[发明专利]随机背景激励锚杆阵列传感的综采面环境灾害预警系统及预警方法

说明书

本发明公开了随机背景激励锚杆阵列传感的综采面环境灾害预警系统及预警方法，本发明以单个锚杆传感装置为基础，在综采面两侧回采巷的锚杆上安装传感装置，使之形成锚杆传感阵列。将锚杆阵列看做电极对通过电阻层析成像的方法计算煤岩场域电导率分布并重建出内部煤层电阻率分布图像，结合每个锚杆声波层析成像形成的煤岩声速分布图像，更加准确、高效的分析和判断可预测工作面渗水、冒顶、塌方等大多数地质事故，最终上述数据及结果通过无线模块上传至云端服务器进行存储并可在微信公众号实时查看。本发明克服了传统方法需要在停产条件下施工的问题，提高了系统的灵活性和实时性；该系统结构简单、实现方便、使用操作便捷。

技术领域

本发明属于综采面附近煤岩动态监测技术领域，尤其涉及一种随机背景激励锚杆阵列传感的综采面环境灾害预警系统。

背景技术

研究表明，在综采面发生的冒顶、冲击地压、煤与瓦斯突出、突水等事故发生前，综采面前方的煤岩的物理参数将产生一定的变化。例如，广东兴宁大兴煤矿，下层煤开采时，采动裂隙扩展破坏了开采所留的防水煤柱，导致特大突水，死亡123人。如果开采过程中能够实时感知事故发生前综采面近场煤岩物理参数的变化，那么就有可能对这些特大事故做出提前预警。

综采工作面的开掘建设中需要最大程度地查明综采面迎头前方及其围岩的断层、空洞、陷落柱的具体地质情况，为综采面安全生产提供物探技术支撑。其中常用的综采面煤岩超前探测方法有直流电法探测、瞬变电磁法探测、声波层析成像。而以上方法都存在如下两个问题：(1)易被液压支架金属结构及综采机电类设备电磁场产生的环境干扰。(2)都必须在停产和准停产的静态条件下进行专门的探测施工，费时费力，影响施工进度。

发明内容

本发明的目的是提供一种随机背景激励下锚杆阵列传感的综采面环境灾害预警系统及预警方法，该系统结构简单、实现方便、使用操作便捷。在传统声波层析成像技术的基础上，结合电阻层析成像技术，取长补短，规避了综采面各类设备电磁场的干扰作用，克服了传统方法需要在停产条件下施工的问题，提高了系统的灵活性和实时性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：随机背景激励锚杆阵列传感的综采面环境灾害预警系统，其特征是包括锚杆传感阵列，所述的锚杆传感阵列由依次安装在进风巷和回风巷锚杆上的锚杆传感装置组成，所述锚杆传感装置外层由防爆壳体包裹，锚杆自由端由开口处插入锚杆传感装置与锚杆自由端电极相接且固定于此，锚杆自由端电极与传感电路相连接；其中传感电路由声波收发一体传感器、信号放大与滤波电路、数模转换电路、数据采集电路、电压测量电路、电源模块、无线模块、树莓派信号控制模块组成。

随机背景激励锚杆阵列传感的综采面环境灾害预警方法，包括如下步骤：

(1)在进风巷和回风巷锚杆上依次安装锚杆传感装置，使其形成锚杆传感阵列；

(2)用锚杆传感装置对相应锚杆发射声波，利用声波层析成像测量方法，根据接收到的回波得到锚杆及其周围煤岩声速分布图像，并通过散射出的声波测出相邻锚杆之间的距离，如此，便得到锚杆传感阵列内各锚杆附近煤岩声速分布图像及各锚杆之间准确位置；

(3)在锚杆传感阵列中，选择相邻两锚杆作为一组激励电极对，其余锚杆两两组成测量电极对，远程控制各锚杆传感装置，对激励电极对添加激励，并测量每组测量电极对的电势差，如此往复直至所有的电极对全部被激励完毕，得到测量电压数据，再通过电阻层析成像图像重建算法，得出内部煤层电阻率分布图像，通过监测电阻率可以时刻观察是否有引起电阻率较敏感的灾害现象，预测是否会发生相应地质灾害；

(4)各锚杆传感装置在接收2、3两步的数据后，通过无线模块将数据传输至数据处理计算机，进行数据计算处理并得出结果，上传存储至云端服务器，微信公众号通过已设置完成的代码读取云端数据及结果，供技术人员实时通过移动端查询。