CN104763453A - 围岩锚杆应力波定位监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种围岩锚杆应力波定位监测系统，包括固定于井下巷道或采空区的由多根锚杆组成的锚杆监测矩阵，锚杆的尾端设有地压传感器、无线发射器和电池模块；还包括设于井下的无线接收器和中继器；还包括设于井上的中继器、预警软件计算机、服务器和客户计算机。可以对围岩应力、瞬时应力波进行实时动态的监测，实现地压信息的高频采集，对围岩应力、瞬时应力波综合分析，进行三维空间地压监测及预警。成本低廉、安装方便、适用广泛、操作简单。

Description

围岩锚杆应力波定位监测系统

技术领域

本发明涉及一种围岩应力监测技术，尤其涉及一种围岩锚杆应力波定位监测系统。

背景技术

随着大规模矿山的开采深入，开采面积、体积的扩大，矿山地压灾害逐渐成为矿山生产活动中一种常见的灾害类型。尤其在当今以人为本的信息时代，人们对矿山地压灾害的监测和预警需求更加迫切。

传统的地压测量技术基于光学、力学、地震学、电磁学等多种理论，主流的主要有光弹应力技术、声发射技术、电磁辐射技术、原岩应力测试技术等，这些技术在理论、设备和应用等诸多方面都已相当成熟，上述各技术的应用相互独立，各个方法具有独特的优势和劣势。

优势：上述监测技术基于不同理论方法，可对矿山围岩地压进行监测、解释，且可以进行地压活动规律解析和灾害预警；

劣势，上述监测技术基于原理不同，单独的地压监测技术不能完全解释地压活动复杂变化规律及机理，多个地压监测技术相互之间没有交互的接口，联合监测和预警的机制较差。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低廉、安装方便、适用广泛、操作简单的围岩锚杆应力波定位监测系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的围岩锚杆应力波定位监测系统，包括固定于井下巷道或采空区的锚杆，所述锚杆的尾端设有地压传感器和无线发射器；

还包括设于井下的无线接收器和中继器；

还包括设于井上的中继器、预警软件计算机、服务器和客户计算机。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的围岩锚杆应力波定位监测系统，基于传统的锚杆技术为依托，采用锚杆搭载应力、应力波二合一传感器，对围岩进行加固，同时可以对围岩应力、瞬时应力波进行实时动态的监测，从多方法、多指标出发，实现对地压活动实时监测和预警。可实现地压信息的高频采集，对围岩应力、瞬时应力波综合分析，进行三维空间地压监测及预警。

附图说明

图1为本发明实施例提供的围岩锚杆应力波定位监测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中锚杆的结构示意图；

图3为本发明实施例中传感器电测原理示意图；

图4为本发明实施例中系统授时原理示意图；

图5为本发明实施例中数据无线采集示意图。

图中：

1、锚杆监测矩阵，2、地压传感器，3、无线发射器，4、无线接收器，5、中继器，6、预警软件计算机，7、服务器，8、客户计算机，9、锚杆，10、垫块，11、GPS接收器，12、中心授时服务器，13、中继器授时同步，14、监测点授时同步。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的围岩锚杆应力波定位监测系统，其较佳的具体实施方式是：

括固定于井下巷道或采空区的锚杆，所述锚杆的尾端设有地压传感器和无线发射器；

还包括设于井下的无线接收器和中继器；

还包括设于井上的中继器、预警软件计算机、服务器和客户计算机。

所述井下巷道或采空区同区域由多根锚杆组成一个锚杆监测矩阵。

所述预警软件计算机设有中心时钟系统，所述中心时钟系统对各中继站进行授时，所述中继站联系各锚杆进行授时，保持整个监测系统时间统一。

所述地压传感器实时监测围岩应力变化和瞬时应力波，包括本身的锚固力变化值和岩石破裂瞬时应力波数据。

所述地压传感器的采集频率满足瞬时应力波事件的频率，应力采集方式为等间时间间隔，瞬时应力波信息采集方式为触发式。

所述预警软件计算机对采集地压数据进行过滤、统计、分析，内嵌多种监测预警指标，能够分享围岩地压变化规律和趋势、对岩石破裂瞬时应力波事件进行定位、对地压活动及其灾害进行预测预警。

所述锚杆的尾端还设有电池模块和充电接口。

本发明的围岩锚杆应力波定位监测系统，在传统锚杆的基础上，尾端增加了应力、瞬时应力波传感器和无线传输模块。所述的智能锚杆和数据接收模块之间数据交互，通过无线模块来实现。成本低廉、安装方便、适用广泛、操作简单。

