系統(tǒng)介紹

      微震監(jiān)測技術(shù)是利用巖體受力變形和破壞后本身發(fā)射出地震波來進行監(jiān)測工程巖體穩(wěn)定性的技術(shù)方法。微震定位監(jiān)測技術(shù)就是通過觀測、分析生產(chǎn)活動中所產(chǎn)生的微小地震事件來監(jiān)測生產(chǎn)活動的影響、效果及地下狀態(tài)的地球物理技術(shù)。其中傳感器是微震監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，與巖體直接接觸，用于感知巖體內(nèi)發(fā)生變化的信息。選擇適當(dāng)?shù)臏y點位置來安裝傳感器，使傳感器能良好接收監(jiān)測發(fā)生在巖體內(nèi)的微震，傳感器是實現(xiàn)對微震信號的采集，并將采集到的微震信號轉(zhuǎn)化為電信號的裝置。微震監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部件由微震檢波器、微震數(shù)據(jù)采集基站、設(shè)備供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)部分組成。微震檢波器負(fù)責(zé)采集高質(zhì)量波形信號，微震數(shù)據(jù)采集儀將高質(zhì)量的波形信號通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號，供電系統(tǒng)保證整個系統(tǒng)的用電，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)傳輸。

電法監(jiān)測系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)并行采集技術(shù)為基礎(chǔ)，通過對地電場的監(jiān)測可以直觀地得到介質(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(yù)警。該系統(tǒng)集成了遠程通訊、智能控制等先進技術(shù)，形成高效、可靠的動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通過上位PC上的軟件發(fā)送指令可以智能控制井下電法儀器，實現(xiàn)電法數(shù)據(jù)遠程控制，并能實時對所獲取的電壓、電流數(shù)據(jù)進行成圖。

微震與電法遠程監(jiān)測系統(tǒng)由井下采集系統(tǒng)和井上控制系統(tǒng)兩部分組成。井下采集系統(tǒng)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(tǒng)，井下可以布置多個采集分站。

地面系統(tǒng)控制系統(tǒng)由計算機及控制軟件、調(diào)制解調(diào)器組成，地面控制系統(tǒng)與多個井下采集分站通過礦用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送指令和傳送數(shù)據(jù)。儀器有內(nèi)置時鐘，可以實現(xiàn)定時開機和關(guān)機，如果在采集數(shù)據(jù)時斷電，能夠智能檢測系統(tǒng)供電情況，供電正常儀器自動啟動并繼續(xù)完成斷電前的工作，適應(yīng)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(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)微震和電法數(shù)據(jù)實時采集。對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的巖體破裂及水的滲流情況進行綜合實時監(jiān)測預(yù)警。

    微震與電法監(jiān)測系統(tǒng)示意圖  

硬件系統(tǒng)

微震監(jiān)測系統(tǒng)由微震傳感器、微震數(shù)據(jù)采集分站、設(shè)備供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成。電法監(jiān)測系統(tǒng)由電極、采集主機、采集基站、設(shè)備供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成。

整個硬件系統(tǒng)主要儀器設(shè)備為YZD12-C礦用本安型微震電法并行監(jiān)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(tǒng)及其控制方法”等9項發(fā)明專利研制而成，符合《煤礦并行電法數(shù)據(jù)采集方法》等多項行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)備適用于《煤礦防治水細(xì)則》第九條中得微震與電法耦合監(jiān)測系統(tǒng)。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實現(xiàn)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(shù)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(shù)據(jù)，極大提高了電法數(shù)據(jù)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(yīng)用于礦井構(gòu)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(jiān)測及建立突水監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。 

 YZD12-C礦用微震電法并行監(jiān)測儀

  YZD12-C礦用微震電法并行監(jiān)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(qū)富水性探測；

3.回采工作面面內(nèi)陷落柱等含水構(gòu)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(yù)警監(jiān)測；

8.回采工作面構(gòu)造、煤厚變化及應(yīng)力集中區(qū)等探測；

9.掘進巷道迎頭前方地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育特征探測；

10.微震、微震與電法耦合等監(jiān)測。

主要特點

1.分布式采集基站可擴展，數(shù)量、空間分布靈活多變；

2.可實現(xiàn)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(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)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(nèi)置ARM、網(wǎng)絡(luò)通訊、內(nèi)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個采集基站，構(gòu)成16n路激發(fā)和16n路接收的網(wǎng)絡(luò)并行地電場勘探、監(jiān)測系統(tǒng)，或者構(gòu)成16n路震波勘探系統(tǒng)，用戶可根據(jù)需求任意選擇儀器道數(shù)；

