[发明专利]一种用于煤矿顶板微震监测的单元结构无效

专利信息
申请号: 201110008225.8 申请日: 2011-01-14
公开(公告)号: CN102146807A 公开(公告)日: 2011-08-10
发明(设计)人: 冯晓星;王新安;葛彬杰;王金泊 申请(专利权)人: 深圳思量微系统有限公司
主分类号: E21F17/18 分类号: E21F17/18
代理公司: 暂无信息 代理人: 暂无信息
地址: 518057 广东省深圳*** 国省代码: 广东;44
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摘要:
搜索关键词: 一种 用于 煤矿 顶板 监测 单元 结构
【说明书】:

【技术领域】

发明涉及岩层信号监测仪器仪表和传感器及电路设计领域,具体涉及一种低成本、可以密集布局监测点的煤矿冒顶前兆实时监测方法。

【背景技术】

煤矿开采时,矿区煤层顶板往往比较坚硬且不易垮塌,因此,矿区采空区往往呈现大面积的悬顶现象,有些采空区的悬顶面积甚至有几个足球场那么大。

由于采空了坚硬的顶板下的煤层,而造成了矿区煤层顶板压力集中现象,当集中应力的强度超过岩石强度时,会发生顶板岩层断裂、垮塌现象,通常被称作“冒顶”。这种冒顶落下的岩石,填充了采空区,压缩采空区的空气,形成暴风。这种顺势的暴风能量和威力极大,暴风形成的冲击波能将数吨重的井下设备掀起几十米,甚至将井下矿车压缩成一团废铁。顶板岩层断裂、垮塌现象的发生,给矿山造成灾难性的人员伤亡、财产损失。

对不同岩性的岩石力学实验,模拟顶部岩行从承受压力到压力将岩石压断的整个过程分析表明:岩石材料在不同的应力作用下,在正常应力状态下(承受应力的大小没有超过岩石或者材料的承受强度)、危险状态(承受的应力大小开始逐渐超过岩石或材料的承载强度,材料开始发生微小破坏)和破坏状态(承受的应力大小超过岩石或材料的最大承载强度,材料开始发生明显破坏)时,产生的微震信号数量差异很大,情况是:

正常情况下:岩石材料不会发生破坏,几乎没有微震信号发生。

危险情况下:当岩石材料承受的应力大小开始逐渐超过岩石或材料的承载强度时,由于岩石材料都是非均匀质的,岩行材料都还行弱面和瑕疵,弱面和瑕疵发育的部分首先破坏,同时产生微震信号,随着应力的逐渐增大,这种破坏的数量明显增多,产生的微震信号数量也大幅度增加。这是产生的微震信号时正常情况下产生的微震信号的数千倍。

破坏情况下:当岩石材料承受的应力大小明显超过岩石或材料的承载强度时,材料开始发生明显破坏,同时产生大能量的微震信号,随着冒落或垮塌事故的发生,大能量的微震信号伴随着冒落或垮塌过程连续发生,直至冒落或垮塌事故结束。

【发明内容】

本发明的主要目的就是解决现行技术中的问题,提供一种实时监测煤矿顶板岩层微震的单元结构,具有低成本、易安装维护的特性,适合大区域密集分布。

为实现上述目的,本发明公开一种实时监测煤矿顶板岩层微震变化的监测单元结构,其特征在于:包括至少一个共聚物压电岩层微震传感单元,一个处理单元。所述共聚物压电岩层微震传感单元与处理单元互联,共聚物压电岩层微震传感单元实时获得100Hz到100kHz岩层微震的信号,通过无源电缆(比如,超强韧性高密度聚乙烯(HDPE)、可在直埋时防水、低电容(如-89pF/m)、可达100m或更长)连接到处理单元,处理单元完成信号采样数字化等预处理并将处理后的数据再通过无线或有线广域通信网发送出去。

本发明公开的监测单元结构能够根据需要置入顶板岩层0.1米至1米任何深度,实时连续监测所处位置100Hz到100kHz的岩层微震信号的变化;也能够通过将传感器安装在与顶板岩层紧密接触的支撑结构,如锚杆,达到连续监测岩层微震信号变化的目的。

监测单元结构可以实时连续监测的时间精度和间隔(从毫秒到秒到分)和采样精度(16位到货24位)等均可由用户设置。

监测单元结构具行较低成本,能够大区域、高密集布局,易于安装维护的优势和特点。

共聚物压电岩层微震传感单元的感知或检测原理是:

压电材料是一种经特殊加工后能将动能转化成电能的材料。一些聚合体材料,例如共聚物P(VDF-TrFE)使这一特性有了很大提高。压电材料在受机械冲击或振动时产生电荷。在原子层,偶极子(氢-氟偶对)的排列顺序被打乱,并试图使其恢复原来的状态。这个偶极子被打乱的结果就是有一个电子流形成。就像海绵中的水,当你挤压一块湿海绵时,水会从海绵中流出来,当你松开时,水又被吸回去,这同压电应力变化传感单元十分相似。当有应力施加到传感单元上时,就产生了电荷(电压),而当去掉负载时,就会产生一个相反极性的信号。它产生的电压可以相当高,但传感单元产生的电流却比较小。

共聚物压电岩层微震传感单元的检测原理就是如此,顶板岩层处于正常状态,即岩层强度高于岩层承载力时,几乎没有岩层微震信号产生;顶板岩层处于危险状态,即岩层强度接近于岩层承载力时,岩层有明显可监 测到的微震信号产生;顶板岩层处于冒顶前,就会产生大量高强度的可检测到岩层微震信号,一次作为冒顶预报和分析。

本发明的有益效果是:

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