CN219736445U - 一种煤矿顶板稳定性监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种煤矿顶板稳定性监测系统，该实用新型涉及煤矿安全智能化监测领域，包括：多根并行电法线缆，每根并行电法线缆与顺序编号的智能电极连接，测量主机，与伸出钻孔的多根并行电法线缆一端电连接，多根分布式光纤，与多根并行电法线缆成对设于钻孔内，每根分布式光纤一端位于钻孔的底部，另一端伸出钻孔，基于布里渊散射的光时域反射计，与伸出钻孔的多根分布式光纤电连接，地面监测基站，与测量主机和基于布里渊散射的光时域反射计电连接，电源。能够实现获得导水裂隙带发育高度的精确判断。避免了由于单一测量装置获取的数据准确度低的问题。

Description

一种煤矿顶板稳定性监测系统

技术领域

本实用新型涉及煤矿安全智能化监测领域，特别涉及一种煤矿顶板稳定性监测系统。

背景技术

在煤矿安全事故中，煤矿顶板坍塌和突水是导致煤矿事故的主要原因，因此对顶板安全进行监测是必要的。

传统监测方法有钻探、井下钻探、经验公式法等，但其成本高，不好维护，无法实时进行监测且数据无代表性，监测精度不高。近年来，分布式光纤传感技术与并行电法技术发展迅速，在煤矿地质监测领域表现突出并得到广泛应用。分布式光纤传感技术凭借其抗电磁干扰、电绝缘性好、不易腐蚀、体积小、长距离测量、传输容量大、成本低等优点，在监测煤矿顶板覆岩应力变化及破坏规律、“两带”发育情况等方面起到极大的作用。并行电法动态监测具有实时性、连续性、多信息、费用低等特点，监测顶板覆岩破坏导水裂隙带高度技术对矿井水害防治具有重要意义。

目前，我国对于煤矿顶板安全性监测仅限于分布式光纤传感技术或网络并行电法技术中的一个，监测的数据较为单一，为煤矿顶板的监测工作带来不便。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种煤矿顶板稳定性监测系统，可以解决现有技术中存在对于实测顶板覆岩破坏导水裂隙带高度技术仅限于分布式光纤传感技术或网络并行电法技术中的一个，监测的数据较为单一，为煤矿顶板的导水裂隙带监测工作带来不便的问题。

本实用新型实施例提供一种煤矿顶板稳定性监测系统，包括：

多根并行电法线缆，分别布设于煤矿顶板上的多个钻孔内，每根并行电法线缆与顺序编号的智能电极连接；

测量主机，与伸出多个钻孔的多根并行电法线缆一端电连接；

多根分布式光纤，与多根并行电法线缆成对设于多个钻孔内；

基于布里渊散射的光时域反射计，与伸出多个钻孔的多根分布式光纤电连接；

地面监测基站，与测量主机和基于布里渊散射的光时域反射计电连接；

多根定点式应变传感光缆，分别与多根分布式光纤成对设于多个钻孔内，一端与地面监测基站连接；

多个水位计，分别布设于与多个钻孔相邻的地下水位观测孔内，通过地下水位检测仪与地面监测基站连接。

进一步，定点式应变传感光缆、分布式光纤、并行电法线缆通过水泥砂浆固定于钻孔内。

进一步，与任一根并行电法线缆连接的编号最小的智能电极位于钻孔的底部，编号最大的智能电极位于钻孔的顶部。

进一步，与任一根并行电法线缆连接的顺序编号的多个智能电极之间的距离相等。

进一步，钻孔底部位于煤矿回采工作面之上5米至10米。

进一步，还包括：

电源，分别与地面监测基站、基于布里渊散射的光时域反射计5、测量主机、地下水位检测仪电连接。

本实用新型实施例提供一种煤矿顶板稳定性监测系统，与现有技术相比，其有益效果如下：

1.本实用新型采用分布式光纤结合并行电法监测、定点式应变传感光缆、地下水位检测仪的联合监测系统，能有效捕捉煤层开采过程中顶板岩体内水位变化特征，获得煤矿顶板稳定性的精确判断，避免了由于单一测量装置获取的数据准确度低的问题。

2.测量的数据具有实时性、连续性、多信息、费用低、速度快等特点。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种煤矿顶板稳定性监测系统示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种煤矿顶板稳定性监测系统示工程实施立体布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式进行详细描述，但应当理解为本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。

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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参照图1-2，一种煤矿顶板稳定性监测系统，包括：

