CN111830580A - 矿井突水垂直电性源tem实时监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统，将发射导线AB放置在矿区正中心部位设置的垂直钻孔内，发射机向发射导线AB提供阶跃电流，通过信号传输线连接中央总控系统，在地面上与巷道内布设数据采集站与三分量磁探头，多个三分量磁探头共用一个数据采集站，数据采集站将三分量磁探头的探测数据通过信号传输线传输至中央总控系统；这样中央总控系统对接收的探测数据进行处理解释，将探测数据形成视电阻率断面图，判断矿区巷道掘进前方与煤层回采时顶底板处是否含有突水致灾区，如若存在，则通过时深转换，确定突水致灾区的横向、纵向位置，实时将处理结果进行动态显示，以实时监测巷道掘进过程或煤层回采过程中的突水状况。
Description
技术领域
本发明涉矿井水害探测技术领域，尤其涉及一种矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统。
背景技术
在矿井水害探测领域，目前应用效果较好的方法是直流电法和瞬变电磁法。此前我国矿井水的探测主要是在建设新矿井和开辟新工作面时采取钻探、物探的方法进行，缺乏在采掘过程中更有效的实时探测手段，而且超前探放水的施工对掘进速度的影响也比较大。因此，研究一种能够实时监测矿井突水的监测预警系统势在必行。
在突水灾害实时监测方面，中煤科工集团西安研究院研制了基于水温、水压和应力传感器的监测预警系统，已在许多矿井得到应用。但目前探测水平仍无法完全满足工程实践要求，缺乏对水情的高精度实时探测预报和水害的有效监测预警。为了提高矿井突水灾害的预测能力，加强对地质变化的动态监测，近几年一些国内学者提出了不同的监测手段。姜福兴等运用高精度微震监测技术对大断层、陷落柱等隐伏构造进行实时监测，从而实现对突水危险的预测预报。刘志新等提出了利用环工作面电磁法对煤层底板突水进行监测的方法技术，并根据数值模拟确定了预警阈值。唐守锋使用声发射原理探测岩体应力变化、井下水压变化等突水前兆，并提取特征信息进行突水监测预报。李鹏提出了可接入标准工业以太网的高密度电法监控系统，对矿井水文地质条件进行动态监测。李凯出了基于地下磁流体探测的煤矿水害监测预警方法，通过探查地下水、老空区、导水断裂带的分布情况对突水隐患进行实时监测。于景邨等设计了煤矿灾害水源井下瞬变电磁探测实时处理与连续对比系统，从软件层面对突水监测信息的实时处理方法进行了研究。姜志海等提出矿井突水地面-巷道瞬变电磁实时探测系统。该系统利用多通道瞬变电磁探测技术实现多点全方位的数据并行采集，并实现探测数据的实时传输，通过三维可视化和远程访问平台的搭建，可对探测数据进行实时采集、处理、分析与展示，达到突水异常超前预测预警的目的。目前，用于实时探测采动岩体破坏的电法与电磁法、微震与声发射监测，基本还未实现网络化。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统。
为实现本发明的目的，提供一种矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统，包括中央总控系统、信号传输系统、永久发射站、数据采集站、信号传输线和多个三分量磁探头；所述永久发射站包括发射机，发射导线AB；所述发射导线AB包括A端和B端；
所述发射导线AB放置在矿区正中心部位设置的垂直钻孔内，所述发射导线的A端位于垂直钻孔的地表，并连接所述发射机，发射导线的B端位于垂直钻孔的孔底，所述发射机向发射导线AB提供阶跃电流；所述发射机通过信号传输线连接中央总控系统；
所述数据采集站与三分量磁探头布设在地面与巷道内，各个三分量磁探头通过信号传输线连接一个数据采集站，所述三分量磁探头将探测得到的探测数据传输至对应的数据采集站，使相应的数据采集站将探测数据通过所述信号传输系统传输至所述中央总控系统；
所述中央总控系统对接收的探测数据进行处理解释，将探测数据形成视电阻率断面图，判断矿区巷道掘进前方与煤层回采时顶底板处是否含有突水致灾区，通过时深转换，确定突水致灾区的横向、纵向位置，实时将处理结果进行动态显示，以实时监测巷道掘进过程或煤层回采过程中的突水状况。
