一种局部地应力分布特征精细化探测方法

摘要

一种局部地应力分布特征精细化探测方法,适用于探测巷道掘进工作面前方或帮面方向的地应力分布特征。在预掘工作面前布置一台声波收发处理控制器，该机器能够发射和接收特征信号波，并对接收的特征信号波进行分析处理。掘进前，声波收发处理控制器通过特征信号波发射器向掘进工作面前方煤岩体发射特征信号波，特征信号波在煤岩体中传播经过掘进工作面前方的三个超前地应力区：卸压区、应力集中区、原始应力区。在三种应力区的交界处，特征信号波会发生明显的反射，特征信号波接收器接收反射回来的特征信号波，并将信号传回声波收发处理控制器，经过声波收发处理控制器的分析处理，从而确定道掘进工作面前方和帮面方向的地应力分布特征。

说明书

技术领域

本发明涉及一种局部地应力分布特征精细化探测方法，尤其适用于探测巷道掘进工作面 前方或帮面方向的地应力分布特征。

背景技术

随着我国煤矿开采深度逐年递增，地应力、瓦斯压力也随之增大，煤岩动力灾害如岩爆、 冲击地压、煤与瓦斯突出等事故将变的日益严重，对矿工生命安全、井下设施和地面建筑物 都会造成很大的威胁和破坏。在矿井进行掘进作业时，掘进作业破坏了原始煤岩体的应力平 衡状态，在掘进工作面前方形成了三个超前地应力区：卸压区、应力集中区和原始应力区， 及时准确地探测掘进工作面前方和帮面的地应力分布特征对于预防矿井煤岩动力灾害事故具 有重要意义。

目前，探测地应力的方法有很多，如水压致裂法、声发射法、电磁辐射法等，但这些方 法大多操作繁琐、耗时耗力、设备复杂，本发明将提供一种简便可行的方法。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术中的不足，提供一种方法简单、易操作、效果好的适用于 探测巷道掘进工作面前方或帮面方向的局部地应力分布特征精细化探测方法。

本发明的局部地应力分布特征精细化探测方法，包括以下步骤：

a、巷道掘进之前，在掘进工作面前布置一台声波收发处理控制器，在掘进工作面壁面两 侧或帮面对称设置与声波收发处理控制器导线相连的特征信号波发射器和特征信号波接收 器；

b、设定特征信号波发射器和特征信号波接收器的角度和方向；

c、通过特征信号波发射器向掘进工作面前方或帮面的煤岩体发射特征信号波，特征信号 波在煤岩体中传播经过掘进工作面前方的三个超前地应力区：卸压区、应力集中区和原始应 力区，由于三种不同应力区的煤岩体受力不同，为三种不同的介质，依据振动波的传播特点， 当振动波在传播遇到不同的物质时，会发生反射，所以从声波收发处理控制器发射的特征信 号波在三种不同应力区交界处均会发生反射波，反射波由特征信号波接收器接收；

d、特征信号波接收器接收反射回来的特征信号波后，将特征信号波转换为电信号传给声 波收发处理控制器，声波收发处理控制器对接收到的电信号进行处理，得到反射波反射比率、 接收时间、波形变化，振幅变化和频率变化数据，从而确定巷道掘进工作面前方或帮面三个 超前地应力区的局部地应力分布特征；

若探测的应力集中区域离掘进头较近，表示煤岩动力灾害事故危险性增大，很有可能造 成冲击地压事故或煤与瓦斯突出事故，需要严加防范；

若探测的应力集中区域离掘进头较远，表示煤岩动力灾害事故危险性降低；

e、调整特征信号波发射器和特征信号波接收器的角度和方向，重复步骤a、b、c、d，即 可对巷道掘进工作面前方或帮面方向各进尺区段的煤岩体地应力分布特征进行探测。

有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明通过探测反射特征信号波的特征差异来探 测巷道掘进工作面局部地应力分布特征，尤其适用于深部矿井以及高瓦斯突出矿井，对于深 部矿井以及高瓦斯突出矿井的冲击地压和煤与瓦斯突出危险性预测有着重要的意义。由于掘 进工作面位置在不断的发生变化，从而导致掘进工作面前方和帮面方向的局部地应力分布特 征也随之发生变化，长期以来很难做到主动并且实时探测局部地应力分布特征。本发明通过 多次探测、采集和分析从掘进工作面前方或帮面方向煤岩体反射回来的特征信号波的特征差 异来实时探测局部地应力分布特征，解决了现有技术的实时性和主动性问题。本发明操作工 艺简单、设备便携可移动、省时省力、效果显著，可实现实时探测掘进工作面前方和帮面方 向的局部地应力分布特征。

