CN113009558B - 一种用于防地表矿体盗采的微震监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于防地表矿体盗采的微震监测系统，包括传感器单元、采集单元和数据接收中心，传感器单元包括传感器装置和信号发射设备，传感器装置包括传感器和安装构件，传感器固定在安装构件中，每一传感器通过线缆和一个信号发射设备相连，通过信号发射设备发射传感器接收到的信号，采集单元包括采集仪和信号接收设备，多个采集仪并排且等距分布，多个传感器均匀排布在多个采集仪周围，采集仪收集信号发射设备发射的信号并输出信号，采集仪通过信号接收设备安装在地表以下，数据接收中心接收采集仪输出的信号，获取盗采信号盗采区域，用于对浅部表土及破碎岩体实现地表防盗采微震监测。
Description
技术领域
本发明涉及地表矿体防盗技术领域，具体涉及一种用于防地表矿体盗采的微震监测系统。
背景技术
微震监测技术是利用岩体破裂产生的微震信息来研究岩体结构和稳定性的一种实时、动态、连续的地球物理监测方法。其基本原理是，通过传感器接收岩体破裂产生的地震波信号，通过波形解析得到岩石破裂发生的位置、震级大小、能量及地震矩等信息，对监测对象的破坏及安全状况等做出评价，为预报和控制灾害提供依据。
微震监测技术以其区域性、实时性、全过程在线监测等优势，成为当前较为有效、极具发展前景的岩体灾害监测手段。其在工程上的应用领域主要是矿山岩爆灾害监测，尤其对于地应力极大，岩爆风险极高的深埋矿山，微震监测系统已逐步成为预防矿山动力灾害的必备监测手段。其次，在石油开采领域，通过监测水压制裂过程中储油或储气层产生的微震信号，获取压裂过程信息，来实现石油开采参数的优化。而在土木工程领域，微震监测技术在隧道、边坡及大坝等岩体稳定性监测方面也得到了广泛应用。
当前，对于浅埋的煤矿、铁矿及稀有的稀土矿、玉石等矿产资源，由于其分布范围广、经济价值高，常常遭到掠夺式的无序盗采，造成了国家矿产资源的流失，同时严重破坏了生态环境，更为重要的是为矿山生产带来了安全隐患。当前，安设摄像头和红外线等是防地表盗采的主要监测手段，但是这些手段往往是被动式监测，或具有错报频发的缺点，严重制约了其广泛应用。微震监测具有区域性、实时性及全过程性的特点，在深部岩体、岩质边坡或大坝等岩体的稳定性监测方面已得到了广泛应用，但在浅埋矿体的防盗采方面还未有应用。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明的目的是提供一种用于防地表矿体盗采的微震监测系统，用于对浅部表土及破碎岩体实现地表防盗采微震监测。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种用于防地表矿体盗采的微震监测系统，包括：
传感器单元，包括传感器装置和信号发射设备，所述传感器装置包括传感器和安装构件，所述安装构件设在浅部表土或破碎岩体中，所述传感器固定在所述安装构件中，每一所述传感器通过线缆和一个所述信号发射设备相连，通过所述信号发射设备发射所述传感器接收到的信号；
采集单元，包括采集仪和信号接收设备，多个所述采集仪并排且等距分布，多个所述传感器装置均匀排布在多个所述采集仪周围，所述采集仪收集所述信号发射设备发射的信号并输出信号，所述采集仪通过信号接收设备安装在地表以下；
数据接收中心，接收所述采集仪输出的信号，获取盗采信号盗采区域。
进一步地，所述安装构件包括第一水泥模块、套筒和固定器，所述第一水泥模块设在浅部表土或破碎岩体中，所述套筒通过水泥砂浆与所述第一水泥模块固定，所述固定器固定在所述套筒中，所述传感器通过粘合剂粘合在所述固定器中。
进一步地，所述固定器底部设有螺柱，所述套筒上设有与所述螺柱配合的第一螺孔。
进一步地，每一所述采集单元包括3个采集仪，分别为第一采集仪、第二采集仪和第三采集仪，每一所述传感器单元包括24个传感器装置，24个所述传感器装置呈3行8列的矩形阵列包围在所述采集单元，每一所述采集仪与8个所述传感器装置相连，所述第一采集仪连接第一行的3个所述传感器装置、第二行的2个所述传感器装置和第三行的3个所述传感器装置，所述第二采集仪连接第一行的2个所述传感器装置、第二行的4个所述传感器装置和第三行的2个所述传感器装置，所述第三采集仪连接第一行的3个所述传感器装置、第二行的2个所述传感器装置和第三行的3个所述传感器装置。