多根并行电法线缆，分别布设于煤矿顶板上的多个钻孔7内，一端位于钻孔7的底部，另一端伸出钻孔7，每根并行电法线缆与顺序编号的智能电极3连接；

测量主机6，与伸出钻孔7的多根并行电法线缆一端电连接；

多根分布式光纤1，与多根并行电法线缆2成对设于钻孔7内，每根分布式光纤1一端位于钻孔7的底部，另一端伸出钻孔7；

基于布里渊散射的光时域反射计5，与伸出钻孔7的多根分布式光纤1电连接；

地面监测基站，与测量主机6和基于布里渊散射的光时域反射计5电连接；

多根定点式应变传感光缆4，分别与多根分布式光纤1成对设于多个钻孔7内，一端与地面监测基站连接；

多个水位计8，分别布设于与多个钻孔7相邻的地下水位观测孔内，通过地下水位检测仪与地面监测基站连接。

本实用新型提供了一种煤矿顶板稳定性监测系统，将分布式光纤1与网络并行电法相结合，共同运用在煤矿顶板监测中，通过分布式光纤1、网络并行电法监测结果耦合，可以实现工作面推采过程中导水裂隙带发育高度的实时判断。

该实用新型的优点集多指标监测、采集速度快、监测范围广、智能化程度高、数据可靠、监测精度高的特点，能够有效捕捉煤层开采过程中顶板的覆岩应力变化及采动破坏规律，获得导水裂隙带发育高度的精确判断，并对含水层进行实时监测，为矿井安全开采及预防水害隐患提供监测预报，达到煤矿安全生产的目的。

具体的，分布式光纤传感系统是一种利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质的传感系统。分布式光纤传感系统原理是同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，采用先进的OTDR技术，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现真正分布式的测量。分布式光纤传感系统包括多根分布式光纤1和基于布里渊散射的光时域反射计BOTDR5。分布式光纤1沿钻孔7走向布置，在钻孔7出口一端与BOTDR连接。

网络并行电法测量系统由测量主机6、控制软件、多个智能电极3和并行电法线缆2部分组成。阵列电极可根据探测需要布置，智能电极3数n的多少理论上没有限制。各智能电极3通过网络协议与测量主机6保持实时通信，网络并行电法数据采集方式分为两种：AM法和ABM法。

在本实用新型的实施例中，一根并行电法线缆2上连接一定数量的智能电极3后与一根分布式光纤1按作为一组，照同一方向布置于钻孔7内，并行电法线缆2一端与测量主机6连接。测量主机6和BOTDR共同与地面监测基站连接，用于有效捕捉煤层开采过程中顶板的覆岩应力变化及采动破坏规律，获得导水裂隙带发育高度的精确判断，并对含水层进行实时监测。

多根定点式应变传感光缆4，分别与多根分布式光纤1成对设于钻孔7内，定点式应变传感光缆4根据主采煤层的地层条件，对上覆顶板主要含水层、上覆地层进行布置，用于监测采煤过程中对顶板上覆主要含水层、上覆地层应力变化较大层位的变形情况，定点式应变传感光缆4的固定点间的应变监测不受岩层变形的影响，即使应变力增大导致光缆断裂，剩余部分依然可以进行固定点间的应力监测。

由于煤矿采动过程中含水层发生变形，地下水位观测孔的水位就会下降，下降水位高度根据变形程度而定。在上述监测孔旁布置一个地下水位观测孔，用于观测一个或若干个含水层的水位变化，地下水观测孔布置在采煤影响范围内，地下水位观测孔内下入高精度水位计8，地下水位检测仪固定于井口，数据自动采集，上传至地面建立的监测基站。

综上，采用分布式光纤结合并行电法监测、定点式应变传感光缆、地下水位检测仪的联合监测系统，能有效捕捉煤层开采过程中顶板岩体内水位变化特征，获得煤矿顶板稳定性的精确判断，避免了由于单一测量装置获取的数据准确度低的问题。

在一种可能的实施方式中，定点式应变传感光缆4、分布式光纤1、并行电法线缆2通过水泥砂浆固定于钻孔7内。

在本实施例中，当定点式应变传感光缆4、分布式光纤1、并行电法线缆2全部安装于钻孔7后，将砂浆灌入钻孔7以使定点式应变传感光缆4、分布式光纤1、并行电法线缆2固定。

在一种可能的实施方式中，与任一根并行电法线缆2连接的编号最小的智能电极3位于钻孔7的底部，编号最大的智能电极3位于钻孔7的顶部，与任一根并行电法线缆2连接的顺序编号的多个智能电极3之间的距离相等。

