CN108490502A - 矿山探测系统及其探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿山探测系统，包括信号发射器，其包括光纤激光器和超声机械震源器，光纤激光器的光栅波长为1550～1580nm，超声机械震源器的超声波频率为200～300KHz；固定装置；信号采集器，设于固定装置的一端，信号采集器包括多个间隔设置的光纤光栅传感器和超声波检波器，用于收集激光波信号和超声波信号；信号转化器，设于固定装置另一端，用于转换所有信号并发送给微处理器；微处理器，用于处理得到检测数据；终端装置，用于将检测得到的时频特征、功率谱能量分布进行比对分析并显示。本发明采用光纤光栅和超声技术作为信号传感装置，从而提高传感器灵敏度，使其不仅可快速准确识别地下不明采空区还可监测围岩失稳。

Description

矿山探测系统及其探测方法

技术领域

本发明涉及矿山探测领域。更具体地说，本发明涉及一种不明采空区探测装置与方法。

背景技术

固体矿包括煤矿、金属矿、非金属矿等等。上个世纪末，我国矿业开采秩序较为混乱，非法无序的乱采滥挖在一些矿山及其周边留下了大量的采空区。一些厚大矿体金属矿山的独立空区体积达数万立方米至数十万立方米，不少矿山矿区相继从局部突然崩落发展到大范围的突然崩落并引起地表大范围的岩移。由于矿井的地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，采空区引起的煤矿灾害屡屡发生。因此，勘查地下采空区的分布范围、空间形态特征，及时为矿区施工开采提供安全信息,确保生产过程中人员和设备的安全，必须通过监控量测实现信息化监测。通过超前预报和监控量测可以帮助掌握围岩地压发展动态，对施工有影响的顶板冒顶、巷道片帮地压活动等情况，提前报警，以便安全施工。其次，对巷道施工存在安全隐患的段，及时变更设计和施工方案。最后，可准确探测煤矿采空区水文地质条件，一些地区采空区强富水性严重威胁着煤矿的安全生产，为了及时查清采空区或工作面前方采空积水情况，保证煤矿安全生产。

当前，矿山探测系统常用于识别矿井的地下采空区和岩溶。传近年来，对围岩地质变形和稳定的监测越来越受到重视，同时由于某些井工煤矿地层中的砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、煤的电阻率变化较大，造成传统探测精度不高，并且传统的直流电探测方法的探测有效范围较小，需要多次探测，劳动量较大。同时，传统矿井空区测量均属于有限离散点测量范畴，其测量范围小，难以实现区域性观测；测量耗费时间长，实时响应差，且均通过为数不多的测点来拟合检测对象的连续形变，难以观测到巷道的非连续性变形、突发性变形以及破坏的初始位置。因此，发明一种同时识别地下采空区和预警围岩失稳的矿山探测系统尤为重要。

发明内容

本发明的一个目的是解决上述问题，并提供后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种矿山探测系统，克服了现有技术中传统矿井空区测量仪测量范围小，仅能识别地下采空区和岩溶，而难以判断巷道变形和进行围岩稳定性监测的问题，提供一种同时识别地下采空区和预警围岩失稳的矿山探测系统，矿山探测系统同时采用光纤光栅和超声技术作为信号传感装置，从而提高光纤光栅传感器的灵敏度，使其不仅可快速准确识别地下不明采空区还可监测围岩失稳。

本发明提供一种矿山探测系统，所述矿山探测系统包括：

信号发射器，其包括光纤激光器和超声机械震源器，其中，所述光纤激光器的光栅波长为1550～1580nm，所述超声机械震源器的超声波频率为200～300KHz；

固定装置，其用于固定与所述信号发射器连接的信号采集器；

信号采集器，其设于所述固定装置的一端，所述信号采集器包括多个间隔设置的光纤光栅传感器和超声波检波器，其用于收集所述信号发射器的所有激光波信号和超声波信号；

信号转化器，其设于所述固定装置的另一端，其用于转换所有激光波长信号和超声波长信号并发送给微处理器；

微处理器，其用于接收并处理信号转化器传输的数据得到检测数据；

终端装置，其用于将激光波信号与超声波信号分别检测得到的时频特征、功率谱能量分布的检测数据进行比对分析并显示。

其中，所述信号发射器包括光纤激光器和超声机械震源器，光纤激光器发射激光的光栅波长为1550～1580nm，这种激光信号热敏度更高，抗电磁干扰能力较强；而超声机械震源器发射超声波的频率为200～300KHz，这种超声波信号属于高频超声波，其定向好、穿透力极强。同时，激光信号波属于电磁波，超声信号波属于机械波，两种信号波属性和频率都不相同，不易相互干扰。

