一种采空区应力实时监测系统及覆岩破断判断方法

1.一种采空区应力实时监测系统的覆岩破断判断方法，其特征在于：该方法所依据的系统为：一种采空区应力实时监测系统，在采空区内按照一定间隔选择多个采空区断面，在选择的每个断面布置两个应力测点(1)，其中一个靠近巷道，另一个远离巷道靠近工作面中部，随着工作面往前推进，选择新的采空区断面，在相同位置布置两个应力测点(1)；每个应力测点(1)处埋设一个液压枕(7)，液压枕(7)连接压力传感器(8)，压力传感器(8)与无线传感发射模块(9)连接，将应力信号发射出去；在回采巷道中布置一个无线接收模块(2)，无线接收模块(2)连接电光转换模块(3)，通过光纤(4)传输至地面，光纤信号通过光电转换模块(5)转换成电信号后与监测主机(6)连接，在监测主机(6)上通过组态控制软件对采空区应力数据进行控制存储并实时在线显示，从而可以得到采空区应力的实时数据；
该方法具体包括如下步骤：
i.根据工作面(19)地质信息，首先使用关键层理论判别工作面覆岩的关键层位置及其控制岩层的厚度，从工作面(19)向上将关键层分别编号为第1层关键层(20)、第2层关键层(22)、......、第i层关键层(24)、......、第n层关键层(26)，其厚度分别记为h1、h2、......、hi、......、hn，将第i层关键层的控制岩层编号为第i层被控制岩层，从第1层关键层向上将被控制岩层分别编号为第1层被控制岩层(21)、第2层被控制岩层(23)、......、第i层被控制岩层(25)、......、第n层被控制岩层(27)，其厚度分别记为H1、H2、......、Hi、......Hn；
ii.运用理论计算方法可以计算出任意第i层关键层破断时采空区(18)内的应力为式中，γ为岩层的容重；
iii.根据采空区(18)内的应力测点(1)可以实时监测得到采空区内某个位置的应力P，对比实测的采空区应力P与理论计算的第i层、第i+1层关键层破断时采空区受到的应力Pi、Pi+1，若实测采空区应力P满足条件Pi≤P＜Pi+1，则说明应力测点(1)处上方的第i层关键层(24)及第i层被控制岩层(25)破断。

一种采空区应力实时监测系统及覆岩破断判断方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种采空区应力实时监测系统及覆岩破断判断方法，适用于对回采工作面后方采空区随顶板冒落后的应力变化情况进行实时监测，将监测得到的应力值与理论计算的应力值进行对比后可以判断采空区上方的覆岩破断位置。\n背景技术\n[0002] 随着煤矿开采深度的不断增加，井下应力环境发生了很大变化，导致巷道大变形、冲击矿压、煤与瓦斯突出及突水等灾害越来越严重。所有的矿山应力现象都是由巷道掘进、煤体采出后应力重新分布及岩体结构的破坏与运动所引起的。只有充分了解应力场分布特征与演化规律，才能进行有效的围岩稳定性、变形与破坏分析，进而提出合理的矿井冒顶与地压灾害防治措施。\n[0003] 地下煤岩体在未受到采动影响之前，处于原岩应力平衡状态。而采动破坏了这种平衡，并引起采动空间周围应力的重新分布，促使围岩发生变形、破坏和移动，从而在工作面出现顶板冒落与来压、顶底板移近、支架受载和下缩等矿压显现，剧烈的矿压显现会给开采工作带来不同程度的危害。为了维护采动空间，保证开采工作安全顺利地进行，就必须采取支护技术措施控制围岩的变形和运动，而掌握围岩应力分布和围岩运动规律是采取有效的支护技术措施的基础。\n[0004] 采动应力的异常变化是引发顶板灾害的重要原因，高应力的存在和能量的聚集与释放是顶板灾害发生的重要条件，及时预测顶板采动应力的变化并进行实时监测预警和解危是控制顶板发生动力灾害的有效技术途径和手段。\n[0005] 目前主要使用钻孔应力计对工作面超前支承应力进行监测，而对采空区应力的监测还较少。通过在采空区内部布置应力测点进行监测得到实时变化的采空区应力值，将监测得到的采空区应力值与理论计算的采空区应力值进行对比后可判断出采空区应力测点处上方的覆岩破断位置；同时结合工作面超前支承压力变化曲线，能够更加全面的掌握随工作面推进后整个采场所对应的采动应力变化规律，从而为超前实施相关顶板灾害防治措施提供可靠有效的决策数据。