一種基于皮帶機的煤礦工作面實時探測系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種探測系統(tǒng)及方法，屬于煤礦工作面應力監(jiān)控領域，具體涉及一種基于皮帶機的煤礦工作面實時探測系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]采煤工作掏空地下部分煤層后會引起劇烈的應力調整，對工作面應力調整情況的實時探測，能夠有效預警災害事故。煤礦工作面的地質災害主要包括頂板的冒落、瓦斯突出、承壓水的突出等，這些災害的發(fā)生主要是因為開采活動打破了工作面巖層原有的應力平衡，巨大的上覆地層壓力在采空部位失去了支撐，應力不斷重新調整，在采空區(qū)域的邊界上形成了明顯的應力集中區(qū)，采空區(qū)域的底板有向上拱起的應力。強烈的應力改變會在應力集中區(qū)或巖層的薄弱帶形成裂隙，而且裂隙往往會逐步相互連通，最終造成瓦斯或水的突出，或頂板冒落。
[0003]現(xiàn)有技術中，通常使用鉆孔應力儀測量應力變化，然而這種方法只能測量局部變化，利用地震方法能解決應力的全工作面掃描問題。應力的變化無法直接由地震學方法測得，不過可以利用地震波速度的變化間接得到。完整巖石的波速由巖石的密度和楊氏模量決定，應力變化可以對楊氏模量造成比較明顯的改變，從而能夠間接改變巖石的局部波速。對于有裂隙或孔隙的介質，應力造成裂隙等的閉合對波速的影響比較顯著。如果巖層中存在流體飽和的裂隙或孔隙，橫波和縱波的速度比會有比較大的差異，與縱波相比，橫波速度對于流體的存在不太敏感，因而利用縱橫波速比的變化不僅能夠探測應力的變化，而且可以發(fā)現(xiàn)介質各向異性性質的改變。由于煤層相對于圍巖軟弱易變形，它的波速變化對應力變化的反應能力更強，因此利用地震方法實時監(jiān)測頂、底板和煤層的波速改變，能夠實現(xiàn)對工作面巖層應力變化的全面掃描。
[0004]利用地震方法監(jiān)測巖層介質參數(shù)的變化，要求震源和檢波器盡量固定不變，因為巖層介質的改變本身是微弱的，測量條件的穩(wěn)定性對于介質變化的探測至關重要。檢波器固定安裝在相同的位置上很容易做到，而要得到一個可重復激發(fā)的震源則不太容易。通常的炸藥震源都會破壞炮孔，再次激發(fā)需要重新打孔，兩次的孔位會有一些差異，重復性比較差，更不可能實現(xiàn)長期監(jiān)測。長期監(jiān)測的震源要能多次重復激發(fā)、對礦井下設施無損害，最好還能不影響正常的采煤作業(yè)。錘擊等方法可重復使用但能量太低。采煤機也可以作為震源，缺點是位置不固定，且只局限在切眼內。皮帶運輸機發(fā)出的機械噪音具有高能量、寬頻帶的特點，且能隨采掘實時發(fā)射，利用地震干涉方法將其實時轉化為虛炮集，是工作面四維地震掃描的理想震源。針對工作面預警遇到的難題和皮帶機作為一種有效震源的特點，我們研究出了以皮帶機為震源的煤礦工作面實時探測預警方法。為了加強皮帶機震源的能量，設計了一種附加擊震器支架，既不影響支架系統(tǒng)原有的穩(wěn)固性，又能持續(xù)激發(fā)出更高能量的地震波。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術中存在的震源可重復激發(fā)難度大，難以實現(xiàn)工作面的長期實時監(jiān)測的技術問題，提供了一種基于皮帶機的煤礦工作面實時探測系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)及方法將安裝在工作面運順巷內的皮帶機作為震源，在運順巷和工作面另外一側的回風巷都布置地震檢波器，通過記錄一定時間長度的震動，從而獲得信噪比較高的地震炮集，經層析成像處理得到工作面的速度分布CT，將各個時間段的工作面CT連起來形成隨時間變化的“云圖”，就能夠發(fā)現(xiàn)應力調整的異常區(qū)，發(fā)出預警信號。因此，該系統(tǒng)及方法可以實現(xiàn)全工作面的長期實時應力掃描。
[0006]為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于皮帶機的煤礦工作面實時探測系統(tǒng)，包括:
[0007]皮帶機，用于產生可重復激發(fā)的聲波信號；
[0008]檢波器，用于在探測區(qū)域內接收皮帶機所發(fā)出的聲波信號；
[0009]數(shù)據(jù)處理設備，用于將檢波器所接收到的聲波信號轉換為虛炮集并利用所述虛炮集對工作面進行CT成像。
