自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统与方法

摘要

本发明公开了一种自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统，其包括第一传感器、计数器和测距仪，第一传感器位于钻孔内且可在钻孔内沿上下方向移动，第一传感器可产生声音并记录声音，计数器与第一传感器相连，第一传感器在钻孔内移动时可带动计数器转动，计数器可产生转动信号以记录第一传感器在钻孔内的深度数据，测距仪设在钻孔远离崩落顶板的一端，测距仪用于测量并记录钻孔远离崩落顶板的一端与崩落矿石堆的表面的距离，测距仪测量的数据与计数器测量的数据之差为空区的高度。本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统可以对矿山崩落顶板位置及空区高度的进行实时监测，提高矿山的生产安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及矿山设备技术领域，具体地，涉及一种自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统与方法。

背景技术

自然崩落采矿法是指在待开采矿体底部拉底水平通过爆破方式破碎一定厚度的矿体并出矿形成供上部矿体崩落的空间，上部矿体在自重及水平构造应力作用下促使矿体原生结构面破裂形成块状矿石自然冒落，并通过底部结构进行大量出矿的地下采矿方法。崩落顶板是指自然崩落法矿山待崩落矿体的下部边界，该边界随着矿体的不断冒落而发生变化。

相关技术中，自然崩落法矿山崩落顶板的监测主要采用钻孔摄像法、时域反射法、微震监测法和智能信标法。其中，钻孔摄像装置系统主要由人工控制进行崩落顶板的测量，未实现监测过程的自动化连续作业，且钻孔摄像采用的是光学传感器，易受探头外罩玻璃污染影响观测效果。时域反射法监测线缆与钻孔孔壁通过水泥砂浆等材料胶结耦合，易受崩落顶板之上矿岩剪切变形造成线缆的中间断裂，造成监测结果失真，且不能实现对空区高度的测量。微震监测法容易受岩体结构的复杂特性影响，波动传播速度通常不为定值，而微震定位算法中采取的是恒定的波动传播速度，导致现有微震监测定位的精度差，无法实现崩落顶板位置的精准测量，且不能实现对空区高度的测量。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统，该装置可以对矿山崩落顶板位置及空区高度的实时监测，优化出矿、拉底、矿岩预处理等生产计划，保障矿山生产作业的高效衔接，同时提高矿山的生产安全性，有效避免空气冲击风险的产生。

本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统，崩落顶板和崩落矿石堆之间具有空区，矿山上具有钻孔，所述钻孔沿上下方向延伸至所述崩落顶板的表面并与所述空区连通，所述空区位于所述崩落顶板的下方，

所述自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统包括：

第一传感器，所述第一传感器位于所述钻孔内且可在所述钻孔内沿上下方向移动，所述第一传感器可产生声音并记录声音；

计数器，所述计数器与所述第一传感器相连，所述第一传感器在所述钻孔内移动时可带动所述计数器转动，所述计数器可产生转动信号以记录所述第一传感器在所述钻孔内的深度数据；

测距仪，所述测距仪设在所述钻孔远离所述崩落顶板的一端，所述测距仪用于测量并记录所述钻孔远离所述崩落顶板的一端与所述崩落矿石堆的表面的距离，所述测距仪测量的数据与所述计数器测量的数据之差为所述空区的高度。

本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统，可以通过第一传感器、计数器和测距仪来实现对自然崩落法矿山崩落顶板位置及空区高度的实时监测，为自然崩落法矿山了解顶板矿岩崩落过程、合理优化出矿及拉底计划、制定矿岩预处理措施等提供依据，进而指导矿山合理优化出矿、拉底、矿岩预处理等生产计划，保障矿山生产作业的高效衔接，还有效的保障了自然崩落法矿山的安全高效开采，提高矿山的生产安全性，有效避免空气冲击风险的产生。

在一些实施例中，所述第一传感器包括蜂鸣器和声级计，所述蜂鸣器可在所述钻孔内沿上下方向移动并产生声音，所述声级计设在所述钻孔远离所述崩落顶板的一端，所述声级计与所述蜂鸣器相连以接收并记录所述蜂鸣器产生的声音。