在一个实施例中，上述矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统，还包括：所述中央总控系统将最终处理好的数据进行存储，用于与后续所采集数据进行对比以连续监测，为矿区的正常生产提供安全保障。
在一个实施例中，所述发射导线AB，是对金属套管通电而形成的线电流源；所述垂直钻孔大于监测煤层深度的1.5倍。
在一个实施例中，各个三分量磁探头连接配套的数据采集站，由数据采集站将探测数据通过所述信号传输系统传输至所述中央总控系统；若信号传输系统出现故障，通过人工在数据采基站收集数据；所述三分量磁探头分别布设在地面上与地下巷道内。
具体地，所述相邻两个三分量磁探头之间相距10米。
上述矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统，将发射导线AB放置在矿区正中心部位设置的垂直钻孔内，A端位于地表，并连接发射机，B端位于孔底，这样发射机向发射导线AB提供阶跃电流，发射机通过信号传输线连接中央总控系统，数据采集站与三分量磁探头布设在地面与巷道内，多个三分量磁探头通过信号传输线连接一个数据采集站，三分量磁探头将探测得到的探测数据传输至对应的数据采集站，使相应的数据采集站将探测数据通过信号传输系统传输至所述中央总控系统；这样中央总控系统对接收的探测数据进行处理解释，将探测数据形成视电阻率断面图，判断矿区巷道掘进前方与煤层回采时顶底板处是否含有突水致灾区，如若存在，则通过时深转换，确定突水致灾区的横向、纵向位置，实时将处理结果进行动态显示，以实时监测巷道掘进过程或煤层回采过程中的突水状况，其中发射导线AB垂直地面设在矿区中心的竖井(垂直钻孔)中，在地面上和待测区域的巷道接收，利用GPS系统，使发射导线AB和三分量磁探头同步发射接收，垂直电性源瞬变电磁实时监测系统能够网络化对隐蔽突水致灾区进行全方位实时连续监测及有效预警，从而实现对突水点位置的实时判断，对减少和避免突水事故以及突水的快速治理具有重要意义。
附图说明
图1是一个实施例的矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统示意图；
图2是一个实施例的地下三分量磁探头与地下数据采集站布设关系图；
图3是一个实施例的矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统工作过程示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
在一个实施例中，提供一种矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统，包括中央总控系统、信号传输系统、永久发射站、数据采集站、信号传输线和多个三分量磁探头；所述永久发射站包括发射机，发射导线AB；所述发射导线AB包括A端和B端；
所述发射导线AB放置在矿区正中心部位设置的垂直钻孔内，所述发射导线的A端位于垂直钻孔的地表，并连接所述发射机，发射导线的B端位于垂直钻孔的孔底，所述发射机向发射导线AB提供阶跃电流；所述发射机通过信号传输线连接中央总控系统；
所述数据采集站与三分量磁探头布设在地面与巷道内，各个三分量磁探头通过信号传输线连接一个数据采集站，所述三分量磁探头将探测得到的探测数据传输至对应的数据采集站，使相应的数据采集站将探测数据通过所述信号传输系统传输至所述中央总控系统；
所述中央总控系统对接收的探测数据进行处理解释，将探测数据形成视电阻率断面图，判断矿区巷道掘进前方与煤层回采时顶底板处是否含有突水致灾区，通过时深转换，确定突水致灾区的横向、纵向位置，实时将处理结果进行动态显示，以实时监测巷道掘进过程或煤层回采过程中的突水状况。