进一步地，所述传感器为磁电式传感器，所述传感器用于检测微裂隙产生与扩展时在岩石周围快速释放和传播的弹性波信号，并将弹性波信号转化为电信号。
进一步地，所述信号发射设备包括壳体，所述壳体内设有信号转换器、信号发射器、电源、充电口和信号发射天线，所述信号转换器用于将所述传感器发出的电信号转化为无线信号，所述信号发射器和所述信号发射天线用于发射无线信号，所述电源用于供电，所述充电口用于向所述电源充电。
进一步地，所述信号接收设备包括第二水泥模块、支撑底座和连接件，所述第二水泥模块埋置于地表以下，所述支撑底座浇筑在所述第二水泥模块中，所述连接件的一端与所述支撑底座固定，另一端与所述连接件的一端相连，所述连接件的另一端与所述采集仪相连。
进一步地，当所述传感器的有效监测半径为r时，相邻所述传感器的距离为
进一步地，在对可疑盗采区域判定时，当只有一个所述传感器触发时将可疑盗采区域判定在所述传感器非重叠的监测区域内，当有两个所述传感器同时触发时，则可疑盗采区域判定在两个所述传感器重叠的监测区域内。
当确定可疑盗采区域后，对盗采信号进行判别，对盗采信号进行判别以一定时间内连续触发次数为依据，若一个信号在一定时间内连续或多次触发，则将其判定为盗采信号；若一个信号在一定时间内触发一次，则将其判定为行人、车辆行走的信号。
进一步地，所述用于防地表矿体盗采的微震监测系统包括多组均匀排布的采集单元，令一个所述传感器和与所述传感器相邻的四个传感器分别为第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器和第五传感器，监测重合区域为B、C、D和E，非重合区域为A，在进行盗采区域的判定时，若第一传感器单独触发，将可疑盗采区域范围定位为A；若第一传感器和第二传感器同时触发,可疑盗采区域范围为B；若第一传感器和第三传感器同时触发，可疑盗采区域范围为C；若第一传感器和第四传感器同时触发，可疑盗采区域范围为D；若第一传感器和第五传感器同时触发，可疑盗采区域范围为E。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明所述的一种用于防地表矿体盗采的微震监测系统，针对地表矿体赋存特点，提出了微震传感器及采集仪的系统布置方法，浅部表土或破碎岩体中传感器的安装与回收，实现了微震监测信号的无线传输，组成了防地表矿体盗采的一整套微震监测系统，具有较好的可实施性与广泛的应用性，可为地表矿体的实时保护提供有力支撑。
2.本发明所述的一种用于防地表矿体盗采的微震监测系统，采用8通道的微震采集仪，通过合理布置采集仪的位置和传感器的位置，传感器个数矩阵为3×8组成的系统布置单元构成，其中8个传感器连接1个采集仪以实现震动信号的采集与收集，实现在地表大范围监测。
3.本发明所述的一种用于防地表矿体盗采的微震监测系统，采用无线技术实现微震监测系统的信号传输，减少电缆的防水防腐保护和后期的设备维护。
4.本发明所述的一种用于防地表矿体盗采的微震监测系统，在对可疑盗采区域判定和对盗采信号进行判别的过程中，可以明确区分行人和车辆等正常行为以及盗采行为，防止误判误报。
附图说明
图1为采集仪及传感器的系统布置图；
图2为传感器的耦合安装图；
图3为固定器与套筒俯视图；
图4为旋紧工具图；
图5为信号发射设备布置图；
图6为信号发射设备局部放大图；
图7为信号发射设备俯视图；
图8为信号接收设备布置图；
图9为信号接收设备支撑底座图；
图10为连接件图；
图11为接收端采集仪图；
图12为可疑盗采区域判定图。
其中：1-传感器，2-第一采集仪，3-第二采集仪，4-第三采集仪，5-采集单元，6-第一水泥模块，7-水泥砂浆，8-套筒，9-固定器，10-电缆线，11-第二螺孔，12-第一螺孔，13-旋紧工具，14-固定螺栓，15-信号发射设备，16-信号转换器，17-信号发射器，18-电源，19-锂离子电池，20-充电口，21-信号发射天线，22-螺栓孔，23-支撑底座，24-第二水泥模块，25-支撑杆，26-连接器，27-连接口，28-无线信号输出端，29-采集仪，30-信号接收天线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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，而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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
