明能够对同一测点和多测点进行锚岩矿压受载程度、动力显兆的活动性、异常区域性及动力灾害危险性进行动态趋势预测、预警，同时能评价出锚固体在灾害动态演化中的锚固质量。

附图说明

图1为一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法的流程图；

图2为一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测的检测系统的系统框图；

图3为实现动力灾害矿井巷道围岩动力声学(事件数)信息预测、动力信息趋势分析预警曲线图；

图4为锚杆对围岩支护能力的各项参数适应性的弹性波曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1，一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法，包括以下步骤：

步骤一：在回采工作面巷道或正在掘进的巷道上布置测点或测面，测点或侧面为布置在顶板和两帮中部的锚杆、锚索，测点从工作面巷道中距离工作面前方20m处开始布置，回采工作面每隔10m～30m布置一个测点，掘进工作面每隔5～10m布置一个测点；

步骤二：将传感器固定在顶板测点锚杆上，用锚岩体动力学信息声电检测装置中的声发射探头通过围岩体与锚杆金属介质传声原理对顶板围岩体进行持续检测，检测结果会通过声发射探头采集，传感器接收后通过信号传输电缆传至采集控制接收器并记录采集信息；

锚岩体动力学信息声电检测装置能够只检测声学信息，或只检测电磁辐射信息，也能够同时检测同一测面、测点或不同测面、测点的信息；

步骤三：将激励传感器和响应传感器固定在测点锚杆上，通过测力锤对锚杆的敲击、振动，振动信号会通过不同锚固和工作荷载中的金属介质传播至激励传感器和响应传感器上，动力显兆锚杆锚索质量检测装置采集激励传感器和响应传感器上的信号，并将振动信号变成电信号，以各自波形的形式呈现在信号采集接收控制器中；

动力显兆锚杆锚索质量检测装置还能够通过布设电磁辐射天线，对测点所在的面进行非接触式持续动态检测，检测时，用固定可伸缩可旋转支架固定好天线，将天线固定在测试区域，方向正对着所测面煤岩壁，并距离煤岩壁1m，将监测结果传至采集控制接收器进行同步显示和记录，控制器的信号采集、转换、处理、存储和报警由监测仪自动连续地完成。

步骤四：将采集控制接收器采集的信息传导至客户端主机，通过动力灾害矿井锚岩稳定性检测分析软件对顶板围岩体矿山压力、动力灾害、裂隙演化活动特征进行分析，同时对顶板锚杆支护范围围岩体的灾害显兆性进行预警和预测，结合动力显兆声学动态分析预测结果，可对测点锚杆锚固质量进行综合评价。

参见图2，一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法采用的系统，包括设置在测点或测面上的传感器，以及采集传感器信息的锚岩体动力学信息声电检测装置和动力显兆锚杆锚索质量检测装置，动力显兆锚杆锚索质量检测装置采集的是激励传感器和响应传感器上的信息，锚岩体动力学信息声电检测装置和动力显兆锚杆锚索质量检测装置连接有采集控制接收器，采集控制接收器连接客户端主机，锚岩体动力学信息声电检测装置和动力显兆锚杆锚索质量检测装置通过天线、探头或传感器连接采集控制接收器。

实施例1：

动力灾害环境锚岩稳定性声电波集成检测方法包括以下步骤：

步骤一、测点布置：选择回采工作面巷道或正在掘进的巷道，在不妨碍工程施工的情况下，对于回采工作面巷道，距离工作面前方20m即可开始布置测点(或测面)，测点的布置以选择的具有代表性锚杆或锚索为主，一般选择顶板和两帮中部锚杆、锚索为为宜，回采工作面每隔10m～30m布置一个测点，掘进工作面每隔5～10m布置一个测点。

步骤二、监测：对选择的测点进行综合检测，可同时检测一个测点多根锚杆、锚索锚固质量和锚岩体动力学信息。

在检测一个测点而言，其集成检测过程如下：

将专用夹具把传感器固定在顶板测点锚杆上，通过围岩体与锚杆金属介质传声原理对顶板围岩体进行持续检测，检测结果会通过锚岩体动力学信息声电检测装置中的声发射探头和信号传输电缆传至采集控制接收器并记录采集信息，将采集控制接收器采集的信息通过数据通讯传导至客户端PC，通过动力灾害矿井锚岩稳定性检测分析软件对顶板围岩体矿山压力、动力灾害、裂隙演化等活动特征进行分析，同时对所述顶板锚杆支护范围围岩体的灾害显兆性进行预警和预测。

接着将专用夹具把响应传感器固定在测点锚杆上，通过测力锤对锚杆的敲击、振动，振动信号会通过不同锚固和工作荷载中的金属介质传播至激励传感器和响应传感器上，动力显兆锚杆锚索质量检测装置将振动信号变成电信号，检测项目可连续完成，激励传感信号和测力锤响应信号通过电缆信号传输线后，以各自波形的形式呈现在信号采集接收控制器中，结合动力显兆声学动态分析预测结果，可对测点锚杆锚固质量进行综合评价。

动力显兆锚杆锚索质量检测装置也可通过布设电磁辐射天线，对测点所在的面(如顶板或帮侧)进行非接触式持续动态检测；

检测时，用固定可伸缩可旋转支架固定好天线，将天线固定在测试区域，方向正对着所测面煤岩壁，并距离煤岩壁1m，将监测结果传至采集控制接收器进行同步显示和记录，控制器的信号采集、转换、处理、存储和报警由监测仪自动连续地完成，可将电磁信号检测结果与声发射及锚固质量力学检测结果进行分析比较，综合判断动力显兆在不同电磁强度和不同电磁脉冲数下的灾害发生情况及锚杆锚索锚固质量。

