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礦井微震與電法遠程監測系統
來源:http://www.yyc888.net      發布時間:2021/8/30 13:08:25

系統介紹

      微震監測技術是利用巖體受力變形和破壞后本身發射出地震波來進行監測工程巖體穩定性的技術方法。微震定位監測技術就是通過觀測、分析生產活動中所產生的微小地震事件來監測生產活動的影響、效果及地下狀態的地球物理技術。其中傳感器是微震監測系統的關鍵器件,與巖體直接接觸,用于感知巖體內發生變化的信息。選擇適當的測點位置來安裝傳感器,使傳感器能良好接收監測發生在巖體內的微震,傳感器是實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量波形信號,微震數據采集儀將高質量的波形信號通過A/D轉換為數據信號,供電系統保證整個系統的用電,系統的數據由數據傳輸系統負責傳輸。

電法監測系統以網絡并行采集技術為基礎,通過對地電場的監測可以直觀地得到介質的富水狀況、滲流速度、滲流飽和狀態等的變化情況。水的滲流造成了地電場異常,通過地電場異常,必然反映地下水的滲流過程,從而達到對于底板水害的預警。該系統集成了遠程通訊、智能控制等先進技術,形成高效、可靠的動態監測系統,通過上位PC上的軟件發送指令可以智能控制井下電法儀器,實現電法數據遠程控制,并能實時對所獲取的電壓、電流數據進行成圖。

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、電話接口等組成井下電法采集系統,井下可以布置多個采集分站。

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井下采集分站通過礦用網絡發送指令和傳送數據。儀器有內置時鐘,可以實現定時開機和關機,如果在采集數據時斷電,能夠智能檢測系統供電情況,供電正常儀器自動啟動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現微震和電法數據實時采集。對監測區域內的巖體破裂及水的滲流情況進行綜合實時監測預警。

    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“一種基于礦井物聯網技術的物探儀器遠程控制系統及其控制方法”等9項發明專利研制而成,符合《煤礦并行電法數據采集方法》等多項行業標準。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、聲學和地球物理學原理和計算機強大的計算功能來實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觀測技術同步采集所有測點的自然電場、一次電場電位和二次電場電位數據,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.掘進工作面巷道超前探測;

6.回采工作面“上三帶”及“下三帶”觀測;

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.掘進巷道迎頭前方地質構造發育特征探測;

10.微震、微震與電法耦合等監測。

主要特點

1.分布式采集基站可擴展,數量、空間分布靈活多變;

2.可實現地面及井下多種地電場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(時間域和頻率域)等;可多分量數據采集,實現多波地震勘探;

3.可以實時顯示電流、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、網絡通訊、內部電源和外接本安電源等功能模塊組成,可以連接礦井物聯網;

6.一體化主機連接n個采集基站,構成16n路激發和16n路接收的網絡并行地電場勘探、監測系統,或者構成16n路震波勘探系統,用戶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業系統軟件,且國內同行業內具有權威性,可實現數據的采集、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,與微震事件時空分布相結合,形成三維立體可視化模型,便于直觀分析微震事件時空分布規律。

系統會展示實時波形、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,參數配置的相關信息,監測到的數據實時寫入數據庫。微地震實時監控軟件采集到數據后,用戶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時微地震數據。智能化、人工精細快速處理微震數據,通過對微震數據的進行濾波,并進行波形變換,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

在線監測系統裝于電腦端,用戶需通過用戶名及密碼登錄系統,并進行設備管理和遠程控制,包括查看基本信息、設備狀態及當前工作參數,并進行遠程置參,如起始及結束通道號、發射電壓、供電時間、數據類型、自電采樣間隔、采樣間隔、供電裝置等。并實現數據的回傳與查看處理。實時數據顯示如圖3-11所示。

系統登錄及新建項目界面

實時數據采集顯示界面

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施,可按照巷道及工作面的掘進施工范圍進行布置,為了進一步應用該微震與電法耦合遠程監測系統,一般在巷道掘進前,根據巷道的位置,靠近面內位置布置監測鉆孔,并進一步安裝監測大線及設備,為了減少系統搬站的問題,可適當增加監測孔長度,如設置電極及傳感器間距5m,各64道,則監測巷道長度為315m,可保證巷道在該長度范圍內掘進過程中的實時監測。

在巷道掘進過程中進行實時水害預警及實時監測,通過監測分析電阻率信號和地震信號分析坑道周圍的裂縫、震動、沖擊波、滲透率導水性等參數,利用掘進機作為震源,可進行巷道地震超前探測,在監測水害的同時實現構造超前探測,為巷道安全掘進保駕護航;當巷道掘進到一個監測區段的長度后,繼續向未掘進的巷道迎頭前方施工第二個監測孔,進行下一站實時監測;在工作面巷道及切眼形成后,利用以上圍面布置的監測孔,可進行主動源電法對穿探測、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行初步的分析定位;在工作面回采過程中,仍可利用這些監測孔繼續進行監測工作,實時監測工作面回采過程中的水害,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、一次場電位遠高于未充水介質中的電位,且電位極值位置也指示滲流的到達位置,即隨著滲流時間的推移,電極電位和供電電流為上升狀態。因此,通過對地電場的監測可以直觀地得到巷道掘進前方介質的富水狀況、滲流速度、滲流飽和狀態等動態變化情況。水的滲流造成了地電場異常,故可通過監測地電場異常,從而達到對巷道掘進過程中頂、底板水害的預警。下圖為巷道掘進過程中不同時間段的智能電法超前探測(監測)的視電阻率剖面示意圖。

  巷道掘進過程中不同時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,橫坐標代表觀測時間;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的超前探測視電阻率圖,在圖中能夠明顯的觀測到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日觀測到52m~58m范圍內,視電阻率值開始升高,推斷為導水裂隙帶開始發育,導水裂隙帶發育最高高度為58m~59m。

通過對監測期間微震數據的處理分析判斷:在工作面回采過程中頂板粗砂巖上段與粉砂巖交界處發育大量裂隙,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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