上述矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统，将发射导线AB放置在矿区正中心部位设置的垂直钻孔内，A端位于地表，并连接发射机，B端位于孔底，这样发射机向发射导线AB提供阶跃电流，发射机通过信号传输线连接中央总控系统，数据采集站与三分量磁探头布设在地面与巷道内，多个三分量磁探头通过信号传输线连接一个数据采集站，所述三分量磁探头将探测得到的探测数据发射至对应的数据采集站，使相应的数据采集站将探测数据通过所述信号传输系统传输至所述中央总控系统；这样中央总控系统对接收的探测数据进行处理解释，将探测数据形成视电阻率断面图，判断矿区巷道掘进前方与煤层回采时顶底板处是否含有突水致灾区，如若存在，则通过时深转换，确定突水致灾区的横向、纵向位置，实时将处理结果进行动态显示，以实时监测巷道掘进过程或煤层回采过程中的突水状况，其中发射导线AB垂直地面设在矿区中心的竖井(垂直钻孔)中，在地面上和待测区域的巷道接收，利用GPS系统，使发射导线AB和三分量磁探头同步发射接收，垂直电性源瞬变电磁实时监测系统能够网络化对隐蔽突水致灾区进行全方位实时连续监测及有效预警，从而实现对突水点位置的实时判断，对减少和避免突水事故以及突水的快速治理具有重要意义。
在一个实施例中，上述矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统，还包括：所述中央总控系统将最终处理好的数据进行存储，用于与后续所采集数据进行对比以连续监测，为矿区的正常生产提供安全保障。
本实施例在地面上建立中央总控系统，中央总控系统的作用：一是用于系统总体的宏观调度与维护；二是进行数据处理并解释。上述中央总控系统对接收到的数据进行处理解释，将数据形成视电阻率断面图，判断巷道掘进前方与煤层回采时顶底板处是否含有突水致灾区，如若存在，则通过时深转换，确定突水致灾区的横向、纵向位置，实时将处理结果进行动态显示，可以实时监测巷道掘进过程或煤层回采过程中的突水状况，并把最终处理好的数据进行存储，用于与后续所采集数据进行对比以连续监测，为煤矿的正常生产提供安全保障。
在一个实施例中，所述发射导线AB是对金属套管通电而形成的线电流源，A位于地表，B位于钻孔底部；所述垂直钻孔大于煤层深度的1.5倍。
具体地，各个三分量磁探头连接配套的数据采集站，由数据采集站将探测数据通过所述信号传输系统传输至所述中央总控系统；若信号传输系统出现故障，通过人工在数据采基站收集数据；所述三分量磁探头分别布设在地面上与地下巷道内。
具体地，所述相邻两个三分量磁探头之间相距10米，多个三分量磁探头连接一个所述数据采集站，布设关系如图2。
本实施例在矿区正中心部位施工一垂直钻孔，孔内放置AB电极，A(发射源A)位于地表，B(发射源B)位于孔底，或使用金属套管AB做线电流源，二者皆称为发射导线AB，发射导线AB具体采用二者中的哪一种，由现场施工难易程度而定，一般情况下，采用对金属套管AB通电的方式来做发射导线AB。孔深依据待监测煤层垂向位置而定，应大于煤层深度的1.5倍，譬如煤层于地下800米处，钻孔要深于1200米。
在一个实施例中，上述矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统利用GPS对永久发射站与接收系统同时进行校准授时，永久发射站的发射导线AB开始以固定时间间隔发射阶跃波，产生一次场信号，同时控制地面与地下三分量磁探头开始记录感应的二次场信号，数据采集站通过信号传输线将记录的信号进行收集并存储，然后通过信号传输系统传输至地面中央总控系统，以此完成数据采集的工作。矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统的结构可以参考图1所示。其中地下三分量磁探头与地下数据采集站布设可以参考图2所示。相应的工作过程可以参考图3所示，包括：
(1)在矿区正中心部位施工一垂直钻孔，孔内放置AB电极，A位于地表，B位于孔底，或使用金属套管AB做线电流源，二者皆称为发射导线AB，发射导线AB具体采用二者中的哪一种，由现场施工难易程度而定，一般情况下，采用对金属套管AB通电的方式来做发射导线AB。孔深依据观测垂向位置而定，应大于煤层深度的1.5倍，譬如煤层于地下800米处，钻孔要深于1200米；
(2)永久发射站的建立：将发射导线AB置于钻孔内，与地面垂直，并连接发射机，在此基础上建立永久发射站，永久发射站由发射机和发射导线AB构成，发射机可向发射导线AB供阶跃电流，永久发射站通过信号传输线与中央总控系统相连，直接受其调控；