本发明中，所述光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。光纤光栅传感器可以实现对深度、应变等物理量的直接测量。光纤激光根据岩体的物理力学性能以及节理裂隙等构造情况，信号频率会随时间变化。围岩失稳发生后，激光频率可达70KHz，然后快速衰减。但是，井下巷道围岩内部由于原岩应力、巷道形状、构造、围岩松动圈厚度、监测位置各种因素的影响，巷道围岩失稳很难真实并且准确地测量，因此本发明采用超声波技术联用。

所述超声波检波器属于机械波传感器的一种，由于其原理为通过检测超声波发送与反射的时间差来计算矿井巷道形貌高度，但易受到超声波传播的能量损耗影响。其与光纤光栅传感器联用，通过比对两种信号的时频特征和功率谱能量分布可以准确确定空矿区及巷道形貌；其次，预先设定系统信号功率谱能量分布的预警阈值，将测得的数据与设定的预警阈值相比较从而监测围岩失稳情况。

所述信号采集器上布设的光纤光栅传感器和超声波检波传感器间隔排布，可减少两种信号波相互干扰及部分相互抵消，用于实现超声波和激光数据的更快度定时采集或实时采集。

本发明中，所述信号采集器设于所述固定装置的一端，所述信号转化器设于所述固定装置的另一端，这样设置两者不易相互干扰，且信号采集器收集的激光信号波和超声信号波可以快速传导至信号转化器进行转化，避免信号衰减从而降低检测的灵敏度。

本发明中，所述终端装置可为独立的计算机，或为与微处理器集成的大型中控中心。

所述微处理器包括检测数据处理器、检测数据存储器和通信装置，通信装置可为蓝牙装置或其他无线网络装置。

较佳地，所述微处理器还包括电源管理系统，所述电源管理系统控制所述信号采集器内部芯片直流电压为3～5V，较佳地，控制电压为3.5～4.5V。

所述信号转化器与所述微处理器之间由所述通信传递系统相连接，较佳地，所述信号转化器与所述数据处理系统之间由所述通信传递系统相连接；

所述红外测距仪与所述微处理器之间由所述通信传递系统相连接，较佳地，所述红外测距仪与所述深度测量系统之间由所述通信传递系统相连接；

所述数据处理系统、深度测量系统和存储器系统的输入端分别与多台终端装置的输出端相连接；所述存储器系统用于存储监测数据，所述终端装置用于调用存储的监测数据。

较佳地，所述微处理器电源输出端接入电容滤波器，抑制数字信号产生的脉冲干扰；更佳地，所述装置采用分立式供电，使得整个系统的供电经过变压后直接送给各个系统电路整流、滤波、稳压。从而消除各系统电路间的电源线、地线间的耦合干扰，又提高供电质量，增大了散热效果。

本发明中，矿山探测系统进行探测的方法的具体步骤为：

步骤一、将待监测区域内沿一水平线依次间隔布设所述信号发射器5～30个，所述光纤激光器发射激光传导至光纤光栅传感器，所述光纤激光器发射激光的光栅波长为1550～1580nm，所述超声机械震源器发射超声波传导至超声波检波器，所述超声机械震源器发射超声波频率为200～300KHz；

步骤二、所述信号采集器通过多芯通信电缆将实时激光波长信号和超声波长信号经过信号转化器转换后成为光信号，由主光缆传导至所述微处理器；

步骤三、所述微处理器对所述信号转化器的信号进行处理：微处理器主程序流程首先进行初始化；然后输入采样光信号并进行相关运算，计算出激光波信号和超声波信号的时频特征和功率谱能量分布；最后进行数据传输；

