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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(jìn)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(dòng)中所產(chǎn)生的微小地震事件來監(jiān)測生產(chǎn)活動(dòng)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(diǎn)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(shí)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(gè)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(dá)到對于底板水害的預(yù)警。該系統(tǒng)集成了遠(yuǎn)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(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(shí)現(xiàn)電法數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程控制，并能實(shí)時(shí)對所獲取的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行成圖。
微震與電法遠(yuǎn)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(jī)、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(gè)采集分站。
地面系統(tǒng)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)及控制軟件、調(diào)制解調(diào)器組成，地面控制系統(tǒng)與多個(gè)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(shí)鐘，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)開機(jī)和關(guān)機(jī)，如果在采集數(shù)據(jù)時(shí)斷電，能夠智能檢測系統(tǒng)供電情況，供電正常儀器自動(dòng)啟動(dòng)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(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)微震和電法數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的巖體破裂及水的滲流情況進(jìn)行綜合實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警。
微震與電法監(jiān)測系統(tǒng)示意圖
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微震與電法監(jiān)測系統(tǒng)的布置與工作方式
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(jī)、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(gè)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(yuǎn)程控制系統(tǒng)及其控制方法”等9項(xiàng)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(xiàng)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(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算功能來實(shí)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(diǎn)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(shí)施
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(jìn)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(jìn)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。
1.分布式采集基站可擴(kuò)展，數(shù)量、空間分布靈活多變；
2.可實(shí)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(shí)間域和頻率域）等；可多分量數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)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(lì)、接收分離的雙模式電極；
5.一體化主機(jī)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(jī)連接n個(gè)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(chǔ)，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(shí)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(jī)械輔助按鍵，人機(jī)交互便捷。
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(shí)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(shí)空分布規(guī)律。
系統(tǒng)會(huì)展示實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)寫入數(shù)據(jù)庫。微地震實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(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(jì)算得到微震事件的定位信息和震源信息。
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(jìn)行設(shè)備管理和遠(yuǎn)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(jìn)行遠(yuǎn)程置參，如起始及結(jié)束通道號、發(fā)射電壓、供電時(shí)間、數(shù)據(jù)類型、自電采樣間隔、采樣間隔、供電裝置等。并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的回傳與查看處理。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示如圖3-11所示。
系統(tǒng)登錄及新建項(xiàng)目界面
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示界面
處理結(jié)果顯示界面
微震與電法耦合遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)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(yīng)用該微震與電法耦合遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，一般在巷道掘進(jìn)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(jìn)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(jìn)過程中的實(shí)時(shí)監(jiān)測。
在巷道掘進(jìn)過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)水害預(yù)警及實(shí)時(shí)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(dòng)、沖擊波、滲透率導(dǎo)水性等參數(shù)，利用掘進(jìn)機(jī)作為震源，可進(jìn)行巷道地震超前探測，在監(jiān)測水害的同時(shí)實(shí)現(xiàn)構(gòu)造超前探測，為巷道安全掘進(jìn)保駕護(hù)航；當(dāng)巷道掘進(jìn)到一個(gè)監(jiān)測區(qū)段的長度后，繼續(xù)向未掘進(jìn)的巷道迎頭前方施工第二個(gè)監(jiān)測孔，進(jìn)行下一站實(shí)時(shí)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(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(nèi)的水害及構(gòu)造進(jìn)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(jìn)行監(jiān)測工作，實(shí)時(shí)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(jì)平面布置示意圖如下圖所示，鉆孔設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(dá)位置，即隨著滲流時(shí)間的推移，電極電位和供電電流為上升狀態(tài)。因此，通過對地電場的監(jiān)測可以直觀地得到巷道掘進(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異常，故可通過監(jiān)測地電場異常，從而達(dá)到對巷道掘進(jìn)過程中頂、底板水害的預(yù)警。下圖為巷道掘進(jìn)過程中不同時(shí)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(jìn)過程中不同時(shí)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(shí)例
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(shí)間；藍(lán)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(shí)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