在一些实施例中，当所述声级计采集到所述蜂鸣器所产生的声音，所述蜂鸣器位于所述钻孔内且位于所述崩落顶板上方，当所述声级计未采集到所述蜂鸣器所产生的声响，所述蜂鸣器位于所述崩落顶板下方。

在一些实施例中，所述自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统还包括数据采集器和供电件，所述数据采集器与所述声级计、所述计数器和所述测距仪相连，以记录所述声级计采集到的所述蜂鸣器产生的声音信号、所述计数器记录的所述蜂鸣器在所述钻孔内的深度数据和所述测距仪测量的所述钻孔远离所述崩落顶板的一端与所述崩落矿石堆的表面的距离数据，所述供电件用于对所述数据采集器、所述第一传感器、所述计数器和所述测距仪供电。

在一些实施例中，所述自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统还包括驱动件、卷线器和电源信号线，所述驱动件与所述卷线器相连，以驱动所述卷线器转动，所述电源信号线缠绕在所述卷线器上，所述电源信号线连接所述数据采集器和所述蜂鸣器。

在一些实施例中，所述自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统还包括平板电脑，所述平板电脑与所述数据采集器相连，所述平板电脑用于对所述数据采集器所采集到的信号进行实时显示。

在一些实施例中，所述自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统还包括本体和车轮，所述第一传感器、所述计数器和所述测距仪设在所述本体上，所述第一传感器相对于所述本体可移动，所述车轮设在所述本体的底部。

在一些实施例中，所述本体具有电源接口，所述本体可通过所述电源接口与所述矿山外的电源相连。

本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统的方法，包括：

在矿山上开设钻孔，所述钻孔与空区连通；

设置第一传感器、计数器和测距仪，所述第一传感器在所述钻孔内移动并产生声音和记录声音，所述测距仪用于测量钻孔远离所述崩落顶板的一端与所述崩落矿石堆的表面的距离，所述计数器用于记录所述第一传感器在所述钻孔内的深度数据；

用所述测距仪测量的数据减去所述计数器测量的数据即为所述空区的高度。

本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统的方法，第一传感器在钻孔内移动时产生声音和记录声音，在此过程中计数器记录第一传感器在钻孔内的移动时的深度数据，深度数据减去测距仪测量到的钻孔远离崩落顶板的一端与崩落矿石堆表面之间的距离即为高区的高度，由此，本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统的方法可实时监测空区的高度，且精度高，从而有效指导矿山的生产，提高矿山的生产安全性。

在一些实施例中，所述测距仪测量的数据为所述第一传感器产生的声音发生突变时所述钻孔远离所述空区的一端至崩落矿石堆顶部的距离。

附图说明

图1是本发明实施例中崩落顶板、崩落矿石堆和空区的示意图。

图2是本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统的示意图。

图3是本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统的蜂鸣器在钻孔内移动时声级计采集声响的示意图。

图4是本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统的蜂鸣器位于空区的示意图。

图5是图4中A部分的放大示意图。

图6是图4中B部分的放大示意图。

附图标记：100、崩落顶板；200、崩落矿石堆；300、空区；400、钻孔；1、第一传感器；11、蜂鸣器；12、声级计；2、计数器；3、测距仪；4、数据采集器；5、供电件；6、平板电脑；71、本体；72、车轮；73、电源接口；81、驱动件；82、卷线器；83、电源信号线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

自然崩落法采矿是一种低成本、高效率且易于实现自动化作业的采矿方法，在矿岩破碎的低品位厚大矿床开发中具有显著优势。自然崩落法采矿过程是随着自然冒落的破碎矿石在出矿水平的不断运出，在崩落顶板与破碎矿石堆间形成一定高度的空区，上部矿体在自重及水平构造应力作用下促使矿体原生结构面破裂形成自然冒落填充上述空区，上述出矿水平持续出矿将导致崩落顶板不断冒落并向上发展。