其中，所述微处理器的通信装置收到所述终端装置开始测量指令后，首先由检测数据处理器中数据由零开始初始化，然后接收并计算信号转化器中传送的数据，然后等待终端装置指令，见图2；

所述微处理器的通信装置收到所述终端装置结束测量指令后，检测数据处理器将数据传输并存储至所述检测数据存储器中，同时通过通信装置传送并显示到终端装置，见图2；

步骤四、终端装置将激光波信号与超声波信号的时频特征、功率谱能量分布进行比对，判断矿井形貌；再将激光波信号与超声波信号的功率谱能量分布与设定的预警阈值进行比对，监测围岩失稳。

本发明建立在波的反射、折射理论基础上，反射波和折射波可以有效的识别井下矿道形貌，从而有效发现孤立的溶洞和确定岩壁力学状态。监测区域内沿一水平线依次间隔布设所述信号发射器，发射信号波长遇到不同的波阻抗界面时(例如岩石、矿道、水源)，在界面处会发生反射，透射(折射)等现象，这些在不同波阻抗界面发生反射、透射(折射)的激光波长信号和超声波长信号可被排列于信号发射器上的光纤光栅传感器和超声波检波器所接收，从而形成可用于判断岩壁形貌和围岩失稳的原始数据。

本发明中，所述矿山探测系统工作环境温度为0～100℃，相对湿度为＜98％，大气压力为80～110kPa。

所述矿山探测系统测量深度范围为0～20m，测量精度为0.1～0.5mm。

本发明中，所述信号发射器的安装位置为废弃的井筒岩层、地面钻孔、水平大巷顶板煤岩层、上山顶板煤岩层、本工作面前方或后方采区平巷顶板煤岩层、相邻工作面采区平巷顶板煤岩层等，形成微震监测台网，对全矿井或重点区域实行24h实时在线监测。

较佳地，本发明使用的光纤激光器为DFB分布反馈式激光器，这种激光器为窄带激光器，其带宽非常小，相干性好，运行稳定；运行时的波长、功率稳定性强，并且DFB分布反馈式激光器其输出激光为部分偏振光，可以通过在光路中外加其他偏振器件比如三环偏振控制器或光纤起偏器等方式改善干涉结果，使得干涉结果更为稳定，受偏振态变化的影响更小。其中心波发射的光波波长为1550～1580nm的偏振光，带宽小于200kHz，输出功率大于或等于100mW，输出光波长稳定性在+1pm，功率稳定性在+0.01dB。

较佳地，本发明使用的光纤光栅传感器为光纤环传感器，这种传感器结构为光栅波长为1550～1580nm的单模光纤绕制成规律的环形并紧密排列，形状类似为空心的圆柱体，光纤所绕层数可根据具体的使用情况而定；光纤环内径不得小于30mm，光纤总长度大于60M，可视使用精度要求延长光纤长度，层与层之间用特定的耦合粘剂进行粘合，要求通过光纤环的光衰减不得大于0.2dBm。

较佳地，本发明固定装置上端设置有瓦斯含量检测器，所述信号发射器的上端设置有控制面板，且控制面板的左端设置有生命探测仪，所述信号发射器内部设有激光扫描仪，所述固定装置上设置有探照灯和摄像机，且其下端设置有红外测距仪。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明的矿井监测设备采用光纤光栅传感器和超声波传感器同时进行监测，其具有易变形、体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、抗干扰能力强、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且信号采集器上布设的光纤光栅传感器和超声波检波传感器间隔排布，可减少两种信号波相互干扰及部分相互抵消，用于实现超声波和激光数据的更快度定时采集或实时采集。

本发明系统相比较于单纯光纤光栅作为传感器构成的探测器，具备多点测量以及定位声发射源的能力。并且本发明所述的系统具有更高的信噪比，更低廉的成本，对微弱局部放电信号检出率更好。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明矿山探测系统的结构示意图；