\n发明内容\n[0006] 本发明要解决的技术问题是：克服目前已有技术存在的不足，提供一种安装方便、操作简单、传输可靠的采空区应力实时监测系统，同时在监测得到的采空区应力数据基础上提供一种覆岩破断判断方法。\n[0007] 本发明为解决其技术问题所使用的技术方案是：\n[0008] 一种采空区应力实时监测系统，在采空区内按照一定间隔选择多个采空区断面，在选择的每个断面布置两个应力测点(1)，其中一个靠近巷道，另一个远离巷道靠近工作面中部，随着工作面往前推进，选择新的采空区断面，在相同位置布置两个应力测点(1)；每个应力测点(1)处埋设一个液压枕(7)，液压枕(7)连接压力传感器(8)，压力传感器(8)与无线传感发射模块(9)连接，将应力信号发射出去；在回采巷道中布置一个无线接收模块(2)，无线接收模块(2)连接电光转换模块(3)，通过光纤(4)传输至地面，光纤信号通过光电转换模块(5)转换成电信号后与监测主机(6)连接，在监测主机(6)上通过组态控制软件对采空区应力数据进行控制存储并实时在线显示，从而可以得到采空区应力的实时数据。\n[0009] 所述的监测系统使用无线与有线通信相结合的传输方式，保证了信号传输的可靠性；所述的每个应力测点埋设一个液压枕，液压枕与压力传感器连接，采空区应力信号通过无线传感发射模块进行发射；所述的无线发射模块使用锂电池供电方式，功耗低，可持续工作时间长；所述的无线接收模块能够同时接收采空区内部的多路无线应力电信号，并对每一路应力信号进行唯一的寄存器地址分配，通过液晶显示模块在井下循环在线显示；所述的电光转换模块将无线接收模块传输的电信号转换成光信号，通过井下光纤传输至地面监测中心；所述的光电转换模块将采空区应力光纤信号转换成电信号后与监测主机连接；所述的监测主机通过组态控制软件对采空区应力数据进行控制存储并实时在线显示。\n[0010] 本发明的覆岩破断判断方法：\n[0011] 根据工作面地质信息，首先使用关键层理论判别工作面覆岩的关键层位置及其控制岩层(即被控制岩层)的厚度，从工作面向上将关键层分别编号为第1层关键层、第2层关键层、......、第i层关键层、......、第n层关键层，其厚度分别记为h1、h2、......、hi、......、hn，将第i层关键层的控制岩层编号为第i层被控制岩层，从第1层关键层向上将被控制岩层分别编号为第1层被控制岩层、第2层被控制岩层、......、第i层被控制岩层、......、第n层被控制岩层，其厚度分别记为H1、H2、......、Hi、......、Hn；\n[0012] 运用理论计算方法可以计算出任意第i层关键层破断时采空区内的应力为式中，γ为岩层的容重；\n[0013] 根据采空区内的应力测点可以实时监测得到采空区内某个位置的应力P。对比实测的采空区应力P与理论计算的第i层、第i+1层关键层破断时工作面采空区受到的应力Pi、Pi+1，若实测采空区应力P满足条件Pi≤P＜Pi+1，则说明应力测点处上方的第i层关键层及第i层被控制岩层破断。\n[0014] 本发明的有益效果是：布置在采空区内的应力测点，随着采空区冒落状态的变化，液压枕的承压状态发生变化，与其相连的压力传感器将应力信号通过无线传感发射模块发射出去，能够实现实时无中断的数据传输，而在回采巷道中布置的无线接收模块可接收来自采空区内部的多路应力无线电信号并通过液晶显示模块在井下循环在线显示，无线接收模块与电光转换模块连接，电光转换模块将无线接收模块传输的电信号转换成光信号，通过光纤传输至地面监测中心，光纤信号经光电转换模块转换成电信号后与监测主机连接，监测主机通过组态控制软件对采空区应力数据进行控制存储并实时在线显示。将采空区内的应力测点监测得到的采空区应力值，与理论计算的关键层破断时对应的采空区应力值进行比较判断，可以推断出采空区应力测点处上方的覆岩破断位置。\n[0015] 采空区应力实时监测系统采用无线与有线结合的信号传输方式，既保证了应力信号传输的实时可靠性，又简化了应力测点在采空区内的布线方式，根据采空区监测的应力值进行覆岩破断的判断方法简单有效，整个系统与方法具有广泛的应用前景。