当上部矿体完整性趋好时，随着出矿作业的进行，破碎矿石堆的高度不断降低，而崩落顶板没有跟进冒落，将导致崩落顶板与破碎矿石堆间的空区高度增大，根据《金属非金属矿山安全规程》要求该高度不得大于5m。若崩落顶板突然的大面积塌落将引起冲击气压等风险，对底部结构稳定性及出矿水平作业人员、设备将产生安全隐患。为了避免上述情况发生，需要对自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度进行实时在线监测，为优化出矿及拉底计划、矿岩预处理等措施提供支撑依据，保障崩落顶板的持续稳定冒落。

如图1-6所示，崩落顶板100和崩落矿石堆200之间具有空区300，矿山上具有钻孔400，钻孔400沿上下方向延伸至崩落顶板100的表面并与空区300连通，空区300位于崩落顶板100的下方。具体地，钻孔400的直径为75mm～110mm。

本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统包括第一传感器1、计数器2和测距仪3。

第一传感器1位于钻孔400内且可在钻孔400内沿上下方向移动，第一传感器1可产生声音并记录声音。计数器2与第一传感器1相连，第一传感器1在钻孔400内移动时可带动计数器2转动，计数器2可产生转动信号以记录第一传感器1在钻孔400内的深度数据。测距仪3设在钻孔400远离崩落顶板100的一端，测距仪3用于测量并记录钻孔400远离崩落顶板100的一端与崩落矿石堆200的表面的距离，测距仪3测量的数据与计数器2测量的数据之差为空区300的高度。

本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统，可以通过第一传感器1、计数器2和测距仪3来实现对自然崩落法矿山崩落顶板100位置及空区300高度的实时监测，为自然崩落法矿山了解顶板矿岩崩落过程、合理优化出矿及拉底计划、制定矿岩预处理措施等提供依据，进而指导矿山合理优化出矿、拉底、矿岩预处理等生产计划，保障矿山生产作业的高效衔接，还有效的保障了自然崩落法矿山的安全高效开采，提高矿山的生产安全性，有效避免空气冲击风险的产生。

具体地，通过深度计数器2可以监测得到第一传感器1下放至钻孔400内的深度，当第一传感器1位于崩落顶板100边界时该深度即为钻孔400的残留深度。根据矿块初始高度(钻孔400远离崩落顶板100的一端与崩落矿石堆200底部之间的距离)与钻孔400残留深度之差可以推算出顶板崩落高度。

具体地，测距仪3为激光测距仪。通过在钻孔400远离崩落顶板100的一端设置测距仪3，测距仪3发射的激光在崩落矿石堆200的矿石表面发生反射并被测距仪3接收，即可测算出测距仪3至崩落矿石堆200表面的距离，通过测距仪3至崩落矿石堆200表面的距离和钻孔400残留高度之差即可得到崩落顶板100与崩落矿石堆200间的空区300高度。

具体地，测距仪3的发射端朝向钻孔400邻近崩落顶板100的一端，测距仪3采用固定装置(未示出)以保证测距仪3发出的激光与钻孔400平行，从而避免倾斜导致发射激光经钻孔400孔壁反射。

在一些实施例中，第一传感器1包括蜂鸣器11和声级计12。蜂鸣器11可在钻孔400内沿上下方向移动并产生声音，声级计12设在钻孔400远离崩落顶板100的一端(如图1所示的钻孔400的上端)，声级计12与蜂鸣器11相连以接收并记录蜂鸣器11产生的声音。

在一些实施例中，如图3所示，当声级计12采集到蜂鸣器11所产生的声音，蜂鸣器11位于钻孔400内且位于崩落顶板100上方，当声级计12未采集到蜂鸣器11所产生的声响，蜂鸣器11位于崩落顶板100下方。

具体地，通过放置在钻孔400上端的声级计12可以连续监测到孔内蜂鸣器11的声响，并通过深度计数器2监测得到蜂鸣器11的位置，根据钻孔400孔口声级计12监测信号的突变点可以判定蜂鸣器11在孔内的位置即为崩落顶板100的边界，进而根据蜂鸣器11的深度数据以及该矿块的初始高度即可计算得到崩落高度。