[0010]優(yōu)化的，上述的一種基于皮帶機的煤礦工作面實時探測系統(tǒng)，還包括安裝于所述皮帶機上的擊震器支架，所述擊震器支架包括:連接于皮帶機橫梁上的上支架、固定于底板上的下支架，所述上支架和所述下支架相對的一端套接在一起并且間隙配合。
[0011]為了解決上述問題，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一種基于皮帶機的煤礦工作面實時探測方法，包括利用地震干涉法對工作面進行探測，所述地震探測法中以皮帶機為震源。
[0012]優(yōu)化的，上述的一種基于皮帶機的煤礦工作面實時探測方法，包括以下步驟:
[0013]數(shù)據(jù)采集步驟，用于利用安裝于監(jiān)測區(qū)域內的檢波器采集皮帶機發(fā)出的聲彈性波信號;
[0014]數(shù)據(jù)處理步驟，用于利用地震干涉法將皮帶機的聲波信號轉化為虛炮集，通過虛炮集對工作面進行CT成像，按時間順序將CT圖像組織成應力調整云圖和差分云圖；
[0015]數(shù)據(jù)分析步驟，用于通過所述應力調整云圖和所述差分云圖對可能的災害類型和位置做出判斷及預警。
[0016]優(yōu)化的，上述的一種基于皮帶機的煤礦工作面實時探測方法，所述數(shù)據(jù)處理步驟具體包括:
[0017]虛炮集轉換子步驟，利用互相關干涉技術把皮帶機的聲波信號轉化為有效地震信號，得到從運順巷透射到回風巷的虛炮集；再利用多維反褶積干涉壓縮虛炮集的點擴散函數(shù)，得到高分辨率的虛炮集；
[0018]CT成像子步驟，用于將虛炮集射線在工作面內交叉覆蓋從而對工作面進行CT成像；
[0019]圖像處理子步驟，將CT圖像按時間排列形成工作面應力調整云圖，將初始CT圖像與其后續(xù)CT圖像進行差分得到差分云圖。
[0020]優(yōu)化的，上述的一種基于皮帶機的煤礦工作面實時探測方法，所述CT成像子步驟中，對回風巷頂板和/或底板進行成像時，取回風巷頂板和/或底板橫波，計算回風巷頂板和/或底板橫波靈敏度核函數(shù)，進行有限頻率層析成像。
[0021]優(yōu)化的，上述的一種基于皮帶機的煤礦工作面實時探測方法，所述CT成像子步驟中，對煤層進行成像時，取煤層槽波，計算煤層槽波靈敏度核函數(shù)，進行有限頻率層析成像。
[0022]優(yōu)化的，上述的一種基于皮帶機的煤礦工作面實時探測方法，所述的CT反演算法選自貝葉斯反演、ART、SIRT算法。
[0023]因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0024](I)能夠實時和長期監(jiān)測:采用皮帶機作為震源，可重復激發(fā)，從而實現(xiàn)全工作面的實時應力掃描和監(jiān)測預警。
[0025](2)適用面廣并且成本低:皮帶機是各個工作面都利用的運輸工具，所以本方法適用面很廣并且成本低，同時增加了附加擊震器支架后激發(fā)地震波的效率更高，適用面得到進一步提尚。
[0026](3)無需要改造和破壞工作面:除了添加附加擊震器支架、數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)夕卜，不會對工作面進行任何改造或破壞。
[0027](4)能夠判斷垂向上速度分布:利用有限頻率層析成像能夠對頂?shù)装逶诖瓜蛏弦欢ǚ秶鷥冉橘|的速度分布也做出判斷，而通常的到時層析成像在這種信號采集條件下只能做出水平面二維CT結果。
[0028](5)展示方式直觀便于判斷:利用CT “云圖”方式展示結果，方便煤礦一線的地質分析人員直觀快速的做出判斷。
【附圖說明】
[0029]圖1本發(fā)明的采煤工作面及檢波器布置示意圖；
[0030]圖2本發(fā)明的附加擊震器支架結構及安裝示意圖；
[0031]圖3本發(fā)明的皮帶機震動信號干涉得到的虛炮集；
[0032]圖4本發(fā)明的利用虛炮集得到的第一天的CT；
[0033]圖5本發(fā)明的利用虛炮集得到的第二天的CT。
【具體實施方式】
[0034]下面通過實施例，并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。
[0035]圖中，擊震器支架1，上支架2，下支架3，擊震器間隙4，皮帶機橫梁5，皮帶機支架6，皮帶7，巷道底板8。
[0036]實施例1:
[0037]本實施例的基于皮帶機的煤礦工作面實時探測系統(tǒng)及方法主要分為數(shù)據(jù)采集與傳輸、數(shù)據(jù)處理兩個部分，分別介紹如下。