一种用于防地表矿体盗采的微震监测系统，参照图1-图12所示，包括传感器单元、采集单元5和数据接收中心。其中，传感器单元实现探测震动信号并将探测到的信号发送给采集单元5，采集单元5用于实现震动信号的采集并将信号发送给数据接收中心。
传感器单元包括传感器装置和信号发射设备15，传感器装置包括传感器1和安装构件，安装构件设在浅部表土或破碎岩体中，传感器1固定在安装构件中，每一传感器1通过线缆和一个信号发射设备15相连，通过信号发射设备15发射传感器1接收到的信号。
采集单元5包括采集仪29和信号接收设备，多个采集仪29并排且等距分布，多个传感器1均匀排布在多个采集仪29周围，采集仪29收集信号发射设备15发射的信号并输出信号，采集仪29通过信号接收设备安装在地表以下；
数据接收中心接收采集仪29输出的信号，获取盗采信号盗采区域。
在传感器单元中，参照图2-图4所示，安装构件包括第一水泥模块6、套筒8和固定器9，第一水泥模块6设在浅部表土或破碎岩体中，套筒8通过水泥砂浆7与第一水泥模块6固定，固定器9固定在套筒8中，传感器1通过粘合剂粘合在固定器9中。
具体地，固定器9与套筒8螺纹连接固定，固定器9底部设有螺柱，套筒8上设有与螺柱配合的第一螺孔12。套筒8和固定器9间的接触面上可通过涂设凡士林进一步贴合，凡士林起到耦合剂的作用，使套筒8和固定器9之间的接触面可以完好贴合，保证信号在传播经过接触面时不会衰弱。
为了将固定器9固定在套筒8上，固定器9表面设有第二螺孔11，通过旋紧工具13与第二螺孔11配合进而转动固定器9，使固定器9底部的螺柱与套筒8上的第一螺孔12配合。
本发明中，固定器9表面设有对称的两个第二螺孔11，旋紧工具13为开口向下的“匚”形结构。
在采集单元5中，参照图1所示，每一采集单元5包括3个采集仪29，分别为第一采集仪2、第二采集仪3和第三采集仪4，每一传感器单元包括24个传感器装置，24个传感器装置呈3行8列的矩形阵列包围在采集单元5，每一采集仪与8个传感器装置相连，第一采集仪2连接第一行的3个传感器装置、第二行的2个传感器装置和第三行的3个传感器装置，第二采集仪3连接第一行的2个传感器装置、第二行的4个传感器装置和第三行的2个传感器装置，第三采集仪4连接第一行的3个传感器装置、第二行的2个传感器装置和第三行的3个传感器装置。
本发明中，采集仪29为8通道微震采集仪，设置多个采集单元5，每一个采集单元5设置3个采集仪29和24个传感器装置并合理布置，可建立一个微震监测系统，实现对整个防盗采区域的微震信号的探测和采集。
传感器1为磁电式传感器1，磁电式传感器1是基于电磁感应原理，通过磁电相互作用将被测量(如振动、位移和转速等)转换成感应电动势的传感器1，本发明中，传感器1用于检测微裂隙产生与扩展时在岩石周围快速释放和传播的弹性波信号，即振动信号，并将弹性波信号转化为电信号。
为了将传感器1探测到的信号发送给采集仪29，参照图5-图10所示，信号发射设备15包括壳体，壳体内设有信号转换器16、信号发射器17、电源18、充电口20和信号发射天线21，信号转换器16与传感器1通过电缆线10相连，用于将传感器1发出的电信号转化为无线信号，信号发射器17和信号发射天线21用于发射无线信号，电源18用于供电，充电口20用于向电源18充电。
本发明中，信号发射设备15与套筒8通过固定螺栓14相连，具体地，信号发射设备15的壳体上设有螺栓孔22，壳体通过穿过螺栓孔22的固定螺栓14与套筒8相连。电源18为多个可充电的锂离子电池19组成，可以通过充电口20对多个锂离子电池19充电。
在采集单元5中，信号接收设备包括第二水泥模块24、支撑底座23和连接件，第二水泥模块24埋置于地表以下，支撑底座23浇筑在第二水泥模块24中，连接件的一端与支撑底座23固定，另一端与连接件的一端相连，连接件的另一端与采集仪29相连。