本发明的围岩锚杆应力波定位监测系统，以传统的锚杆为依托，集成了的地压监测智能传感器，通过无线传输采集数据，最后利用软件进行实时监测、预警。锚杆打入岩体后，不仅可以增加围岩的稳定性，而且同时采集地压活动引起的围岩应力变化、岩石破裂瞬时应力波，联合内嵌预警指标进行更及时、准确预警。本系统可以代替传统的地压应力监测、微震监测方法，适用于各种地压活动明显或者地压灾害影响严重的矿山，用于地压监测和灾害预防。

下面对本发明进行详细描述：

所述监测系统，锚杆组成包括特制通用测试锚杆、应力应变测试传感器、高频数据采集器，垫块、无线数据发射器组成。所述传感器采集数据，通过无线节点传输。

所述监测系统，授时系统采用授时中心服务器及中继站子区域两级组网方式，由GPS接收天线、中心母钟，子钟、通信控制器、NTP时间服务器构成，时钟系统控制管理计算机，传出通道组成。中心机房设备与各区域中心接口、子钟通过通信线缆连接，中心母钟接收来GPS标准时间码，在总控机房通过有线传输线路为各中继站提供标准时间信号，使中继站的设备与时钟系统同步，中继站通过无线传输线路为各监测点提供标准时间信，使监测点时钟和中继站同步，从而实现整个系统统一的时间标准。

所述监测系统，锚杆内部地压传感器采用电阻应变片的测量电路，应变片可以将应变转换为电阻的变化，将电阻的变化再转换为电流的变化，通过直流电桥或交流电桥输出信号。输出信号经过前项通道、程控放大器、A/D转换器，直接进行模/数转换、数据分离。

所述监测系统，锚杆微处理器集成本机时钟集成电路，当接收到授时基站信息后，校正本机时钟集成电路数据。同时还负责控制系统各部分器件的工作并对数字信号进行处理，分离。

所述监测系统，数据采集及传输系统主要包括：智能数据处理芯片、无线数据传输模块、无线数据发射模块和无线数据中继器、网络协调器以及光纤电缆等组成。井下数据为实时无线传输与交换，井下数据与地面数据系统的无缝连接通过光缆连接。

所述监测系统，预警软件内嵌的预警理论：首先对监测数据进行去噪、拟合、统计，利用统计的原理计算出预警参数1：允许应力最大值；利用拟合分析原理计算出预警参数2：允许最大应力变化率；利用突变原理计算出预警参数3：数据突变节点；根据统计原理，计算出预警参数4：地压活动频率；根据微震原理计算出预警参数5：地压活动事件的能量。并对地压活动区域进行定位。结合5个单项预警参数，应力和应力波两个分析方法，联合多元参数对地压活动进行预警。

所述监测系统，预警软件采用B/S结构，支持局域网、广域网客户端监测模式和Web用户浏览器模式数据共享。所述的监测、预警软件系统配备专用的计算机，监测数据采用动态存储技术，数据库采用SQL海量数据库。内嵌多元参数地压预警方法，实现实时监测和预警。

本发明的智能锚杆监测预警技术系统，在传统锚杆的功能上增加了地压信息采集功能，可布置在矿山巷道、采空区等地压活动明显区域。对岩体进行加固的同时，可以实时采集围岩应力变化、瞬时应力波信息，联合力学和地震学两个理论，对地压活动进行分析、定位，实现精确的地压灾害预警。

具体实施例，如图1至图5所示：

智能锚杆安装，需要直径45mm，深2400mm的上行钻孔，锚杆放入后用树脂锚固剂进行密封，端部锚固结构施加锚固力。钻孔布置形式，巷道里为多段扇面布置，空区顶板上做方形布置。多个锚杆，形成矩阵型分布。

系统的设计由以下主要由十个部分组成：压力传感器、模拟信号传输、I/V转换、下位机数据采集与处理、数字信号传输、光电转换、授时系统、上位机数据采集与处理、远程控制和数据管理等，对锚杆传统的单一功能进行了扩展，演化为一套地压监测预警系统。

锚杆集成了压力、瞬时应力波二合一传感器，锚杆安装完成后，48小时内，在锚固力的作用下，围岩应力发生重新分布。应力重新分布完成后，整个系统开始正常运行。地压活动引起围岩应力变化，同时会伴随着不同规模的岩石破裂。应力变化和岩石破裂之间存在必然的联系，地压变化时，智能锚杆即可监测到应力的变化和所发生的瞬时应力波。

地压传感器，可实时采集围岩内部应力变化，采集数据位单位为牛顿，可直接反映出地压活动引起的围岩应力变化。从高频的应力变化数据中，可分离出瞬时应力波基础数据，包括瞬时应力波到达传感器的起振时间，波形特征等基本信息，可反演瞬时应力波的发生位置、振级、能量、应力波类型等波源信息。

