[实用新型]一种在多噪音干扰环境下实时监测矿井围岩破坏的装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种监测装置，具体来说是在井下机械作业、多噪音干扰信号的条件下，实时监测矿井围岩破坏的监测装置。

背景技术

从地下矿井中开采矿石，尤其地下煤矿开采，由于矿区煤层顶板往往比较坚硬、完整，不容易跨塌；因此，矿区采空区往往呈现大面积的悬顶现象，有些采空区悬顶面积有几个足球场大。采空了坚硬顶板下方的煤层，就造成了井下煤层顶板压力集中的现象，当集中应力的强度超过岩石强度时，顶板岩层就会发生断裂、跨塌，造成将作业区人员瞬间活埋在垮落岩石中的矿难事故；同时，这种突然“冒顶”落下的岩石，充填采空区，压缩采空区的空气(采空遗留着大量的残采煤层，由于通风不畅，在采空区集聚着瓦斯、一氧化碳等有毒有害气体)，形成暴风，这种瞬间形成的暴风，能量极大，暴风的冲击波能将数吨重的井下设备掀出几十米，甚至将井下矿车压缩成一团废铁。顶板岩层发生断裂而产生的大面积冒顶事故，是采矿业频发的矿难事故之一，其造成的人员伤亡、财产损失，是无法计量的。

为了防止矿井大面积冒顶事故的突然发生，通常采用顶板压力传感器、顶板位移传感器和顶板离层传感器，通过测定顶板压力的大小、顶板位移量和顶板离层值，预测发生大面积冒顶的危险性。这种方法测定的数据虽然比较直观，能够说明监测区域承受的压力大小和下沉量，但是这种方法是在岩层已经发生了明显破坏、出现塑性变形的情况下，才能检测到数据的变化，而对需要监测的局域内岩层结构，很难及时的预测顶板岩层会发生冒顶事故的具体时间以及可能发生事故的区域和规模，无法进行早期预报或安全处理，即传统方法监测的仅仅是岩石在应力作用下产生的结果，而不是监测破坏过程，特别是早期的破坏过程。

实用新型内容

为克服传统方法监测矿井围岩破坏存在的缺点，本实用新型的目的在于，提供一种在井下机械设备作业、多噪音干扰条件下，能够实时监测矿井围岩破坏的装置。

本实用新型的构思，来自传统金属材料监测原理的启发。金属材料监测技术的原理为：材料受到外力作用发生破坏时，会产生弹性应力波(微震信号)。由于材料是非均质性的，材料结构都有弱面和瑕疵，因此，在破坏时能承受的应力大小各不相同，弱面和瑕疵发育的部分首先破坏，此时产生的信号比较弱，释放的能量也比较小；强度和材质比较好的部分承受的应力比较大，破坏时产生的信号比较强，释放的能量也比较大。利用金属材料的这种特性而开发的检测材料稳定性的方法，已经延用到火箭、飞机、高压容器等制造业。

金属材料的材质，其刚性、强度、材质的均值性都大大优于岩石材料，因此，在应力作用下发生破坏时产生的弹性应力波信号(微震信号)，释放的能量大、信号量强、传输距离远；金属材料监测技术，之所以能够在金属制造业中推广应用，除上述原因外，更由于对金属材料监测时，都是在一个安静的测试环境中进行的，从而避免了环境噪音的干扰。

岩石是一种非均值性的脆性材料，其强度、塑性和材质的均值性都大大弱于金属材料；研究表明：岩石发生破坏时产生的微震信号是一种低频信号，频率范围在130Hz～900Hz之间，主频在250Hz～480H之间。岩石的强度越小，产生的微震信号的频率越低。由于通常的传感元件，对低频信号的跟随性不好，常常无法识别和采集岩石破坏时产生的低频信号，故此，寻求一种能够接收岩石破坏的低频信号的传感元件，一直是阻碍该技术推广的难题。

另外，岩石材料的均值性差、弱面多和瑕疵发育；因此，这种材料受应力作用发生破坏时产生的弹性应力波信号(微震信号)十分微弱，持续时间短，仅有20ms～60ms；而且矿井工程的监测，往往处于一种人多、机械噪音干扰很大的环境，需要监测和采集岩层材料破坏而产生的弹性应力波信号(微震信号)十分微弱，且混杂在多种机械作业产生的噪音信号之中。如何在如此强噪音的环境中，筛选出反映岩石材料破坏时产生的十分微弱的微震信号，长期以来一直是困扰着国内、外研究者的另一大难题。

本实用新型巧妙地将检测传统金属材料发生破坏的监测原理，运用到矿井顶板岩石冒顶事故监测中，并针对岩石材料受应力作用发生破坏时产生的弹性应力波信号(微震信号)频率低、信号弱、持续时间短的特点，研发了微震信号传感元件；根据井下机械噪音信号的特点，研发了滤除环境噪音信号、识别出实时采集岩层材料破坏而产生的弹性应力波信号(微震信号)硬件电路。