通过位于钻孔400孔口的测距仪3可以测得钻孔400孔口至崩落矿石堆200表面的间距，进而根据顶板崩落高度即可计算得到空区300高度。

在一些实施例中，按照一定间距布置监测多个钻孔400及设置本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统，以将多个钻孔400监测得到的崩落顶板100位置进行连接即可推演得到覆盖全矿区的崩落顶板100及空区300三维空间。

在一些实施例中，自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统还包括数据采集器4和供电件5。数据采集器4与声级计12、计数器2和测距仪3相连，以记录声级计12采集到的蜂鸣器11产生的声音信号、计数器2记录的蜂鸣器11在钻孔400内的深度数据和测距仪3测量的钻孔400远离崩落顶板100的一端与崩落矿石堆200的表面的距离数据，所述供电件5用于对所述数据采集器4、所述第一传感器1、所述计数器2和所述测距仪3供电。

具体地，供电件5为蓄电池组。

在一些实施例中，自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统还包括驱动件81、卷线器82和电源信号线83。驱动件81与卷线器82相连，以驱动卷线器82转动，电源信号线83缠绕在卷线器82上，电源信号线83连接数据采集器4和蜂鸣器11。

具体地，驱动件81用于驱动卷线器82转动，且两者之间采用轴传动连接。通过驱动件81的正反转可实现卷线器82的正转和反转，进而实现电源信号线83缆在钻孔400内的下放和提升。驱动件81驱动卷线器82正转时，电源信号线83缆带动蜂鸣器11向钻孔400底部下放。驱动件81驱动卷线器82反转时，电源信号线83缆带动蜂鸣器11向钻孔400孔口移动。

卷线器82上缠绕着电源信号线83，电源信号线83的一端连接蜂鸣器11，电源信号线83另一端连接数据采集器4。电源信号线83缆用于给蜂鸣器11提供电源，同时电源信号线83缆下放过程还可带动计数器2转动进而监测电源信号线83下放长度。计数器2是随着电源信号线83缆的下放或提升而转动，两者之间紧密贴合，通过对计数器2的转动信号进行采集即可得到电源信号线83缆的下放长度。

具体地，驱动件81为电动马达。

具体地，数据采集器4用于连接测距仪3、声级计12和蜂鸣器11，同时还与供电件5和驱动件81连接以实现对电压和电机工况的监测。

在一些实施例中，自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统还包括平板电脑6，平板电脑6与数据采集器4相连，平板电脑6用于对数据采集器4所采集到的信号进行实时显示。

具体地，平板电脑6用于安装监测软件以实现监测数据的实时显示。通过将平板电脑6以无线或有线方式接入矿山通讯系统，可以实现对上述设备的远程监控、调试与数据传输。

具体地，供电件5为驱动件81、计数器2、数据采集器4和平板电脑6供电。

在一些实施例中，自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统还包括本体71和车轮72，第一传感器1、计数器2和测距仪3设在本体71上，第一传感器1相对于本体71可移动，车轮72设在本体71的底部。

具体地，声级计12、供电件5、驱动件81、数据采集器4、平板电脑6和卷线器82设在本体71上，且蜂鸣器11相对于本体71可移动，卷线器82相对于本体71可转动。

车轮72设在本体71的底部，以使本体71可采用轮式行走的方式，便于在井下巷道环境自由运行。本体71采用钢结构，能够有效承载巷道顶部冒落矿石的冲击。由此，本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统造价成本低，而且还可以实时连续监测数据、精度高，有效指导矿山生产。

在一些实施例中，本体71具有电源接口73，本体71可通过电源接口73与矿山外的电源相连。

具体地，本体71通过电源接口73与矿山外的电源相连以为本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统提供持续的动力，保障改装置系统的连续稳定运行。

