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礦井微震與電法遠程監測系統
來(lái)源:http://www.renovationtulsa.com      發(fā)布時(shí)間:2021/8/30 13:08:25

系統介紹

      微震監測技術(shù)是利用巖體受力變形和破壞后本身發(fā)射出地震波來(lái)進(jìn)行監測工程巖體穩定性的技術(shù)方法。微震定位監測技術(shù)就是通過(guò)觀(guān)測、分析生產(chǎn)活動(dòng)中所產(chǎn)生的微小地震事件來(lái)監測生產(chǎn)活動(dòng)的影響、效果及地下?tīng)顟B(tài)的地球物理技術(shù)。其中傳感器是微震監測系統的關(guān)鍵器件,與巖體直接接觸,用于感知巖體內發(fā)生變化的信息。選擇適當的測點(diǎn)位置來(lái)安裝傳感器,使傳感器能良好接收監測發(fā)生在巖體內的微震,傳感器是實(shí)現對微震信號的采集,并將采集到的微震信號轉化為電信號的裝置。微震監測系統的硬件部件由微震檢波器、微震數據采集基站、設備供電系統、數據傳輸系統部分組成。微震檢波器負責采集高質(zhì)量波形信號,微震數據采集儀將高質(zhì)量的波形信號通過(guò)A/D轉換為數據信號,供電系統保證整個(gè)系統的用電,系統的數據由數據傳輸系統負責傳輸。

電法監測系統以網(wǎng)絡(luò )并行采集技術(shù)為基礎,通過(guò)對地電場(chǎng)的監測可以直觀(guān)地得到介質(zhì)的富水狀況、滲流速度、滲流飽和狀態(tài)等的變化情況。水的滲流造成了地電場(chǎng)異常,通過(guò)地電場(chǎng)異常,必然反映地下水的滲流過(guò)程,從而達到對于底板水害的預警。該系統集成了遠程通訊、智能控制等先進(jìn)技術(shù),形成高效、可靠的動(dòng)態(tài)監測系統,通過(guò)上位PC上的軟件發(fā)送指令可以智能控制井下電法儀器,實(shí)現電法數據遠程控制,并能實(shí)時(shí)對所獲取的電壓、電流數據進(jìn)行成圖。

微震與電法遠程監測系統由井下采集系統和井上控制系統兩部分組成。井下采集系統由電法儀主機、電法基站、微震基站、電極、檢波器、多路本安電源、電話(huà)接口等組成井下電法采集系統,井下可以布置多個(gè)采集分站。

地面系統控制系統由計算機及控制軟件、調制解調器組成,地面控制系統與多個(gè)井下采集分站通過(guò)礦用網(wǎng)絡(luò )發(fā)送指令和傳送數據。儀器有內置時(shí)鐘,可以實(shí)現定時(shí)開(kāi)機和關(guān)機,如果在采集數據時(shí)斷電,能夠智能檢測系統供電情況,供電正常儀器自動(dòng)啟動(dòng)并繼續完成斷電前的工作,適應井下因瓦斯超限或其它原因斷電的情況。

微震與電法遠程監測系統可實(shí)現微震和電法數據實(shí)時(shí)采集。對監測區域內的巖體破裂及水的滲流情況進(jìn)行綜合實(shí)時(shí)監測預警。

    微震與電法監測系統示意圖  



    微震與電法監測系統的布置與工作方式


硬件系統

微震監測系統由微震傳感器、微震數據采集分站、設備供電系統、數據傳輸系統組成。電法監測系統由電極、采集主機、采集基站、設備供電系統、數據傳輸系統組成。

整個(gè)硬件系統主要儀器設備為YZD12-C礦用本安型微震電法并行監測儀,是基于“分布式并行智能電極電位差信號采集方法” 和“一種基于礦井物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物探儀器遠程控制系統及其控制方法”等9項發(fā)明專(zhuān)利研制而成,符合《煤礦并行電法數據采集方法》等多項行業(yè)標準。該設備適用于《煤礦防治水細則》第九條中得微震與電法耦合監測系統。微震采集模塊利用地震學(xué)、聲學(xué)和地球物理學(xué)原理和計算機強大的計算功能來(lái)實(shí)現微震事件的精確定位和級別大小的確定;電法模塊使用全電場(chǎng)觀(guān)測技術(shù)同步采集所有測點(diǎn)的自然電場(chǎng)、一次電場(chǎng)電位和二次電場(chǎng)電位數據,極大提高了電法數據采集效率和采集精度。儀器為安徽省首套一體化裝備,可廣泛應用于礦井構造、陷落柱、水害探測和微震、微震與電法耦合等科學(xué)有效的監測及建立突水監測預警系統。 