图2为本发明矿山探测系统的微处理器中程序运行流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例的矿山探测系统设有信号发射器10个，如图1所示，矿山探测系统中包括信号发射器、信号采集器1、固定装置2、信号转化器3、微处理器4和终端装置5(微处理器4和终端装置5可集成)。信号采集器1的形状为柱状体，在信号采集器1侧壁附有传感器网络装置，传感器网络装置由5个光纤光栅加速度传感器和5个超声波检波传感器间隔组成。

根据矿山探测系统探测矿井步骤如下：

步骤一、将井下待监测区域内沿一水平线依次间隔布设所述信号发射器10个，光纤激光器发射激光传导至光纤光栅传感器，光栅波长为1550nm，超声机械震源器增敏封装传感器感应板状待测试样表面某一点的声波信号，超声波频率为200KHz，声波信号转成电信号传至超声波检波器；

步骤二、信号采集器将矿井特征通过多芯通信电缆将实时光纤光栅谐振波长信号和超声波长信号经过信号转化器转换后成为光信号，经光纤交换机由主光缆传导至地面微处理器；

步骤三、微处理器对信号采集器的信号进行处理：微处理器主程序流程首先进行初始化；然后输入采样光信号并进行相关运算，计算出激光波信号和超声波信号的时频特征和功率谱能量分布；最后进行数据传输；

微处理器收到测量指令后，首先读取数据并将所述信号采集器数据清零，然后等待终端装置指令；微处理器收到所述终端装置结束测量指令后，读取数据并将数据存储至所述检测数据存储器中并回传终端装置，具体运行流程参见图2；

步骤四、终端装置将实时监测的光纤光栅谐振波长变化与试验得出的超声谐振波长变化规律进行实时比对，判断矿井地质和监测围岩失稳。如果出现误差较大，则需要对数据做后期处理。

实施例2

本实施例中，信号发射器设置10个，其中光纤激光器5个，光栅的波长为1580nm；超声震源器5个，超声波频率为300KHz。信号接收器设置10个，其中光纤传感器5个，超声波检波器5个。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

本实施例中，信号发射器设置5个，其中光纤激光器3个，光栅的波长为1550nm；超声震源器2个，超声波频率为200KHz。信号接收器设置5个，其中光纤传感器3个，超声波检波器2个。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例4

本实施例中，信号发射器设置30个，其中光纤激光器15个，光栅的波长为1580nm；超声震源器15个，超声波频率为300KHz。信号接收器设置20个，其中光纤传感器10个，超声波检波器10个。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例5

本实施例中，信号发射器设置20个，其中光纤激光器10个，光栅的波长为1550nm；超声震源器10个，超声波频率为200KHz。信号接收器设置20个，其中光纤传感器10个，超声波检波器10个。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

比较例1

在以上的实施例1中，信号发射器只设置光纤激光器发射器5个，同时信号采集器只设置光纤光栅加速度传感器5个。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

比较例2

在以上的实施例1中，信号发射器只设置超声震源器5个，同时信号采集器只设置超声波检波器5个。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

实施例1～5和比较例1～2具体参数设置参照表1。

表1各组信号发射器和信号接收器设置情况

为了验证本发明的效果，发明人采用本发明实施例制备的矿山探测系统进行了测试，测试情况如下。

将光电检测器、微处理器4和终端装置5通过电缆相连，同时信号发射器与信号接收器通信相连，构成用于测试本发明的矿山检测系统。

选取矿井模型进行检测(有精确尺寸)，为增加检测难度，本发明在矿井模型中注入水，形成水质形貌的矿井模型，并在不同检测环境中进行检测。在检测过程中，每个采样点检测100次取平均值。实施例1～5和比较例1～2检测环境和检测结果参照表2。

表2各组检测环境和检测结果

在表1中，实施例1～5信号采集器反馈时间不低于10s，而比较例1～2中在传感器仅有5个的情况下，反馈时间仍超过30s，说明同时采用光纤光栅和超声技术作为信号传感装置相比于传统检测装置测量耗费时间短，实时响应灵敏。