(3)在地面上建立中央总控系统，中央总控系统的作用：一是用于系统总体的宏观调度与维护；二是进行数据处理并解释；
(4)布设三分量磁探头，分别在地面上与地下巷道内布设三分量磁探头，相邻两个三分量磁探头之间相距10米；
(5)布设数据采集站，数据采集站与三分量磁探头置于同处，多个三分量磁探头共用一个数据采集站，数据采集站将三分量磁探头接收到的信号通过信号传输线进行采集、存储；
(6)建立信号传输系统，信号传输系统用于传输中央总控系统发出的讯息，并将数据采集站存储的信号输送至地面中央总控系统进行处理，若信号传输系统出错，还可以通过人工的方式将存储的信息提取；
(7)建立接收系统，将接收机置于中央总控系统内，接收系统由所有的三分量磁探头、数据采集站、接收机构成，三者通过信号传输系统连接，受中央总控系统调控，三分量磁探头与数据采集站布设关系如图2。
(8)中央总控系统通过信号传输系统，对永久发射站与接收系统进行控制；
(9)利用GPS对永久发射站与接收系统同时进行校准授时，永久发射站的发射导线AB开始以固定时间间隔发射阶跃波，产生一次场信号，同时控制地面与地下三分量磁探头开始记录感应的二次场信号，数据采集站通过信号传输线将记录的信号进行收集并存储，然后通过信号传输系统传输至地面中央总控系统，以此完成数据采集的工作；
(10)中央总控系统对接收到的数据进行处理解释，将数据形成视电阻率断面图，判断巷道掘进前方与煤层回采时顶底板处是否含有突水致灾区，如若存在，则通过时深转换，确定突水致灾区的横向、纵向位置，实时将处理结果进行动态显示，可以实时监测巷道掘进过程或煤层回采过程中的突水状况，并把最终处理好的数据进行存储，用于与后续所采集数据进行对比以连续监测，为煤矿的正常生产提供安全保障。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统，其特征在于，包括中央总控系统、信号传输系统、永久发射站、数据采集站、信号传输线和多个三分量磁探头；所述永久发射站包括发射机，发射导线AB；所述发射导线AB包括A端和B端；
所述发射导线AB放置在矿区正中心部位设置的垂直钻孔内，所述发射导线的A端位于垂直钻孔的地表，并连接所述发射机，发射导线的B端位于垂直钻孔的孔底，所述发射机向发射导线AB提供阶跃电流；所述发射机通过信号传输线连接中央总控系统；
所述数据采集站与三分量磁探头布设在地面与巷道内，各个三分量磁探头通过信号传输线连接一个数据采集站，所述三分量磁探头将探测得到的探测数据传输至对应的数据采集站，使相应的数据采集站将探测数据通过所述信号传输系统传输至所述中央总控系统；
所述中央总控系统对接收的探测数据进行处理解释，将探测数据形成视电阻率断面图，判断矿区巷道掘进前方与煤层回采时顶底板处是否含有突水致灾区，通过时深转换，确定突水致灾区的横向、纵向位置，实时将处理结果进行动态显示，以实时监测巷道掘进过程或煤层回采过程中的突水状况。
2.根据权利要求1所述的矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统，其特征在于，还包括：所述中央总控系统将最终处理好的数据进行存储，用于与后续所采集数据进行对比以连续监测，为矿区的正常生产提供安全保障。
3.根据权利要求1所述的矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统，其特征在于，所述发射导线AB，是对金属套管通电而形成的线电流源；所述垂直钻孔大于监测煤层深度的1.5倍。
4.根据权利要求1所述的矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统，其特征在于，各个三分量磁探头连接配套的数据采集站，由数据采集站将探测数据通过所述信号传输系统传输至所述中央总控系统；若信号传输系统出现故障，通过人工在数据采基站收集数据；所述三分量磁探头分别布设在地面上与地下巷道内。
5.根据权利要求4所述的矿井突水垂直电性源TEM实时监测系统，其特征在于，所述相邻两个三分量磁探头之间相距10米。
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