用于测量在长壁前方的应力集中的相对变化的方法和系统

摘要

一种用于测量在长壁前方的应力的相对变化的方法，其特征在于，捕获控制服务器(6)在空间上在所有通道中同步定向且以经同步时间间隔且与告知在工作区(B)中的采煤机(15)的操作以及位置的信号密切相关，来记录来自安装在长壁巷道(A)中的三轴地震检波器(19)的振动测量信号，并且在此基础上，所述捕获控制服务器与处理服务器(10)协作来确定地震现象的位置。在结束所述采煤机(15)的每次采挖之后，所述捕获控制服务器利用衰减阻尼层析成像来分析在所述长壁前方的煤体(C)中的应力的相对变化，包括对地震波(FK)的分析。在所述采煤机(15)停止期间结束所述采挖之后，所述捕获控制服务器通过在所述长壁巷道(A)之间的岩体的地震成像使用地震波(FS)来实现主动速度或衰减层析成像，且随后利用被动速度和/或衰减层析成像使用地震波(FP)来分析所述应力。随后周期性地，优选地在一个开采班次期间若干次地，画出应力的相对变化的平均累积层析成像图，和/或特定层析成像的图。所述系统包括布置在所述长壁巷道(A)中的每一者中的至少六个通用启动以及振动测量模块(1)，所述模块经由本质安全的数字传输线(2)连接到本地测量数据集中器(3)，所述集中器连接到本质安全的电力缓冲供应装置(4)且经由光学以太网(5)连接到所述捕获控制服务器(6)，所述捕获控制服务器连接到矿场调度系统(7)、全球卫星定位模块(8)、内部时间模块(9)以及所述处理服务器(10)。所述处理服务器(10)连接到累积层析成像可视化面板(14)且优选地连接到主动衰减阻尼层析成像可视化面板(11)、主动速度或衰减层析成像可视化面板(12)、以及被动速度或衰减层析成像可视化面板(13)。

说明书

技术领域

所提出的发明涉及用于测量在长壁前方的应力集中的相对变化以用于检测且监视在深矿的长壁区域中的岩层突裂危害的方法以及系统。

背景技术

现有技术水平

波兰专利PL207323(B1)揭示了一种方法，所述方法使用以距与所述壁的交点已知的距离安装在长壁前方的长壁巷道中的地震声学地震检波器的标准长壁网络。吸收系数的值根据通过这些地震检波器以固定的时间间隔(优选地包含所述壁的一次全采挖)记录的地震声学事件的累积能量来确定。假定地震检波器距所述交点的距离是其距地震声学脉冲的源的距离。根据使所观测波的能量与距源的距离以及与吸收因数相关的已知物理等式来计算有效衰减系数。

另一波兰专利PL202149(B1)描述了用于连续监视在长壁前方的岩体中的应力相对变化的系统。所述系统的特征在于，对应地安装在矿场工作区的顶部中以及侧壁或底部中的配备有地震检波器的发射器经由传输线连接到记录计算机的接口。通过这些线利用本质安全的电流给发射器供电。使用由采煤机的采挖头产生的振动通过确定在受控底部或顶部中的振动阻尼等值线来估计相对应力的状态。计算机执行对地震波衰减的相对变化的尺寸以及分布的计算，所述相对变化近似与应力的相对变化成反比。这允许以含有应力的相对变化的等值线的层析成像图的形式呈现所述相对变化。

从波兰专利PL152339(B1)已知的多通道便携式地震设备的系统经设计以控制在矿场工作区的区域中的岩体的状态，以确定在时间以及空间上的应力分布以及以通过主动地震速度层析成像识别沉积的不均匀性。所述系统由内部静态随机存取存储器RAM以及可编程存储器EPROM的微处理器块构成，所述微处理器块经由累积式系统总线连接到具有备用电池的经扩展RAM存储器的区块、实时时钟、由惯性继电器致动的控制模块、以及其上连接有地震检波器的控制测量以及多通道模拟输入块两者的区块。模拟测量控制块以及模拟输入块通过内部总线连接。具有LCD指示器的控制单元以及具有双向串行输出的串行传输块附接到总线系统。