附图说明

图1是本发明的掘进工作面前方方向的局部地应力分布特征精细化探测方法示意图。

图2是本发明的掘进工作面帮面方向的局部地应力分布特征精细化探测方法示意图。

图中：Ⅰ-卸压区Ⅰ，Ⅱ-应力集中区，Ⅲ-原始应力区，1-巷道，2-掘进工作面，3-声波收 发处理控制器，4-特征信号波发射器，5-特征信号波接收器。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

本发明在巷道1掘进的过程中，每进尺一段距离就通过探测掘进工作面2反射回来的声 波特性差异来预测巷道掘进工作面前方或帮面方向的地应力分布特征。

实施例1、如图1所示，为掘进工作面前方的局部地应力分布特征精细化探测方法，具 体步骤如下：

a、巷道1掘进之前，在掘进工作面2前布置一台声波收发处理控制器3，该机器通过激 发电信号传给发射器4从而产生特征信号波，同时该机器内存在滤波单元、微处理单元、增 益控制单元、波形分析单元、波速计算单元等分析处理单元，能够及时进行后期反射波的分 析计算处理；在掘进工作面2壁面左右或上下两侧对称设置与声波收发处理控制器3导线相 连的特征信号波发射器4和特征信号波接收器5；特征信号波发射器4通过耦合剂与掘进工 作面2壁面有效的耦合，发射器4将声波收发处理控制器3激发的电信号转化为特征信号， 特征信号波在煤岩体内传播；

b、设定特征信号波发射器4和特征信号波接收器5的角度和方向；

c、通过特征信号波发射器4向掘进工作面2前方煤岩体发射特征信号波，特征信号波在 煤岩体中传播经过掘进工作面2前方的三个超前地应力区：卸压区Ⅰ、应力集中区Ⅱ和原始 应力区Ⅲ，由于三种不同应力区的煤岩体受力不同，为三种不同的介质，依据振动波的传播 特点，当振动波在传播遇到不同的物质时，会发生反射，所以从声波收发处理控制器3发射 出来的特征信号波在三种不同应力区交界处会发生反射，反射波由特征信号波接收器5接收；

d、特征信号波接收器5接收反射回来的特征信号波后，将特征信号波转换为电信号传给 声波收发处理控制器3，声波收发处理控制器3对接收到的电信号进行处理，经过滤波单元 滤波、增益控制单元的程控增益调节、微处理单元的计算，最终得到反射波的特征差异数据 (反射波反射比率、接收时间、波形变化，振幅变化、频率变化)，从而确定巷道1掘进工作 面2前方三个超前地应力区的局部地应力分布特征；应力变化越剧烈的区域，在该区域传播 的特征信号波的反射比率会比其他区域相对要大，比率较大反射波的接收时间会反映应力变 化剧烈区域的位置；反射波的振幅、频率变化会反映应力变化的剧烈程度；

若探测的应力集中区域离掘进工作面较近，表示煤岩动力灾害事故危险性增大，很有可 能造成冲击地压事故或煤与瓦斯突出事故，需要严加防范；

若探测的应力集中区域离掘进工作面较远，表示煤岩动力灾害事故危险性降低。

e、调整特征信号波发射器4和特征信号波接收器5的角度和方向，重复步骤a、b、c、d， 即可对巷道1掘进工作面2前方各进尺区段的煤岩体地应力分布特征进行探测；

实施例2、如图2所示，为掘进工作面帮面的局部地应力分布特征精细化探测方法，与 实施例1基本相同，相同之处略，不同之处：

a、巷道1掘进之前，在掘进工作面2帮面方向布置一台声波收发处理控制器3，在掘进 工作面2帮面上对称设置与声波收发处理控制器3导线相连的特征信号波发射器4和特征信 号波接收器5；

b、设定特征信号波发射器4和特征信号波接收器5的角度和方向；

c、通过特征信号波发射器4向掘进工作面2帮面的煤岩体发射特征信号波，特征信号波 在煤岩体中传播经过掘进工作面2帮面方向的三个超前地应力区：卸压区Ⅰ、应力集中区Ⅱ 和原始应力区Ⅲ，反射波由特征信号波接收器5接收；

d、特征信号波接收器5接收反射回来的特征信号波后，将特征信号波转换为电信号传给 声波收发处理控制器3，声波收发处理控制器3对接收到的电信号进行处理，得到反射波反 射比率、接收时间、波形变化，振幅变化和频率变化数据，从而确定巷道1掘进工作面2帮 面方向的三个超前地应力区的局部地应力分布特征；

e、调整特征信号波发射器4和特征信号波接收器5的角度和方向，重复步骤a、b、c、d， 即可对巷道1掘进工作面2帮面方向各进尺区段的煤岩体地应力分布特征进行探测。