一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种探测系统及方法，属于煤矿工作面应力监控领域，具体涉及一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测系统及方法。
【背景技术】
[0002]采煤工作掏空地下部分煤层后会引起剧烈的应力调整，对工作面应力调整情况的实时探测，能够有效预警灾害事故。煤矿工作面的地质灾害主要包括顶板的冒落、瓦斯突出、承压水的突出等，这些灾害的发生主要是因为开采活动打破了工作面岩层原有的应力平衡，巨大的上覆地层压力在采空部位失去了支撑，应力不断重新调整，在采空区域的边界上形成了明显的应力集中区，采空区域的底板有向上拱起的应力。强烈的应力改变会在应力集中区或岩层的薄弱带形成裂隙，而且裂隙往往会逐步相互连通，最终造成瓦斯或水的突出，或顶板冒落。
[0003]现有技术中，通常使用钻孔应力仪测量应力变化，然而这种方法只能测量局部变化，利用地震方法能解决应力的全工作面扫描问题。应力的变化无法直接由地震学方法测得，不过可以利用地震波速度的变化间接得到。完整岩石的波速由岩石的密度和杨氏模量决定，应力变化可以对杨氏模量造成比较明显的改变，从而能够间接改变岩石的局部波速。对于有裂隙或孔隙的介质，应力造成裂隙等的闭合对波速的影响比较显著。如果岩层中存在流体饱和的裂隙或孔隙，横波和纵波的速度比会有比较大的差异，与纵波相比，横波速度对于流体的存在不太敏感，因而利用纵横波速比的变化不仅能够探测应力的变化，而且可以发现介质各向异性性质的改变。由于煤层相对于围岩软弱易变形，它的波速变化对应力变化的反应能力更强，因此利用地震方法实时监测顶、底板和煤层的波速改变，能够实现对工作面岩层应力变化的全面扫描。
[0004]利用地震方法监测岩层介质参数的变化，要求震源和检波器尽量固定不变，因为岩层介质的改变本身是微弱的，测量条件的稳定性对于介质变化的探测至关重要。检波器固定安装在相同的位置上很容易做到，而要得到一个可重复激发的震源则不太容易。通常的炸药震源都会破坏炮孔，再次激发需要重新打孔，两次的孔位会有一些差异，重复性比较差，更不可能实现长期监测。长期监测的震源要能多次重复激发、对矿井下设施无损害，最好还能不影响正常的采煤作业。锤击等方法可重复使用但能量太低。采煤机也可以作为震源，缺点是位置不固定，且只局限在切眼内。皮带运输机发出的机械噪音具有高能量、宽频带的特点，且能随采掘实时发射，利用地震干涉方法将其实时转化为虚炮集，是工作面四维地震扫描的理想震源。针对工作面预警遇到的难题和皮带机作为一种有效震源的特点，我们研究出了以皮带机为震源的煤矿工作面实时探测预警方法。为了加强皮带机震源的能量，设计了一种附加击震器支架，既不影响支架系统原有的稳固性，又能持续激发出更高能量的地震波。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是解决现有技术中存在的震源可重复激发难度大，难以实现工作面的长期实时监测的技术问题，提供了一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测系统及方法。该系统及方法将安装在工作面运顺巷内的皮带机作为震源，在运顺巷和工作面另外一侧的回风巷都布置地震检波器，通过记录一定时间长度的震动，从而获得信噪比较高的地震炮集，经层析成像处理得到工作面的速度分布CT，将各个时间段的工作面CT连起来形成随时间变化的“云图”，就能够发现应力调整的异常区，发出预警信号。因此，该系统及方法可以实现全工作面的长期实时应力扫描。
[0006]为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测系统，包括:
[0007]皮带机，用于产生可重复激发的声波信号；
[0008]检波器，用于在探测区域内接收皮带机所发出的声波信号；
[0009]数据处理设备，用于将检波器所接收到的声波信号转换为虚炮集并利用所述虚炮集对工作面进行CT成像。