使用主动地震波层析成像以及被动地震波层析成像的地震成像的方法从以下公开案中已知：“用于评估在煤矿中的矿场工作区的岩层突裂危害的方法(Methodsforevaluationofrockbursthazardsofthemineworkingsinthecoalmines)”(2010年)，约瑟夫·凯比茨(JozefKabiesz)编辑，卡托维兹中央矿业学会，第165到320页。

中国专利文件CN101762830(B)以及CN102279410(A)揭示了用于通过经由以太网连接到基础计算机的地震以及地震声学传感器的网络监视岩体以及用于在所监视的矿场工作区中的地震突裂源的定位的经整合系统和方法，所述系统和方法用于分析记录在空间分布中的信号。

在另一中国专利文献CN101581789(A)中，描述了检测在矿场的岩体中的干扰的方法。此方法由使用主动层析成像方法的在长壁巷道之间的岩体的地震示波仪成像构成。此方法使用沿着长壁巷道放置的三轴(三维)地震检波器，且在相对巷道中的爆炸装药的爆炸是弹性波的源。所述方法由对通过三轴地震检波器在煤床中的爆炸点处诱发的弹性波的分布的记录构成。岩体中的地质学异常基于对这些测量值的分析来确定。

俄罗斯专利申请案RU2011112877(A)揭示了监视在开采工作的过程中岩体的应力以及变形的状态的方法。测量岩体中的弹性波场的特征的过程沿着三个坐标轴使用三轴振动传感器来连续执行，所述三轴振动传感器根据来自不同偏振的直达波以及反射波的数据，记录波场的参数的变化以及应力以及变形的状态的定量变化。在开采工作期间，三轴振动传感器沿着展开工作区(即，其中执行对应力以及变形的状态的监视)布置在两侧。由采煤机的采挖头产生的振动是弹性波的源。在测量岩体中的弹性波的特征的过程中，将地震层析成像的方法用于沿着经开采长壁的盘区长度在煤体中定位应力。

其它专利申请案EP1085347(A2)、EP0333363(A2)、以及RU2011142893(A)涉及用于人工激励用于岩体的地震波层析成像的地震波的设备。在这些装置中，机械冲击元件的动能通过气动媒体来释放。

K.欧赛特(K.Oset)、Z.勒萨科夫(Z.lsakow)以及S.特兰茨爱克(S.Trenczek)的“使用现代测量设备PASATM来识别岩体的状态(RecognitionofthestateoftherockmassusingmodernmeasuringequipmentPASATM)”(第十五周年国际岩土工程研讨会的会议记录“岩土工程2012”，MaterialyNaukowe，格利维策-乌斯特龙，2012年10月23到26日)描述了本质安全的便携式地震设备，所述设备经设计用于在工作区之间以及在孔洞之间的地震筛查、用于在平巷中的纵向地震剖面测量、以及用于对甲烷以及其它气体的潜藏储层的出现的岩体地震探测以及测试。所述设备经设计用于周期性执行使用主动地震波层析成像方法的地震测量。这允许通过利用人造地震波对岩体的筛查来确定地面震动所危及的区域的范围。

所述设备由通过用于两个检波器探头的模拟数据传输的屏蔽电缆而连接的测量以及传输模块MPT组成，所述两个检波器探头由在3维空间中定向的三个地震检波器构成。MPT模块配备有具有FRAM存储器的微控制器、具有可变增益的仪表放大器、具有抗锯齿滤波器的24位补偿转换器、以及传输系统CAN。每个模块由内置的本质安全的电池供电。MWP模块控制来自MPT模块的信号的配置以及传输。所述MWP模块也通过其自身的电池供电。所述MWP模块具有触发输入，允许以微爆炸点火或以通过铁锤敲击实现的机械启动开始测量。另外，所述MWP模块具有用于与PDA模块通信的蓝牙接口，所述PDA模块包含用于测量会话(即，测量时间、频率、增益、以及测量数据采集)的配置的软件。这些数据还经由蓝牙接口发送到安装在矿场表面上的PC计算机以用于进一步处理。