步骤三、综合分析判断：数据通讯传输步骤二中所述采集控制接收器所记录的声电波综合检测结果，即可相应对步骤一中所述巷道测点在动力灾害环境锚岩稳定性状况进行准确辨析，继而预测预报所述锚岩体结构受冲击程度的预计情况。

步骤一中的回采工作面巷道包括相互平行的采煤工作面运输机巷和采煤工作面回风巷，采煤工作面运输机巷和采煤工作面回风巷的顶板和巷帮上所选取的测点间隔相同且位置均对称。

回采工作面每隔10m～30m布置一个测点，掘进工作面每隔5～10m布置一个测点。对于严重危险的区域应尽量多布置测点。

所有测点的电磁辐射超低频率天线分别设于掘进工作面巷道或回采工作面上下顺槽巷道左侧、中央和右侧，电磁辐射超低频天线开口距离煤岩壁1m；每个测点，天线有两种布置方式，一种是天线开口朝向煤壁，开口缝朝向顶板或底板；另一种是天线开口朝向顶板，开口缝朝向煤壁，具体选择时可根据信号强弱、干扰情况等确定。

声发射探头可用专用夹具把传感器固定在锚杆上，保证传感器与锚杆接触良好，可旋转专用夹具需调整夹具使其处于水平状态。

图3表示利用声电波检测装置在井下的某一侧点在连续检测时间(包括作业班次)范围内的声幅变化值(包括每秒事件数和能量值)，当测试值在相邻两天或两个班次波动质点数超过30％后，表示煤岩具有可能发生动力灾害的危险，图中显示测点在6月19—21日早8点班的振幅质点数较多，已经超过30％，最大能量达到37836.72J。长时间检测可更准确判断和预测巷道围岩动力灾害情况，以便及时采取防灾措施。

图4是利用声电波检测装置可以直接检测出实测锚杆(索)长度，以此由设计长度来比对，判断动力来压时锚杆断裂与否及断裂位置情况，图中结果显示测点锚索长度在6月20日早上8点班时疑似在1.93m处被拉断(需补打锚索或提高该测点支护强度。它是伴随着图3中的声学动态信息走势的弹性波长度曲线。

Claims (6)

1.一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：在回采工作面巷道或正在掘进的巷道上布置测点或测面，测点或侧面为布置在顶板和两帮中部的锚杆、锚索；

步骤二：将传感器固定在顶板测点锚杆上，用锚岩体动力学信息声电检测装置中的声发射探头通过围岩体与锚杆金属介质传声原理对顶板围岩体进行持续检测，检测结果会通过声发射探头采集，传感器接收后通过信号传输电缆传至采集控制接收器并记录采集信息；

步骤三：将激励传感器和响应传感器固定在测点锚杆上，通过测力锤对锚杆的敲击、振动，振动信号会通过不同锚固和工作荷载中的金属介质传播至激励传感器和响应传感器上，动力显兆锚杆锚索质量检测装置采集激励传感器和响应传感器上的信号，并将振动信号变成电信号，以各自波形的形式呈现在信号采集接收控制器中；

其中，动力显兆锚杆锚索质量检测装置通过布设电磁辐射天线，对测点所在的面进行非接触式持续动态检测，检测时，用固定可伸缩可旋转支架固定好天线，将天线固定在测试区域，方向正对着所测面煤岩壁，并距离煤岩壁1m，将监测结果传至采集控制接收器进行同步显示和记录，控制器的信号采集、转换、处理、存储和报警由监测仪自动连续地完成；

步骤四：将采集控制接收器采集的信息传导至客户端主机，通过动力灾害矿井锚岩稳定性检测分析软件对顶板围岩体矿山压力、动力灾害、裂隙演化活动特征进行分析，同时对顶板锚杆支护范围围岩体的灾害显兆性进行预警和预测，结合动力显兆声学动态分析预测结果，可对测点锚杆锚固质量进行综合评价。

2.根据权利要求1所述的一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测的检测方法，其特征在于：所述步骤一中，测点从工作面巷道中距离工作面前方20m处开始布置，回采工作面每隔10m～30m布置一个测点，掘进工作面每隔5～10m布置一个测点。

3.根据权利要求1所述的一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法，其特征在于：所述步骤二中，锚岩体动力学信息声电检测装置能够只检测声学信息，或只检测电磁辐射信息，也能够同时检测同一测面、测点或不同测面、测点的信息。

4.权利要求1中所述一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法采用的系统，其特征在于：包括设置在测点或测面上的传感器，以及采集传感器信息的锚岩体动力学信息声电检测装置和动力显兆锚杆锚索质量检测装置，锚岩体动力学信息声电检测装置和动力显兆锚杆锚索质量检测装置连接有采集控制接收器，采集控制接收器连接客户端主机。

5.根据权利要求4所述的一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法采用的系统，其特征在于：所述锚岩体动力学信息声电检测装置和动力显兆锚杆锚索质量检测装置通过天线、探头或传感器连接采集控制接收器。

6.根据权利要求4所述的一种动力灾害矿井锚岩稳定性集成检测方法采用的系统，其特征在于：所述动力显兆锚杆锚索质量检测装置采集的是激励传感器和响应传感器上的信息。