\n附图说明\n[0016] 图1是本发明采空区应力实时监测系统的布置图；\n[0017] 图2是本发明的应力测点结构组成图；\n[0018] 图3是本发明的无线传感发射模块结构图；\n[0019] 图4是本发明的无线接收模块结构图。\n[0020] 图5是本发明的岩层结构示意图。\n[0021] 其中：1-应力测点；2-无线接收模块；3-电光转换模块；4-光纤；5-光电转换模块；6-监测主机；7-应力枕；8-应力传感器；9-无线传感发射模块；10-通讯接口；11-AD转换器；12-单片机；13-发射机；14-接收机；15-单片机；16-液晶显示模块；17-通讯接口；18-采空区；19-工作面；20-第1层关键层；21-第1层被控制岩层；22-第2层关键层；23-第2层被控制岩层；24-第i层关键层；25-第i层被控制岩层；26-第n层关键层；\n27-第n层被控制岩层；D采空区；E工作面。\n具体实施方式\n[0022] 以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。\n[0023] 参考图1和图2，本发明的采空区应力实时监测系统，首先在采空区D内按照约20米的间隔距离选择多个采空区垂直断面，图1中示出了其中两个即A-A断面和B-B断面，在选择的两个断面布置两个应力测点1，其中一个靠近巷道，另一个远离巷道靠近工作面E中部，随着工作面往前推进，选择新的采空区断面，在相同位置布置两个应力测点1，相邻两个断面之间的距离约为20米；每个应力测点1处埋设一个液压枕7，液压枕7连接压力传感器8，压力传感器8与无线传感发射模块9连接，将应力信号发射出去；参考图3，压力传感器8与无线传感发射模块9中的第一通讯接口10连接，采空区应力信号通过AD转换器11进行模数转换，经第一单片机12处理后由发射机13将应力信号发射出去；\n[0024] 在回采巷道中布置一个无线接收模块2，无线接收模块2连接电光转换模块3，通过光纤4传输至地面，光纤信号通过光电转换模块5转换成电信号后与监测主机6连接，在监测主机6上通过组态控制软件对采空区应力数据进行控制存储并实时在线显示，从而可以得到采空区应力的实时数据；\n[0025] 如图4所示，无线接收模块2中的接收机14接收采空区内发射的多路应力无线电信号，第二单片机15对每一路应力信号进行进行唯一的寄存器地址分配，通过液晶显示模块16在井下循环在线显示，第二通讯接口17与电光转换模块3连接，电光转换模块3将多路应力电信号转换为光信号，通过光纤4传输至地面，光纤信号通过光电转换模块5转换成电信号后与监测主机6连接，在监测主机6上通过组态控制软件对采空区应力数据进行控制存储并实时在线显示，从而可以得到采空区应力的实时数据。\n[0026] 参考图5的岩层结构示意图，根据工作面19地质信息，首先使用关键层理论判别工作面覆岩的关键层位置及其控制岩层(即被控制岩层)的厚度，从工作面19向上将关键层分别编号为第1层关键层20、第2层关键层22、......、第i层关键层24、......、第n层关键层26，其厚度分别记为h1、h2、......、hi、......、hn，将第i层关键层的控制岩层编号为第i层被控制岩层，从第1层关键层向上将被控制岩层分别编号为第1层被控制岩层\n21、第2层被控制岩层23、......、第i层被控制岩层25、......、第n层被控制岩层27，其厚度分别记为H1、H2、......、Hi、......Hn；运用理论计算方法可以计算出任意第i层关键层破断时采空区18内的应力为 式中γ为岩层的容重；根据采空区18内\n的应力测点1可以实时监测得到采空区内某个位置的应力P，对比实测的采空区应力P与理论计算的第i层、第i+1层关键层破断时工作面采空区受到的应力Pi、Pi+1，若实测采空区应力P满足条件Pi≤P＜Pi+1，则说明应力测点1处上方的第i层关键层24及第i层被控制岩层25破断。\n[0027] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。