7.具有一鍵成圖模式，操作更加簡化智能；

8.采集基站內(nèi)置大容量存儲，支持歷史數(shù)據(jù)查看。；

9.軟件功能完備，配置兼具數(shù)據(jù)采集與處理的專業(yè)系統(tǒng)軟件，且國內(nèi)同行業(yè)內(nèi)具有權(quán)威性，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)

    微震監(jiān)測系統(tǒng) 

 軟件登錄界面

將監(jiān)測區(qū)域三維模型導(dǎo)入，與微震事件時空分布相結(jié)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(guī)律。

系統(tǒng)會展示實時波形、設(shè)備對應(yīng)的拓?fù)鋱D、數(shù)字采集儀及傳感器的信息以及設(shè)備管理，參數(shù)配置的相關(guān)信息，監(jiān)測到的數(shù)據(jù)實時寫入數(shù)據(jù)庫。微地震實時監(jiān)控軟件采集到數(shù)據(jù)后，用戶可以用微地震數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。智能化、人工精細(xì)快速處理微震數(shù)據(jù)，通過對微震數(shù)據(jù)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(jiān)測系統(tǒng)

在線監(jiān)測系統(tǒng)裝于電腦端，用戶需通過用戶名及密碼登錄系統(tǒng)，并進行設(shè)備管理和遠程控制，包括查看基本信息、設(shè)備狀態(tài)及當(dāng)前工作參數(shù)，并進行遠程置參，如起始及結(jié)束通道號、發(fā)射電壓、供電時間、數(shù)據(jù)類型、自電采樣間隔、采樣間隔、供電裝置等。并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的回傳與查看處理。實時數(shù)據(jù)顯示如圖3-11所示。

系統(tǒng)登錄及新建項目界面

實時數(shù)據(jù)采集顯示界面

處理結(jié)果顯示界面

監(jiān)測系統(tǒng)布置

微震與電法耦合遠程監(jiān)測系統(tǒng)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(yīng)用該微震與電法耦合遠程監(jiān)測系統(tǒng)，一般在巷道掘進前，根據(jù)巷道的位置，靠近面內(nèi)位置布置監(jiān)測鉆孔，并進一步安裝監(jiān)測大線及設(shè)備，為了減少系統(tǒng)搬站的問題，可適當(dāng)增加監(jiān)測孔長度，如設(shè)置電極及傳感器間距5m，各64道，則監(jiān)測巷道長度為315m，可保證巷道在該長度范圍內(nèi)掘進過程中的實時監(jiān)測。

在巷道掘進過程中進行實時水害預(yù)警及實時監(jiān)測，通過監(jiān)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(dǎo)水性等參數(shù)，利用掘進機作為震源，可進行巷道地震超前探測，在監(jiān)測水害的同時實現(xiàn)構(gòu)造超前探測，為巷道安全掘進保駕護航；當(dāng)巷道掘進到一個監(jiān)測區(qū)段的長度后，繼續(xù)向未掘進的巷道迎頭前方施工第二個監(jiān)測孔，進行下一站實時監(jiān)測；在工作面巷道及切眼形成后，利用以上圍面布置的監(jiān)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(nèi)的水害及構(gòu)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(jiān)測孔繼續(xù)進行監(jiān)測工作，實時監(jiān)測工作面回采過程中的水害，監(jiān)測頂?shù)装鍘r體破壞程度，劃分裂隙帶范圍等

探測監(jiān)測系統(tǒng)布置平面示意圖及斷面圖

鉆孔設(shè)計平面布置示意圖如下圖所示，鉆孔設(shè)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(zhì)中的電位，且電位極值位置也指示滲流的到達位置，即隨著滲流時間的推移，電極電位和供電電流為上升狀態(tài)。因此，通過對地電場的監(jiān)測可以直觀地得到巷道掘進前方介質(zhì)的富水狀況、滲流速度、滲流飽和狀態(tài)等動態(tài)變化情況。水的滲流造成了地電場異常，故可通過監(jiān)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(yù)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(jiān)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(jiān)測）視電阻率剖面示意圖

工程應(yīng)用實例

    新疆某礦微震與電法耦合監(jiān)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(biāo)代表探測區(qū)域距離巷道頂板的垂直高度，單位為米，橫坐標(biāo)代表觀測時間；藍色基調(diào)代表低電阻率值，紅色基調(diào)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(xiàn)的彎曲下沉現(xiàn)象，并在64m~66m處，視電阻率值有明顯的上升，推測該高度出現(xiàn)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(nèi)，視電阻率值開始升高，推斷為導(dǎo)水裂隙帶開始發(fā)育，導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育最高高度為58m~59m。

通過對監(jiān)測期間微震數(shù)據(jù)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(fā)育大量裂隙，裂隙集中在35m~45m。根據(jù)微震事件分布情況以及分層特征判斷導(dǎo)水裂隙帶高度約為55m。

  微震定位結(jié)果圖