[发明专利]矿山采动裂隙演化与分布监测装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种监测装置及方法，尤其是一种通过监测煤岩破裂产生的声波或震动的矿山采动裂隙演化与分布监测装置及方法，属矿山压力和安全技术领域。也可应用于冲击地压(岩爆)、煤与瓦斯突出和突水等煤岩动力灾害监测预报。

背景技术

矿山岩体在天然条件下处于原始应力平衡状态。井工矿山的采掘活动引起应力场的重新分布和围岩的活动，围岩活动包括围岩变形和采动裂隙的产生。采动裂隙的产生是该处围岩应力超过自身所能承受的极限应力后发生的断裂行为。在井工矿山采掘过程中始终会伴随有采动裂隙的产生及演化。采动裂隙按煤岩层采动裂隙出现的位置可以分为顶板岩层采动裂隙、煤层采动裂隙、底板岩层采动裂隙和地表采动裂隙；按采动裂隙的性质可以分为：竖向破断裂隙、岩层层间的离层裂隙和断层面的活化。矿山采掘过程中出现的煤岩动力灾害(如地表塌陷、巷道失稳、顶底板突水、煤与瓦斯突出、冲击地压和顶板冒落等)都直接或间接的与这些裂隙的存在与发展有关。采动裂隙的产生会引起煤岩层渗透率的提高，是瓦斯运移的良好通道，煤矿采动卸压瓦斯抽放措施的制定及实施效果也与采动裂隙的分布及演化密切相关。采动裂隙也是引起矿山突水和水资源流失的主要原因。因此探测采动裂隙的产生、演化及分布对于实时了解井工矿山的采掘活动、矿山应力分布及演化、掌握矿山采掘活动的影响范围、保护水资源，对于煤矿瓦斯治理及煤岩动力灾害预测及防治等都具有非常重要的理论意义和应用前景。

长期以来，覆岩移动变形破坏探测采用的常规方法是钻孔冲洗液消耗法，采场底板岩体变形破坏探测采用的常规方法有分段注水漏失量观测法和应力测量法等。近些年来，裂隙探测也采用钻孔窥视法。需要指出的是，上述方法都是在单个钻孔中进行，由于煤层采动引起的覆岩及底板岩层变形破坏具有动态性及时空性，即裂隙网络是随着采动活动的进行而随时间和空间动态变化的，所以通过单一钻孔的探测效果只能反应孔壁局部范围的裂隙发育状况，并且探测结果只是反映钻孔期间的裂隙情况，属于静态观测。在钻孔数量有限的情况下，探测结果不能完全反应比较的空间范围内煤岩体裂隙的发生及分布情况，更不能及时反映煤岩体采动裂隙随时间和空间的演化情况，无法满足矿山的实际需求。

发明内容

本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种矿山采动裂隙演化与分布监测装置及方法，其结构简单、操作方便、能实时连续监测矿山采动裂隙演化与分布情况。

本发明采用的技术方案如下：包括多个防爆声波监测仪、给防爆声波监测仪供电的防爆电源、地面通讯接口和地面监测分析中心，所述的防爆声波监测仪包括多个声波传感器和信号转换与数据采集仪；所述的信号转换与数据采集仪包括多个输入接口、信号转换电路、与信号转换电路的输出端连接的A/D转换电路、与A/D转换电路连接的CPU处理器，在CPU处理器上分别连接有时钟电路、数据存储器、程序存储器、显示器、RS485接口和光纤接口；所述的多个声波传感器分别和信号转换与数据采集仪的对应的各输入接口连接；所述的地面监测分析中心包括与地面通讯接口相连的地面监测中心站和与地面监测中心站相连的终端计算机；信号转换与数据采集仪的光纤接口通过光纤、交换机与地面通讯接口连接。

所述的声波传感器至少为4个；所述的声波传感器为声发射传感器或微震动传感器。

本发明的矿山采动裂隙演化与分布监测方法，使用上述矿山采动裂隙演化与分布监测装置，包括如下步骤：

a.根据现场实际需要确定在矿井范围内的监测区域，在监测区域内的采掘空间确定声波传感器安装位置；

b.根据监测距离及精度选定声波传感器：

当安装声波传感器位置离回采、掘进、顶板活动等声源或震动源距离＜300m、且监测精度要求＜5m时，选用声发射传感器；

当安声波传感器位置离回采、掘进、顶板活动等声源或震动源距离≥300m时，选用微震动传感器；

c.在巷道底板、锚杆末端或钻孔中安装声波传感器，使声波传感器与煤岩体进行良好耦合；

d.将各个声波传感器与信号转换与数据采集仪连接，信号转换与数据采集仪通过光纤、交换机、地面通讯接口和地面监测分析中心连接；在地面监测中心站软件中设置好各传感器的位置及声波传播参数；将防爆电源与防爆声波监测仪连接，并打开防爆声波监测仪的电源开关，防爆声波监测仪开始工作；

e.煤岩体受采动影响或应力作用下产生裂隙及声波活动，被震源周边的声波传感器接收后，声波信号由防爆声波监测仪高速采集、存储，并显示声波信号的统计数据；同时将声波数据实时传输给地面监测中心站；