测量原理是利用通过电流回路闭合或打开所获得的触发信号的同时产生来激励地震波。由MWP模块所接收的信号允许所有MPT模块的同步。随后，开始地震波记录。测量数据存储在PDA模块中。专用软件基于所记录的数据产生震动图。从这些震动图可以确定特定类型的波的出现时间、其振幅、频率，计算例如媒体振动的速度或加速度。设备以及测量的构建在地震平息时执行，这需要在长壁开采中中断至少一个开采班次。

现有技术的论述

迄今以较大时间间隔以地震波层析成像执行的特用测量不允许持续监视在长壁前方的应力变化的状态以及进一步评估应力预防性缓解的有效性。已知的本质安全的便携式地震电气设备的主要操作缺点是必需在地震平息时进行测量，这需要使长壁的工作停止至少一个开采班次以便安装传感器、连接测量系统的组件以及使用由锤击或少量爆炸物产生的地震波进行测量。这并非总是可能的且需要持续监视甲烷浓度。

然而，从测量质量以及可靠性的角度来看，使用已知便携式地震电气设备来实施的个别速度主动地震层析成像的主要缺点是“盲区”的出现，在所述盲区中，关于岩层应力的信息是不完全的。第一盲区是在长壁平巷中的地震射线的盲区SY，因为通常抛射装药在该处不被点燃。反过来，个别地应用的被动层析成像的可信度取决于在壁中的经定位地震事件的数目以及分布。同样，由于另一盲区SX的形成，将采煤机开采头用作地震波的源而实现的衰减阻尼层析成像的个别的实施方案并未给出关于在长壁前方的煤体内部的应力集中的信息。当传感器分布在长壁巷道中时，此区域不通过地震波成像。

发明内容

本发明的目标

本发明的目标是提供实施对在深矿中的长壁前方的煤床中存在的应力的相对变化的测量的方法以及系统。这将实现对长壁开采过程中的应力变化的持续且不含盲区的测量，且同时加宽对应力集中的状态的识别的范围且增加对应力的相对变化的测量的准确性以及可靠性以确保迅速且更有效的岩层突裂防止。

本发明的概述

在所提出的测量在长壁前方的应力的相对变化的新方法中，捕获控制服务器在所有测量通道中同步地且以经同步时间间隔且与告知在壁工作区中的采煤机位置和操作模式的信号密切相关，来记录来自安装在长壁巷道中的三轴地震检波器的振动信号。在此基础上，所述捕获控制服务器与处理服务器协作来确定地震现象的位置，且在结束采煤机的每次采挖之后，所述捕获控制服务器使用衰减阻尼层析成像使用所记录的由开采装置诱发的波的能量来分析在长壁前方的煤体中的应力的相对变化。

在采煤机停止期间，捕获控制服务器利用在巷道之间的岩体的速度或衰减主动层析成像利用通过振动的激励器由服务器从矿场表面远程地触发的地震波来继续操作。接着，所述服务器通过速度和/或衰减被动层析成像的方法使用由开采诱发的作为冲击波的源的震动来分析应力。随后周期性地，优选地在一个开采班次期间若干次地，画出应力的相对变化的集中的平均累积层析成像图和/或画出特定层析成像的图。最终，在采挖头已经结束其工作之后的状态中，自动执行使用巷道之间的岩体的主动层析成像使用由振动的激励器导致的地震波的应力分析。

如果采煤机在执行层析成像使恢复工作，那么后者被中断直到检测到在采煤机工作中的下一断开。来自三轴地震检波器的信号的采样以及模数转换以一定采样频率与时钟参考节拍同步，且优选地具有对由传输线的不同长度导致的时延的同时补偿。最优选地，测量数据本地集线器的内部时间使用IEEE1588PTP协议经由捕获控制服务器与卫星全球定位模块GPS同步。