具体地，连接件包括支撑杆25和连接器26，支撑杆25下端与支撑底座23通过螺纹咬合，支撑杆25的上端与连接器26下端通过螺纹咬合，连接器26上端与采集仪31上的连接口29也通过螺纹咬合，最后将第二水泥模块24埋置于地表以下，完成信号接收设备的安装。
当传感器1的有效监测半径为r时，相邻传感器1的距离设置为
对可疑盗采区域判定时，当只有一个传感器1触发时将盗采区域判定在此传感器1非重叠的监测区域内，当有两个传感器1同时触发时，将盗采区域判定在两个传感器1重叠的监测区域内。
具体地，用于防地表矿体盗采的微震监测系统包括多组均匀排布的采集单元5，令一个传感器1和与传感器1相邻的四个传感器1分别为第一传感器1、第二传感器1、第三传感器1、第四传感器1和第五传感器1，监测重合区域为B、C、D和E，非重合区域为A，首先对可疑盗采区域进行判定，若第一传感器1单独触发，将可疑盗采区域范围定位为A；若第一传感器1和第二传感器1同时触发,可疑盗采区域范围为B；若第一传感器1和第三传感器1同时触发，可疑盗采区域范围为C；若第一传感器1和第四传感器1同时触发，可疑盗采区域范围为D；若第一传感器1和第五传感器1同时触发，可疑盗采区域范围为E。
当确定可疑盗采区域后，对盗采信号进行判别，对盗采信号进行判别以一定时间内连续触发次数为依据，若一个信号在一定时间内连续或多次触发，则将其判定为盗采信号；若一个信号在一定时间内触发一次，则将其判定为行人、车辆行走的信号。
本发明中，一定时间内为1分钟。
本发明的工作原理：
采用8通道微震采集仪作为采集仪29，每一采集单元5内设置3个采集仪29，分别为第一采集仪2、第二采集仪3和第三采集仪4，每一传感器单元设置24个传感器装置，24个传感器装置呈3行8列的矩形阵列包围在采集单元5，每一采集仪29与8个传感器装置相连，第一采集仪2连接第一行的3个传感器装置、第二行的2个传感器装置和第三行的3个传感器装置，第二采集仪3连接第一行的2个传感器装置、第二行的4个传感器装置和第三行的2个传感器装置，第三采集仪4连接第一行的3个传感器装置、第二行的2个传感器装置和第三行的3个传感器装置，相邻横向或竖向的传感器1的距离设置为
对于浅部表土或破碎岩体中进行传感器1的安装，首先在浅部表土或破碎岩体浇筑含预留孔的第一水泥模块6，然后用水泥砂浆7将套筒8与预留孔的第一水泥模块6的孔壁耦合，用粘合剂将传感器1安装在固定器9内部后，在套筒8与固定器9的接触面涂抹一层凡士林，之后用旋紧工具13将固定装置与套筒8通过螺纹连接贴合，最后将第一水泥模块6安置在浅部表土或破碎岩体中，完成整个传感器1的安装，在进行传感器1的回收时，用旋紧工具13将固定装置与套筒8旋松之后取出固定器9，即完成了传感器1的回收。
在进行微震监测数据的无线传输时，无线信号传输主要包括与传感器1相连接的信号发射设备15以及设置在采集仪29上的信号接收设备，信号发射设备15安装时将由信号转换器16、信号发射器17、电源18、充电口20和信号发射天线21组装成的信号发射设备15通过电缆线10与传感器1相连接，将信号发射设备15固定在套筒8上完成安装。将支撑底座23浇筑在第二水泥模块24中，然后将连接件的一端与支撑底座23固定，另一端与连接件的一端相连，连接件的另一端与采集仪29相连，最后将第二水泥模块24埋置于地表以下，完成信号接收设备的安装。信号传输过程中来自传感器1的电信号通过电缆线10传到信号转换器16后被转换为无线电波，之后通过信号发射器17和信号发射天线21将信号发出，发出的信号被采集仪29上的信号接收天线30接收后再由采集仪29上的无线信号输出端28发射到数据中心，完成数据从传感器1到采集仪29，再从采集仪29到数据中心的数据传输。
对可疑盗采区域判定时，当只有一个传感器1触发时将盗采区域判定在此传感器1非重叠的监测区域内，当有两个传感器1同时触发时，则可疑盗采区域判定在两个传感器1重叠的监测区域内。
当确定可疑盗采区域后，对盗采信号进行判别，对盗采信号进行判别以一定时间内连续触发次数为依据，若一个信号在一定时间内连续或多次触发，则将其判定为盗采信号；若一个信号在一定时间内触发一次，则将其判定为行人、车辆行走的信号。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于防地表矿体盗采的微震监测系统，其特征在于，包括：