 

 YZD12-C礦用微震電法并行監測儀

  YZD12-C礦用微震電法并行監測儀井下安裝實(shí)施

主要功能

1.回采工作面頂、底板富水性探測;

2.回采工作面采空區富水性探測;

3.回采工作面面內陷落柱等含水構造探測;

4.巷道底板電測深、電剖面探測;

5.掘進(jìn)工作面巷道超前探測;

6.回采工作面“上三帶”及“下三帶”觀(guān)測;

7.水害預警監測;

8.回采工作面構造、煤厚變化及應力集中區等探測;

9.掘進(jìn)巷道迎頭前方地質(zhì)構造發(fā)育特征探測;

10.微震、微震與電法耦合等監測。

主要特點(diǎn)

1.分布式采集基站可擴展,數量、空間分布靈活多變;

2.可實(shí)現地面及井下多種地電場(chǎng)二維或三維電法勘探,包括電阻率法勘探、自然電位法勘探、充電法勘探、激電法勘探(時(shí)間域和頻率域)等;可多分量數據采集,實(shí)現多波地震勘探;

3.可以實(shí)時(shí)顯示電流、電壓信號的波形等;

4.采用激勵、接收分離的雙模式電極;

5.一體化主機內置ARM、網(wǎng)絡(luò )通訊、內部電源和外接本安電源等功能模塊組成,可以連接礦井物聯(lián)網(wǎng);

6.一體化主機連接n個(gè)采集基站,構成16n路激發(fā)和16n路接收的網(wǎng)絡(luò )并行地電場(chǎng)勘探、監測系統,或者構成16n路震波勘探系統,用戶(hù)可根據需求任意選擇儀器道數;

7.具有一鍵成圖模式,操作更加簡(jiǎn)化智能;

8.采集基站內置大容量存儲,支持歷史數據查看。;

9.軟件功能完備,配置兼具數據采集與處理的專(zhuān)業(yè)系統軟件,且國內同行業(yè)內具有權威性,可實(shí)現數據的采集、顯示、管理、對比、處理成像及判別分析;

10.智能化Android系統平臺、高清彩色觸摸屏及機械輔助按鍵,人機交互便捷。

 

軟件系統

    微震監測系統 


 
軟件登錄界面


將監測區域三維模型導入,與微震事件時(shí)空分布相結合,形成三維立體可視化模型,便于直觀(guān)分析微震事件時(shí)空分布規律。

系統會(huì )展示實(shí)時(shí)波形、設備對應的拓撲圖、數字采集儀及傳感器的信息以及設備管理,參數配置的相關(guān)信息,監測到的數據實(shí)時(shí)寫(xiě)入數據庫。微地震實(shí)時(shí)監控軟件采集到數據后,用戶(hù)可以用微地震數據處理軟件和微地震三維可視化軟件分別處理和展示采集到的實(shí)時(shí)微地震數據。智能化、人工精細快速處理微震數據,通過(guò)對微震數據的進(jìn)行濾波,并進(jìn)行波形變換,拾取其P、S波初至,然后定位計算得到微震事件的定位信息和震源信息。

微震軟件界面

電法監測系統

在線(xiàn)監測系統裝于電腦端,用戶(hù)需通過(guò)用戶(hù)名及密碼登錄系統,并進(jìn)行設備管理和遠程控制,包括查看基本信息、設備狀態(tài)及當前工作參數,并進(jìn)行遠程置參,如起始及結束通道號、發(fā)射電壓、供電時(shí)間、數據類(lèi)型、自電采樣間隔、采樣間隔、供電裝置等。并實(shí)現數據的回傳與查看處理。實(shí)時(shí)數據顯示如圖3-11所示。