此外，所得应力的相对变化的集中的平均累积层析成像图和/或特定层析成像的图在累积层析成像可视化面板上且在主动衰减阻尼层析成像可视化面板上、在主动速度和/或衰减层析成像可视化面板上以及在被动速度和/或衰减可视化面板上可视化。

脉冲激励器通过将经压缩媒体从其源引入到在所述脉冲激励器的活塞上方的空间中来远程触发。经压缩媒体通过打开由经由发射器模块以及数字接收器来自位于矿场表面上的捕获控制服务器的脉冲启动的电动气动分配器来提供。与长壁前进相对应，启动以及振动测量模块布置在巷道的侧壁中且附接到预安装锚定器。

用于测量在长壁面中的应力集中的相对变化的系统由布置在长壁巷道中的一者中的至少六个通用启动以及振动测量模块以及布置在相对长壁巷道中的至少六个振动测量模块组成，或由对称地安装的至少十二个通用启动以及振动测量模块(即，在两个长壁巷道中的每一者中有六个)组成。所述通用启动以及振动测量模块通过本质安全的数字传输线连接到本地测量数据集中器，所述集中器连接到本质安全的电力缓冲供应装置，且经由光学以太网连接到捕获控制服务器。捕获控制服务器连接到矿场调度系统、全球定位卫星模块、内部时间模块、以及处理服务器，所述处理服务器连接到累积层析成像可视化面板，且优选地连接到主动衰减阻尼层析成像可视化面板、主动速度和/或衰减层析成像可视化面板、以及被动层析成像可视化面板。

矿场调度系统通过采煤机的位置和操作控制系统连接到采煤机，所述采煤机配备有位置传感器。通用启动以及振动测量模块配备有脉冲振动激励器以及三轴测量探头，且以机械方式附接到嵌入在所述壁工作区的侧壁、顶部或底部中的锚定器。三轴检波器连接到发射器模块以及数字接收器。脉冲振动激励器配备有电动气动分配器，所述电动气动分配器具有耦合到发射器以及数字接收器模块的控制单元。电动气动分配器的出口连接到在脉冲振动激励器的爆炸元件的活塞上方的配备有活塞上压缩弹簧的空间。电动气动分配器的入口通过管道连接到本地供应模块，所述本地供应模块是气动媒体的源，最优选地是经压缩氮气。振动测量模块由以机械方式附接到嵌入在所述壁工作区的侧壁、顶部或底部中的锚定器的三轴测量探头构成。三轴检波器连接到发射器以及数字接收器模块。

本发明的效果

本发明是基于地震波层析成像的三种方法，第一方法是主动速度或衰减层析成像，包括利用通过使用脉冲振动激励器18从矿场表面D控制的脉冲在矿场地下部分E人工诱发的地震波FS对在巷道之间的煤体进行的地震扫描。第二种同时使用的方法是主动衰减阻尼层析成像，其使用利用由采煤机15的开采头诱发的地震波FK对长壁区域进行的地震扫描，其中这些测量值与告知在所述壁工作区B中的采煤机15的操作以及位置的信号同时相关。第三种被动速度或衰减层析成像方法将由开采诱发的震动用作地震波FP的源。

通过使用新的综合方法来确定地震波的速度以及衰减的相对变化，且间接地确定近似与速度成正比且与衰减成反比的在长壁前方的应力集中的相对变化，所得的应力的相对变化的平均累积层析图在每个开采班次期间若干次地画出，而不必停止长壁开采，且消除由单独采取这些方法中的每一者产生的限制。本发明通过记录速度增加或在具有速度减少的地震波的区域中的岩体毁坏来获得对地震波速度的变化的当前观测结果，所述观测结果是应力增加的集中的位置的图像。通过在长壁巷道A之间执行的当前地震扫描使用从矿场表面控制的脉冲振动激励器18，本发明还消除了在利用由采煤机15的开采头产生的波扫描壁区域的方法中呈现的呈三角形形式的盲区SX。