传感器单元，包括传感器装置和信号发射设备，所述传感器装置包括传感器和安装构件，所述安装构件设在浅部表土或破碎岩体中，所述传感器固定在所述安装构件中，每一所述传感器通过线缆和一个所述信号发射设备相连，通过所述信号发射设备发射所述传感器接收到的信号；
采集单元，包括采集仪和信号接收设备，多个所述采集仪并排且等距分布，多个所述传感器装置均匀排布在多个所述采集仪周围，所述采集仪收集所述信号发射设备发射的信号并输出信号，所述采集仪通过信号接收设备安装在地表以下，每一所述采集单元包括3个采集仪，分别为第一采集仪、第二采集仪和第三采集仪，每一所述传感器单元包括24个传感器装置，24个所述传感器装置呈3行8列的矩形阵列包围在所述采集单元，每一所述采集仪与8个所述传感器装置相连，所述第一采集仪连接第一行的3个所述传感器装置、第二行的2个所述传感器装置和第三行的3个所述传感器装置，所述第二采集仪连接第一行的2个所述传感器装置、第二行的4个所述传感器装置和第三行的2个所述传感器装置，所述第三采集仪连接第一行的3个所述传感器装置、第二行的2个所述传感器装置和第三行的3个所述传感器装置，当所述传感器的有效监测半径为r时，相邻所述传感器的距离为√2r；
数据接收中心，接收所述采集仪输出的信号，获取盗采信号盗采区域；在对可疑盗采区域判定时，当只有一个所述传感器触发时将可疑盗采区域判定在所述传感器非重叠的监测区域内，当有两个所述传感器同时触发时，则可疑盗采区域判定在两个所述传感器重叠的监测区域内；
当确定可疑盗采区域后，对盗采信号进行判别，对盗采信号进行判别以一定时间内连续触发次数为依据，若一个信号在一定时间内连续或多次触发，则将其判定为盗采信号；若一个信号在一定时间内触发一次，则将其判定为行人、车辆行走的信号。
2.根据权利要求1所述的用于防地表矿体盗采的微震监测系统，其特征在于：所述安装构件包括第一水泥模块、套筒和固定器，所述第一水泥模块设在浅部表土或破碎岩体中，所述套筒通过水泥砂浆与所述第一水泥模块固定，所述固定器固定在所述套筒中，所述传感器通过粘合剂粘合在所述固定器中。
3.根据权利要求2所述的用于防地表矿体盗采的微震监测系统，其特征在于：所述固定器底部设有螺柱，所述套筒上设有与所述螺柱配合的第一螺孔。
4.根据权利要求1所述的用于防地表矿体盗采的微震监测系统，其特征在于：所述传感器为磁电式传感器，所述传感器用于检测微裂隙产生与扩展时在岩石周围快速释放和传播的弹性波信号，并将弹性波信号转化为电信号。
5.根据权利要求4所述的用于防地表矿体盗采的微震监测系统，其特征在于：所述信号发射设备包括壳体，所述壳体内设有信号转换器、信号发射器、电源、充电口和信号发射天线，所述信号转换器用于将所述传感器发出的电信号转化为无线信号，所述信号发射器和所述信号发射天线用于发射无线信号，所述电源用于供电，所述充电口用于向所述电源充电。
6.根据权利要求1所述的用于防地表矿体盗采的微震监测系统，其特征在于：所述信号接收设备包括第二水泥模块、支撑底座和连接件，所述第二水泥模块埋置于地表以下，所述支撑底座浇筑在所述第二水泥模块中，所述连接件的一端与所述支撑底座固定，另一端与所述连接件的一端相连，所述连接件的另一端与所述采集仪相连。
7.根据权利要求1所述的用于防地表矿体盗采的微震监测系统，其特征在于：所述用于防地表矿体盗采的微震监测系统包括多组均匀排布的采集单元，令一个所述传感器和与所述传感器相邻的四个传感器分别为第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器和第五传感器，监测重合区域为B、C、D和E，非重合区域为A，在进行盗采区域的判定时，若第一传感器单独触发，将可疑盗采区域范围定位为A；若第一传感器和第二传感器同时触发, 可疑盗采区域范围为B；若第一传感器和第三传感器同时触发，可疑盗采区域范围为C；若第一传感器和第四传感器同时触发，可疑盗采区域范围为D；若第一传感器和第五传感器同时触发，可疑盗采区域范围为E。
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