[发明专利]一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种探测系统及方法，属于煤矿工作面应力监控领域，具体涉及一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测系统及方法。

背景技术

采煤工作掏空地下部分煤层后会引起剧烈的应力调整，对工作面应力调整情况的实时探测，能够有效预警灾害事故。煤矿工作面的地质灾害主要包括顶板的冒落、瓦斯突出、承压水的突出等，这些灾害的发生主要是因为开采活动打破了工作面岩层原有的应力平衡，巨大的上覆地层压力在采空部位失去了支撑，应力不断重新调整，在采空区域的边界上形成了明显的应力集中区，采空区域的底板有向上拱起的应力。强烈的应力改变会在应力集中区或岩层的薄弱带形成裂隙，而且裂隙往往会逐步相互连通，最终造成瓦斯或水的突出，或顶板冒落。

现有技术中，通常使用钻孔应力仪测量应力变化，然而这种方法只能测量局部变化，利用地震方法能解决应力的全工作面扫描问题。应力的变化无法直接由地震学方法测得，不过可以利用地震波速度的变化间接得到。完整岩石的波速由岩石的密度和杨氏模量决定，应力变化可以对杨氏模量造成比较明显的改变，从而能够间接改变岩石的局部波速。对于有裂隙或孔隙的介质，应力造成裂隙等的闭合对波速的影响比较显著。如果岩层中存在流体饱和的裂隙或孔隙，横波和纵波的速度比会有比较大的差异，与纵波相比，横波速度对于流体的存在不太敏感，因而利用纵横波速比的变化不仅能够探测应力的变化，而且可以发现介质各向异性性质的改变。由于煤层相对于围岩软弱易变形，它的波速变化对应力变化的反应能力更强，因此利用地震方法实时监测顶、底板和煤层的波速改变，能够实现对工作面岩层应力变化的全面扫描。

利用地震方法监测岩层介质参数的变化，要求震源和检波器尽量固定不变，因为岩层介质的改变本身是微弱的，测量条件的稳定性对于介质变化的探测至关重要。检波器固定安装在相同的位置上很容易做到，而要得到一个可重复激发的震源则不太容易。通常的炸药震源都会破坏炮孔，再次激发需要重新打孔，两次的孔位会有一些差异，重复性比较差，更不可能实现长期监测。长期监测的震源要能多次重复激发、对矿井下设施无损害，最好还能不影响正常的采煤作业。锤击等方法可重复使用但能量太低。采煤机也可以作为震源，缺点是位置不固定，且只局限在切眼内。皮带运输机发出的机械噪音具有高能量、宽频带的特点，且能随采掘实时发射，利用地震干涉方法将其实时转化为虚炮集，是工作面四维地震扫描的理想震源。针对工作面预警遇到的难题和皮带机作为一种有效震源的特点，我们研究出了以皮带机为震源的煤矿工作面实时探测预警方法。为了加强皮带机震源的能量，设计了一种附加击震器支架，既不影响支架系统原有的稳固性，又能持续激发出更高能量的地震波。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中存在的震源可重复激发难度大，难以实现工作面的长期实时监测的技术问题，提供了一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测系统及方法。该系统及方法将安装在工作面运顺巷内的皮带机作为震源，在运顺巷和工作面另外一侧的回风巷都布置地震检波器，通过记录一定时间长度的震动，从而获得信噪比较高的地震炮集，经层析成像处理得到工作面的速度分布CT，将各个时间段的工作面CT连起来形成随时间变化的“云图”，就能够发现应力调整的异常区，发出预警信号。因此，该系统及方法可以实现全工作面的长期实时应力扫描。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测系统，包括：

皮带机，用于产生可重复激发的声波信号；

检波器，用于在探测区域内接收皮带机所发出的声波信号；

数据处理设备，用于将检波器所接收到的声波信号转换为虚炮集并利用所述虚炮集对工作面进行CT成像。

优化的，上述的一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测系统，还包括安装于所述皮带机上的击震器支架，所述击震器支架包括：连接于皮带机横梁上的上支架、固定于底板上的下支架，所述上支架和所述下支架相对的一端套接在一起并且间隙配合。

为了解决上述问题，根据本发明的另一个方面，提供了一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测方法，包括利用地震干涉法对工作面进行探测，所述地震探测法中以皮带机为震源。

优化的，上述的一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测方法，包括以下步骤：

数据采集步骤，用于利用安装于监测区域内的检波器采集皮带机发出的声弹性波信号；

数据处理步骤，用于利用地震干涉法将皮带机的声波信号转化为虚炮集，通过虚炮集对工作面进行CT成像，按时间顺序将CT图像组织成应力调整云图和差分云图；