传感器触发，采集到的应力数据和瞬时应力波数据，信号处理部分包括前项通道、程控放大器和A/D转换器，在程序控制下对传感器模拟信号提取放大，并进行模/数转换。微处理器负责控制系统各部分器件的工作并对数字信号进行处理。无线发射电路在微处理器的控制下，由编码器将采集到的信息数据进行相应的编码和处理，并用发射模块发射出去。

数据接收部分由无线接收电路、微处理器和显示部分组成，在微处理器控制下接收无线电传来的数据。当一组格式数据接收完毕后，由接收电路里的解码器对格式数据进行解码，获取当前的地压监测信息，然后将监测数据与井口光缆连接达到与地面数据系统的无缝连接。

井上数据分析系统预警体系，系统主要包括：计算机主机处理器、系统数据分析与处理系统以及网络预警系统。井下地压监测数据快速传输到主机处理器，软件首先对信号进行分离为独立的应力监测数据和瞬时应力波监测数据。基于应力监测数据可以反映围岩应力变化规律；基于瞬时应力波数据，可以对振动波源进行定位、分析。软件内嵌的预警方法，基于岩应力变化和瞬时应力波数据，计算不同预警参数。结合多元参数预警理论，对地压活动进行精确同步预警。

具体实施例的工作原理是：

围岩锚杆应力波定位监测系统的工作原理是，集成在锚杆端部的应力、瞬时应力波传感器，采集围岩内部细微的应力变化，接收瞬时应力波事件的地震波信息。

系统授时系统，采用GPS直接对中心服务器授时，减少授时系统中GPS接受机芯片的数量，消除了井下客户端无法接受到GPS信号的缺陷。授时信号在有线、无线以太网中，传输速率非常快，授时服务器输出的时间在传输中的延时非常小，授时服务器输出的时间完全满足各监测台对时间精度的要求。

地压活动时，围岩内的应力呈现复杂的非线性变化，结合矿压理论、统计理论、数学理论，利用围岩应力变化规律反演地压活动类型和强度，通过设定监测的不同阈值，可以对地压灾害实现预警。

地压活动必然伴随着岩石破裂事件，岩体结构在地压活动作用下产生破裂(微破裂)过程时所释放出瞬时应力波。地压传感器可以接收到瞬时应力波引起的微小应力变化，同时采集相关参数。以地下岩体破裂瞬时应力波为对象，采集应力波信号，通过对波源信号的处理分析，可以实现波源定位，根据瞬时应力波的发生的频率，能力累积等指标可以对地压灾害实现预警。

锚杆监测数据，前端微处理器可以直接对数据进行分离，并以无线的方式发送出去，实现实时自动采集的功能，矿井下数据的实时无线传输与交换，与井口光缆连接达到与地面数据系统的无缝连接。监测预警软件联合两种地压监测方法，实现井下和井上地压及动力灾害的同步预警功能。

围岩锚杆应力波定位监测系统，可在矿山地压监测中发挥监测预警的作用。系统具有运行费用低，寿命长、投资额度小、关键部件可回收使用、设备维护方便等优势，可以代替传统的瞬时应力波监测设备和应力、应变监测设备。最大限度节省了成本，降低了安装、使用难度。可以科学准确实现矿山地压灾害预警，具有很高的工程应用价值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种围岩锚杆应力波定位监测系统，其特征在于，包括固定于井下巷道或采空区的锚杆，所述锚杆的尾端设有地压传感器和无线发射器；

还包括设于井下的无线接收器和中继器；

还包括设于井上的中继器、预警软件计算机、服务器和客户计算机。

2.根据权利要求1所述的围岩锚杆应力波定位监测系统，其特征在于，所述井下巷道或采空区同区域由多根锚杆组成一个锚杆监测矩阵。

3.根据权利要求2所述的围岩锚杆应力波定位监测系统，其特征在于，所述预警软件计算机设有中心时钟系统，所述中心时钟系统对各中继站进行授时，所述中继站联系各锚杆进行授时，保持整个监测系统时间统一。

4.根据权利要求3所述的围岩锚杆应力波定位监测系统，其特征在于，所述地压传感器实时监测围岩应力变化和瞬时应力波，包括本身的锚固力变化值和岩石破裂瞬时应力波数据。

5.根据权利要求4所述的围岩锚杆应力波定位监测系统，其特征在于，所述地压传感器的采集频率满足瞬时应力波事件的频率，应力采集方式为等间时间间隔，瞬时应力波信息采集方式为触发式。

6.根据权利要求5所述的围岩锚杆应力波定位监测系统，其特征在于，所述预警软件计算机对采集地压数据进行过滤、统计、分析，内嵌多种监测预警指标，能够分享围岩地压变化规律和趋势、对岩石破裂瞬时应力波事件进行定位、对地压活动及其灾害进行预测预警。

7.根据权利要求1至6任一项所述的围岩锚杆应力波定位监测系统，其特征在于，所述锚杆的尾端还设有电池模块和充电接口。