在表2中，最大检测深度为矿山探测系统信息发射器和信息接收器在不影响一定检测精度条件下最大检测距离，检测精度是指最低检测线。由表2可见，实施例1～5同时采用光纤光栅和超声技术作为信号传感装置在采样点检测到了信号，灵敏度高，信号失真低。相反比较例1仅使用光纤光栅传感装置其测量范围小，难以实现区域性观测；比较例2仅使用超声波传感装置其信号易被周围的岩石散射，测量准确度难以保证。根据理论数值，岩体应力比≥0.5时，岩体稳定；相反岩体应力比＜0.5时，岩体拱体极易受周围环境影响产生坍塌，实施例1～5可以在确定巷道形貌同时还可监测出围岩失稳状态，这说明在检测发射信号激光光栅波长为1550～1580nm、超声波频率200～300KHz的条件下，可以准确监测出围岩失稳状态从而达到矿井坍塌预警作用。

不仅如此，通过实施例1～5说明本发明矿山探测系统工作环境温度可为0～100℃，相对湿度为＜98％，大气压力为80～110kPa；探测装置测量深度范围为0～20m，测量精度为0.1～0.5mm。并且信息发射器和信息接收器设置越多，其相应探测速度越快，检测精度越高，噪声干扰越小。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例和实施例。

Claims (7)

1.一种矿山探测系统，其特征在于，包括：

信号发射器，其包括光纤激光器和超声机械震源器，其中，所述光纤激光器的光栅波长为1550～1580nm，所述超声机械震源器的超声波频率为200～300KHz；

固定装置，其用于固定与所述信号发射器连接的信号采集器；

信号采集器，其设于所述固定装置的一端，所述信号采集器包括多个间隔设置的光纤光栅传感器和超声波检波器，其用于收集所述信号发射器的所有激光波信号和超声波信号；

信号转化器，其设于所述固定装置的另一端，其用于转换所有激光波信号和超声波信号并发送给微处理器；

微处理器，其用于接收并处理信号转化器传输的数据得到检测数据；

终端装置，其用于将激光波信号与超声波信号分别检测得到的时频特征、功率谱能量分布的检测数据进行比对分析并显示。

2.根据权利要求1所述的矿山探测系统，其特征在于，所述微处理器包括检测数据处理器、检测数据存储器和通信装置，其中，所述检测数据处理器用于检测得到激光波信号和超声波信号的时频特征和功率谱能量分布。

3.根据权利要求2所述的矿山探测系统，其特征在于，所述信号转化器连接所述通信装置，所述通信装置与所述终端装置连接。

4.根据权利要求1所述的矿山探测系统，其特征在于，所述微处理器与所述终端装置连接。

5.一种根据权利要求1所述的矿山探测系统进行探测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将待监测区域内沿一水平线依次间隔布设所述信号发射器5～30个，所述光纤激光器发射激光传导至光纤光栅传感器，所述光纤激光器发射激光的光栅波长为1550～1580nm；所述超声机械震源器发射超声波传导至超声波检波器，所述超声机械震源器发射超声波频率为200～300KHz；

步骤二、所述信号采集器通过多芯通信电缆将实时激光波信号和超声波信号经过信号转化器转换后成为光信号，由主光缆传导至所述微处理器；

步骤三、所述微处理器对所述信号转化器的信号进行处理，通过运算计算出所述激光波信号和所述超声波信号的时频特征和功率谱能量分布，并将得到的数据存储至所述检测数据存储器中并通过通信装置回传终端装置；

步骤四、所述终端装置将激光波信号与超声波信号分别检测得到的时频特征、功率谱能量分布进行比对，判断矿井形貌；再将激光波信号与超声波信号的功率谱能量分布与设定的预警阈值进行比对，监测围岩失稳。

6.根据权利要求5所述的矿山探测系统进行探测的方法，其特征在于，所述矿山探测系统进行检测的工作环境温度为0～100℃，相对湿度为＜98％，大气压力为80～110kPa。

7.根据权利要求5所述的矿山探测系统进行探测的方法，其特征在于，所述矿山探测系统进行检测的测量深度范围为0～20m，测量精度为0.1～0.5mm。