此外，部署在长壁巷道A的侧壁中且附接到预安装锚定器20的新通用启动以及振动测量模块1的使用以及其随着长壁前进的移动允许自由且适当的测量程序设计，以及使用通过人工诱发的地震波FS对巷道A之间的岩体进行的扫描的对使用主动地震层析成像的测量的控制。根据本发明的方法和系统在长壁系统的正常操作期间执行当前测量且允许连续监视应力集中的变化，所述监视是开采人员的安全性所必需的，因为它允许在岩层突裂危害的情况下快速疏散开采人员且允许使用岩层突裂危害的预防性减小。

附图说明

本发明在图式中的示例性实施例中示出，其中图1-示出了具有在长壁巷道的两者中的通用启动以及测量模块的测量系统的框图，图2-示出了通用启动以及振动测量模块的框图，图3-示出了具有布置在长壁巷道中的一者中的通用启动以及测量模块的测量系统的框图，以及图4-示出了振动测量模块的框图。

具体实施方式

实例I(方法)

本发明的方法是基于使用新累积地震层析成像的当前测量以及分析，所述新累积地震层析成像应用出于此目的使用从矿场表面控制且激发人造地震波FS的机械脉冲振动激励器18的主动速度或衰减层析成像以及主动衰减阻尼层析成像，以及包括对由采煤机15的开采头激励的地震波FK的分析的补充的衰减阻尼层析成像，所述采煤机相对于长壁的位置通过采煤机位置和操作控制系统17来记录。此外，应力的变化利用被动层析成像的方法将在受控长壁的区域中通过处理服务器10定位的冲击W1、W2...Wi用作扫描波的源来识别出。此方法的有效使用取决于在所监视的长壁的区域中的地震活动以及震动的分布。

启动以及振动测量模块1布置在两个长壁巷道A的侧壁中，或根据当前需要，布置在仅长壁巷道A中的一者中，而在相对长壁巷道A中分布有振动测量模块28。启动以及振动测量模块1以及振动测量模块28根据长壁前进而移动。利用主动层析成像的方法通过使用由振动激励器18诱发的地震波在长壁巷道A之间进行的岩体扫描而进行的对应力的相对变化的分析在其中长壁采煤机15已经完成采挖、且开采部分结束其工作的状态中自动执行。如果长壁采煤机15在使用振动激励器18的主动层析成像期间恢复开采，那么暂停测量过程直到检测到采煤机15的下一次停止。

由采煤机15的开采头产生的地震波FK反复地扫描在长壁前方的煤体C且允许此区域的衰减阻尼层析成像。在此方法中出现的呈三角形形式的盲区SX(其中地震射线不能扫描远离长壁前方的底部或顶部)通过主动速度或衰减层析成像的补充测量来分析，其中对在长壁巷道A中产生且由从矿场表面控制的脉冲振动激励器18触发的地震波FS进行分析。

对于利用人造地震波FS启动的主动脉冲速度或衰减层析成像的使用特殊的盲区SY，通过衰减阻尼层析成像利用由采煤机15的开采头产生的地震波FK来补充。以优选地10KHz的采样频率与节拍参考时钟信号同步执行来自三轴地震检波器19的信号的采样以及通过模块21进行的模拟信号到数字信号的转换。

本地测量数据集中器3的内部时间使用IEEE1588PTP协议经由捕获控制服务器6与卫星时钟8同步。记录在记录服务器6中的来自三轴地震检波器19的数字数据以及震动的连续记录以及选定记录利用由采煤机的位置和操作系统17发送的采煤机位置信息来补充。此系统是矿场调度系统7的一部分。捕获控制服务器6向处理服务器10发送这些数据，所述处理服务器分析所记录的数据，计算在主动衰减阻尼层析成像可视化面板11上的主动衰减阻尼层析成像的图、在主动速度或衰减层析成像可视化面板12上的主动速度或衰减层析成像的图、在被动速度或衰减层析成像可视化面板13上的被动层析成像的图、以及在累积层析成像可视化面板14上的累积层析成像的图且使这些图可视化。