[0010]优化的，上述的一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测系统，还包括安装于所述皮带机上的击震器支架，所述击震器支架包括:连接于皮带机横梁上的上支架、固定于底板上的下支架，所述上支架和所述下支架相对的一端套接在一起并且间隙配合。
[0011]为了解决上述问题，根据本发明的另一个方面，提供了一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测方法，包括利用地震干涉法对工作面进行探测，所述地震探测法中以皮带机为震源。
[0012]优化的，上述的一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测方法，包括以下步骤:
[0013]数据采集步骤，用于利用安装于监测区域内的检波器采集皮带机发出的声弹性波信号;
[0014]数据处理步骤，用于利用地震干涉法将皮带机的声波信号转化为虚炮集，通过虚炮集对工作面进行CT成像，按时间顺序将CT图像组织成应力调整云图和差分云图；
[0015]数据分析步骤，用于通过所述应力调整云图和所述差分云图对可能的灾害类型和位置做出判断及预警。
[0016]优化的，上述的一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测方法，所述数据处理步骤具体包括:
[0017]虚炮集转换子步骤，利用互相关干涉技术把皮带机的声波信号转化为有效地震信号，得到从运顺巷透射到回风巷的虚炮集；再利用多维反褶积干涉压缩虚炮集的点扩散函数，得到高分辨率的虚炮集；
[0018]CT成像子步骤，用于将虚炮集射线在工作面内交叉覆盖从而对工作面进行CT成像；
[0019]图像处理子步骤，将CT图像按时间排列形成工作面应力调整云图，将初始CT图像与其后续CT图像进行差分得到差分云图。
[0020]优化的，上述的一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测方法，所述CT成像子步骤中，对回风巷顶板和/或底板进行成像时，取回风巷顶板和/或底板横波，计算回风巷顶板和/或底板横波灵敏度核函数，进行有限频率层析成像。
[0021]优化的，上述的一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测方法，所述CT成像子步骤中，对煤层进行成像时，取煤层槽波，计算煤层槽波灵敏度核函数，进行有限频率层析成像。
[0022]优化的，上述的一种基于皮带机的煤矿工作面实时探测方法，所述的CT反演算法选自贝叶斯反演、ART、SIRT算法。
[0023]因此，本发明具有如下优点:
[0024](I)能够实时和长期监测:采用皮带机作为震源，可重复激发，从而实现全工作面的实时应力扫描和监测预警。
[0025](2)适用面广并且成本低:皮带机是各个工作面都利用的运输工具，所以本方法适用面很广并且成本低，同时增加了附加击震器支架后激发地震波的效率更高，适用面得到进一步提尚。
[0026](3)无需要改造和破坏工作面:除了添加附加击震器支架、数据采集和传输系统夕卜，不会对工作面进行任何改造或破坏。
[0027](4)能够判断垂向上速度分布:利用有限频率层析成像能够对顶底板在垂向上一定范围内介质的速度分布也做出判断，而通常的到时层析成像在这种信号采集条件下只能做出水平面二维CT结果。
[0028](5)展示方式直观便于判断:利用CT “云图”方式展示结果，方便煤矿一线的地质分析人员直观快速的做出判断。
【附图说明】
[0029]图1本发明的采煤工作面及检波器布置示意图；
[0030]图2本发明的附加击震器支架结构及安装示意图；
[0031]图3本发明的皮带机震动信号干涉得到的虚炮集；
[0032]图4本发明的利用虚炮集得到的第一天的CT；
[0033]图5本发明的利用虚炮集得到的第二天的CT。
【具体实施方式】
[0034]下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0035]图中，击震器支架1，上支架2，下支架3，击震器间隙4，皮带机横梁5，皮带机支架6，皮带7，巷道底板8。
[0036]实施例1:
[0037]本实施例的基于皮带机的煤矿工作面实时探测系统及方法主要分为数据采集与传输、数据处理两个部分，分别介绍如下。