系統登錄及新建項目界面

實(shí)時(shí)數據采集顯示界面

處理結果顯示界面

監測系統布置

微震與電法耦合遠程監測系統在煤礦中的具體實(shí)施,可按照巷道及工作面的掘進(jìn)施工范圍進(jìn)行布置,為了進(jìn)一步應用該微震與電法耦合遠程監測系統,一般在巷道掘進(jìn)前,根據巷道的位置,靠近面內位置布置監測鉆孔,并進(jìn)一步安裝監測大線(xiàn)及設備,為了減少系統搬站的問(wèn)題,可適當增加監測孔長(cháng)度,如設置電極及傳感器間距5m,各64道,則監測巷道長(cháng)度為315m,可保證巷道在該長(cháng)度范圍內掘進(jìn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)監測。

在巷道掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)水害預警及實(shí)時(shí)監測,通過(guò)監測分析電阻率信號和地震信號分析坑道周?chē)牧芽p、震動(dòng)、沖擊波、滲透率導水性等參數,利用掘進(jìn)機作為震源,可進(jìn)行巷道地震超前探測,在監測水害的同時(shí)實(shí)現構造超前探測,為巷道安全掘進(jìn)保駕護航;當巷道掘進(jìn)到一個(gè)監測區段的長(cháng)度后,繼續向未掘進(jìn)的巷道迎頭前方施工第二個(gè)監測孔,進(jìn)行下一站實(shí)時(shí)監測;在工作面巷道及切眼形成后,利用以上圍面布置的監測孔,可進(jìn)行主動(dòng)源電法對穿探測、微震定位探測、槽波探測等物探探測,對工作面內的水害及構造進(jìn)行初步的分析定位;在工作面回采過(guò)程中,仍可利用這些監測孔繼續進(jìn)行監測工作,實(shí)時(shí)監測工作面回采過(guò)程中的水害,監測頂底板巖體破壞程度,劃分裂隙帶范圍等

探測監測系統布置平面示意圖及斷面圖

鉆孔設計平面布置示意圖如下圖所示,鉆孔設計空間布置示意圖如下圖所示。

由于水的滲流造成電阻率明顯降低,供電電流明顯升高,自然電場(chǎng)、一次場(chǎng)電位遠高于未充水介質(zhì)中的電位,且電位極值位置也指示滲流的到達位置,即隨著(zhù)滲流時(shí)間的推移,電極電位和供電電流為上升狀態(tài)。因此,通過(guò)對地電場(chǎng)的監測可以直觀(guān)地得到巷道掘進(jìn)前方介質(zhì)的富水狀況、滲流速度、滲流飽和狀態(tài)等動(dòng)態(tài)變化情況。水的滲流造成了地電場(chǎng)異常,故可通過(guò)監測地電場(chǎng)異常,從而達到對巷道掘進(jìn)過(guò)程中頂、底板水害的預警。下圖為巷道掘進(jìn)過(guò)程中不同時(shí)間段的智能電法超前探測(監測)的視電阻率剖面示意圖。

  巷道掘進(jìn)過(guò)程中不同時(shí)間段的智能電法超前探測(監測)視電阻率剖面示意圖

工程應用實(shí)例

    新疆某礦微震與電法耦合監測


1.自然電位變化特征                            2.電流變化特征

自然電位及電流變化特征

如圖所示,縱坐標代表探測區域距離巷道頂板的垂直高度,單位為米,橫坐標代表觀(guān)測時(shí)間;藍色基調代表低電阻率值,紅色基調代表高電阻率值。利用所得出的縮放比0.32將探測距離縮小后得到真實(shí)的超前探測視電阻率圖,在圖中能夠明顯的觀(guān)測到11月14日出現的彎曲下沉現象,并在64m~66m處,視電阻率值有明顯的上升,推測該高度出現真空離層,為下伏巖層彎曲下沉所致。同樣在11月14日觀(guān)測到52m~58m范圍內,視電阻率值開(kāi)始升高,推斷為導水裂隙帶開(kāi)始發(fā)育,導水裂隙帶發(fā)育最高高度為58m~59m。

通過(guò)對監測期間微震數據的處理分析判斷:在工作面回采過(guò)程中頂板粗砂巖上段與粉砂巖交界處發(fā)育大量裂隙,裂隙集中在35m~45m。根據微震事件分布情況以及分層特征判斷導水裂隙帶高度約為55m。

  微震定位結果圖

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