在本实施例中，钻孔7内共布置N个电极，电极和电极之间相距L。1号电极位于孔底，N号电极位于钻孔7孔口。

在一种可能的实施方式中，钻孔7底部位于煤矿回采工作面之上5米至10米。

在一种可能的实施方式中，还包括：电源，与地面监测基站、基于布里渊散射的光时域反射计5、测量主机6、地下水位检测仪电连接。

本实用新型安装使用方法：

在煤矿工作面回采之前，在采煤工作面顶部掘进巷道外侧，布置1-2个垂直监测钻孔，在不具备施工条件时，可在地面布置定向斜孔，在河流村庄区域，可在井下布置仰斜孔。在同一钻孔中下入分布式光纤1和并行电法线缆2装置，做好相关的深度记录。深度记录包括：钻孔深度H，钻孔内光纤全长S，N个电极，电极之间距离L。安装结束后，采用水泥砂浆对钻孔进行注浆封闭，孔口预留线路连接头，监测系统现场安装完毕。在地面建立监测基站。

在煤矿工作面进行回采过程中，当回采工作面采掘线距离监测钻孔水平距离达到一定范围内，开始实施监测工作。地面建立监测基站，参见图2，按相应的监测要求，确定监测频率，分别通过监测系统进行数据采集。应用本发明进行顶板稳定性监测，监测煤层回采对顶板的影响以及工作面超前应力影响范围内的岩体在采动影响下的变化特征，获得从而达到对煤层顶板稳定性监测的目的，保证煤矿安全开采。

分布式光纤数据采集时，采掘工作面推进至距离钻孔水平距离D，每天至少采集一组数据；采集工作面推进至距离钻孔D1之内，每天至少采集两组数据；当观测到数据开始明显变化时，应增加监测密度。每次监测完毕后，及时记录数据，做好整理工作。

可以理解的是，D1小于D。

网络并行电法数据采集时，分别施加0、72、96V电压，记录不同电压下各电极电流值，采掘工作面推进至距离钻孔水平距离D，每天至少采集一组数据；采集工作面推进至距离钻孔水平距离D1，每天至少采集两组数据；当观测到数据开始明显变化时，应增加监测密度。每次监测完毕后，及时记录数据，做好整理工作，可以理解的是，D1小于D。

依据地面钻孔内布置的分布式光纤和网络并行电法的监测结果，与背景值对比的变化量倍数差异，对工作面煤层开采顶板岩层变形与破坏特征进行综合分析。

以上公开的仅为本实用新型的具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种煤矿顶板稳定性监测系统，其特征在于，包括：

多根并行电法线缆(2)，分别布设于煤矿顶板上的多个钻孔(7)内，每根所述并行电法线缆(2)与顺序编号的智能电极(3)连接；

测量主机(6)，与伸出所述多个钻孔(7)的多根所述并行电法线缆一端电连接；

多根分布式光纤(1)，与多根所述并行电法线缆成对设于所述多个钻孔(7)内；

基于布里渊散射的光时域反射计(5)，与伸出所述多个钻孔(7)的多根所述分布式光纤电连接；

地面监测基站，与所述测量主机(6)和所述基于布里渊散射的光时域反射计(5)电连接；

多根定点式应变传感光缆(4)，分别与多根所述分布式光纤(1)成对设于所述多个钻孔(7)内，一端与所述地面监测基站连接；

多个水位计(8)，分别布设于与所述多个钻孔(7)相邻的地下水位观测孔内，通过地下水位检测仪与所述地面监测基站连接。

2.如权利要求1所述的一种煤矿顶板稳定性监测系统，其特征在于，所述定点式应变传感光缆(4)、分布式光纤(1)、并行电法线缆(2)通过水泥砂浆固定于所述钻孔(7)内。

3.如权利要求1所述的一种煤矿顶板稳定性监测系统，其特征在于，与任一根所述并行电法线缆(2)连接的编号最小的所述智能电极(3)位于所述钻孔(7)的底部，编号最大的所述智能电极(3)位于所述钻孔(7)的顶部。

4.如权利要求1所述的一种煤矿顶板稳定性监测系统，其特征在于，与任一根所述并行电法线缆(2)连接的顺序编号的多个所述智能电极(3)之间的距离相等。

5.如权利要求1所述的一种煤矿顶板稳定性监测系统，其特征在于，所述钻孔(7)底部位于煤矿回采工作面之上5米至10米。

6.如权利要求1所述的一种煤矿顶板稳定性监测系统，其特征在于，还包括：

电源，分别与所述地面监测基站、所述基于布里渊散射的光时域反射计(5)、与所述测量主机、所述地下水位检测仪电连接。