具体地，本体71可通过电源接口73外接220V电源。

由此，本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统不仅可采用外接电源，还可采用蓄电池供电模式，从而有效的保障车载设备的长期稳定运行。该装置系统还具有监测数据实时采集功能，同时可以通过无线或有线方式连接矿山通讯环网，实现车载设备的远程监控、调试与数据传输。

某铜矿山采用自然崩落法开采，上一中段开采已接近尾声，现阶段正转为下一中段开采，两个中段间距约120m。为了提高下一中段自然崩落法开采的安全性，采用本发明提出的自然崩落法矿山崩落顶板100监测装置进行了顶板位置及空区300高度监测。

本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统的方法包括：

在矿山上开设钻孔400，钻孔400与空区300连通。

具体地，在上一中段水平的运输巷道中布置下向竖直钻孔400，钻孔400的孔底位于拉底爆破层之上2～3m，钻孔400直径约100mm，钻孔400深度约100m。钻孔400的孔口所处巷道围岩需进行喷锚网加强支护，以防止局部掉块对设备的冲击。

设置第一传感器1、计数器2和测距仪3，第一传感器1在钻孔400内移动并产生声音和记录声音，测距仪3用于测量钻孔400远离崩落顶板100的一端与崩落矿石堆200的表面的距离，计数器2用于记录第一传感器1在钻孔400内的深度数据。

具体地，第一传感器1包括蜂鸣器11和声级计12。将蜂鸣器11、测距仪3和声级计12设在钻孔400远离空区300的一端，检查数据采集器4、供电件5、驱动件81、平板电脑6、计数器2和电源信号线83之间的连接状态，开启供电件5并进行系统调试。启动供电件5并开启数据采集器4进行数据采集。

具体地，驱动件81正转时电源信号线83缆带动蜂鸣器11向钻孔400底部下放，反之提升。平板电脑6上的数据采集系统中显示深度计数器2深度。蜂鸣器11采用长鸣模式，钻孔400上部的声级计12可检测到声响并在平板电脑6上的数据采集系统中显示分贝数。测距仪3发射端朝向钻孔400底部发射激光。平板电脑6的数据采集系统中显示激光测距长度。平板电脑6数据采集系统中显示空区300高度。

具体地，蜂鸣器11在钻孔400内移动并发生声响，蜂鸣器11的下放速度约2m/min。随着蜂鸣器11的下放，声级计12可采集到连续近似恒定的声级数据，深度计数器2可采集到连续增长的深度数据；当声级计12数据明显降低或为近似50分贝时，此时的蜂鸣器11即位于崩落顶板100边界位置。随着蜂鸣器11继续下放约1m时，声级计12数据依然很低或近似50分贝，说明蜂鸣器11位于崩落顶板100之下，此时通过自动控制系统使电动马达反转使蜂鸣器11提升。

当蜂鸣器11提升至一定高度时，声级计12数据跃升并保持近似恒定时，蜂鸣器11进入钻孔400内部，此时的蜂鸣器11即位于崩落顶板100边界位置。随着蜂鸣器11继续上升5m，如果声级计12的数据一直保持近似恒定，则调整电动马达使其正转以使蜂鸣器11向钻孔400底部移动。

具体地，测距仪3设置为连续测量模式，每分钟读取10次数据。当声级计12数据突变时刻的测距仪3数据即为钻孔400的孔口至崩落矿石堆200顶部的距离。

用测距仪3测量的数据减去计数器2测量的数据即为空区300的高度。

本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统的方法，第一传感器1在钻孔400内移动时产生声音和记录声音，在此过程中计数器2记录第一传感器1在钻孔400内的移动时的深度数据，深度数据减去测距仪3测量到的钻孔400远离崩落顶板100的一端与崩落矿石堆200表面之间的距离即为高区的高度，由此，本发明实施例的自然崩落法矿山崩落顶板及空区高度监测装置系统的方法可实时监测空区300的高度，且精度高，从而有效指导矿山的生产，提高矿山的生产安全性。

在一些实施例中，测距仪3测量的数据为第一传感器1产生的声音发生突变时钻孔400远离空区300的一端至崩落矿石堆200顶部的距离。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。