图2上示出的每个通用启动以及振动测量模块1附接到锚定器20，所述锚定器牢固地嵌入在岩体中，即嵌入在巷道的侧壁、顶部或底部中。启动以及振动测量模块1包含与三轴检波器19整合的脉冲振动激励器18。将模拟输出信号发送到发射器以及数字接收器模块21的输入端。将所述信号以数字形式经由本质安全的传输数字线路2发送到本地测量数据集线器3且进一步经由光学以太网5发送到捕获控制服务器6。发射器接收器模块21接收以及发送用于致动电动分配器22的信号27，所述信号通过处理服务器10发送以周期性地导致对启动人工诱发的地震波FS的振动激励器18的单一致动。振动激励器18的启动通过向脉冲振动激励器18的爆炸元件23的活塞上方的空间提供在流体供应源26中加压的媒体25量，所述媒体量使得锤击元件23撞击锚定器20。由脉冲振动激励器18导致的人工诱发的地震波FS的产生的时刻通过三轴检波器19来识别。在系统压力降低到准许值之下之后周期性更换一瓶经压缩氮气，所述经压缩氮气是气动媒体供应模块26。脉冲振动激励器18的不当启动通过记录在其激励时的振动的三轴检波器19来识别。

实例II(系统)

图1中示意性地示出的根据本发明的系统由对称地每15米安置在长于120m的长壁巷道A中的十六个通用启动振动测量模块1构成。通用启动以及振动测量模块1通过本质安全的数字传输线2连接到本地测量数据集线器3，所述集线器连接到本质安全的电力缓冲供应装置4，且经由光学以太网5连接到位于矿场的表面D上的捕获控制服务器6。捕获控制服务器6连接到矿场调度器系统7、全球卫星定位模块8、内部时间模块9、以及处理服务器10。后者连接到主动衰减阻尼层析成像可视化面板11、主动速度或衰减层析成像可视化面板12、被动速度或衰减层析成像可视化面板13、以及累积层析成像可视化面板14。矿场调度系统7连接到采煤机15，所述采煤机除其它之外还配备有将采煤机的位置数据发送到采煤机位置和操作控制系统17的采煤机位置传感器16，所述采煤机位置和操作控制系统是矿场调度系统7的组件中的一者。

通用启动以及振动测量模块1(图2)中的每一者设置有脉冲振动激励器18以及三轴检波器19，且以机械方式附接到锚定器20，所述锚定器根据需要嵌入在长壁巷道A的侧壁中或底部或顶部中。三轴检波器19连接到发射器和接收器数字模块21，所述发射器和接收器数字模块的数字传输的输入端以及输出端经由本质安全的数字传输供应线2连接到由本质安全的电力缓冲供应装置4供电的本地测量数据集中器3的所述通道的数字接收器。脉冲振动激励器18配备有电动气动分配器22，所述电动气动分配器的控制单元耦合到发射器和接收器数字模块21。经压缩氮气从电动气动分配器22的出口供应到在脉冲振动激励器18的冲击元件23的活塞上方的配备有活塞上压缩弹簧24的空间。来自供应单元26的呈储存在具有调节器的便携式压力瓶中的经压缩氮气的形式的气动媒体25通过供应管道供应到电动气动分配器22的入口。

实例III(系统)

本发明的另一实施例在图3中示出，且它由布置在长壁巷道A中的一者中的至少六个通用启动以及振动测量模块1以及定位在相对长壁巷道A中的至少六个振动测量模块28构成。通用启动以及振动测量模块1以及振动测量模块28以如上文在实例II中描述的相同系统配置连接。振动测量模块28(图4)由以机械方式附接到锚定器20的三轴检波器19构成，所述锚定器根据需要嵌入在长壁巷道A的侧壁、底部或顶部中。三轴检波器19连接到发射器和接收器数字模块21。