矿山探测系统及其探测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种矿山探测系统，包括信号发射器，其包括光纤激光器和超声机械震源器，光纤激光器的光栅波长为1550～1580nm，超声机械震源器的超声波频率为200～300KHz；固定装置；信号采集器，设于固定装置的一端，信号采集器包括多个间隔设置的光纤光栅传感器和超声波检波器，用于收集激光波信号和超声波信号；信号转化器，设于固定装置另一端，用于转换所有信号并发送给微处理器；微处理器，用于处理得到检测数据；终端装置，用于将检测得到的时频特征、功率谱能量分布进行比对分析并显示。本发明专利技术采用光纤光栅和超声技术作为信号传感装置，从而提高传感器灵敏度，使其不仅可快速准确识别地下不明采空区还可监测围岩失稳。

Mine detection system and its detection method

The invention discloses a mine detection system, including a signal transmitter, which comprises a fiber laser and an ultrasonic mechanical source. The grating wavelength of the fiber laser is 1550-1580 nm, and the ultrasonic frequency of the ultrasonic mechanical source is 200-300 KHz; a fixing device; a signal collector, which is arranged at one end of the fixing device, is used for signal mining. The collector includes a plurality of spaced fiber grating sensors and ultrasonic detectors for collecting laser and ultrasonic signals; a signal converter, located at the other end of a fixed device, for converting all signals and sending them to a microprocessor; a microprocessor for processing detected data; and a terminal device for collecting laser and ultrasonic signals. The time-frequency characteristic and power spectrum energy distribution are compared and analyzed. The invention adopts fiber grating and ultrasonic technology as signal sensing devices, thereby improving the sensitivity of the sensor, enabling it not only to quickly and accurately identify underground mined-out areas but also to monitor surrounding rock instability.

【技术实现步骤摘要】
矿山探测系统及其探测方法
本专利技术涉及矿山探测领域。更具体地说，本专利技术涉及一种不明采空区探测装置与方法。
技术介绍
固体矿包括煤矿、金属矿、非金属矿等等。上个世纪末，我国矿业开采秩序较为混乱，非法无序的乱采滥挖在一些矿山及其周边留下了大量的采空区。一些厚大矿体金属矿山的独立空区体积达数万立方米至数十万立方米，不少矿山矿区相继从局部突然崩落发展到大范围的突然崩落并引起地表大范围的岩移。由于矿井的地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，采空区引起的煤矿灾害屡屡发生。因此，勘查地下采空区的分布范围、空间形态特征，及时为矿区施工开采提供安全信息,确保生产过程中人员和设备的安全，必须通过监控量测实现信息化监测。通过超前预报和监控量测可以帮助掌握围岩地压发展动态，对施工有影响的顶板冒顶、巷道片帮地压活动等情况，提前报警，以便安全施工。其次，对巷道施工存在安全隐患的段，及时变更设计和施工方案。最后，可准确探测煤矿采空区水文地质条件，一些地区采空区强富水性严重威胁着煤矿的安全生产，为了及时查清采空区或工作面前方采空积水情况，保证煤矿安全生产。当前，矿山探测系统常用于识别矿井的地下采空区和岩溶。传近年来，对围岩地质变形和稳定的监测越来越受到重视，同时由于某些井工煤矿地层中的砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩、煤的电阻率变化较大，造成传统探测精度不高，并且传统的直流电探测方法的探测有效范围较小，需要多次探测，劳动量较大。同时，传统矿井空区测量均属于有限离散点测量范畴，其测量范围小，难以实现区域性观测；测量耗费时间长，实时响应差，且均通过为数不多的测点来拟合检测对象的连续形变，难以观测到巷道的非连续性变形、突发性变形以及破坏的初始位置。因此，专利技术一种同时识别地下采空区和预警围岩失稳的矿山探测系统尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是解决上述问题，并提供后面将说明的优点。本专利技术还有一个目的是提供一种矿山探测系统，克服了现有技术中传统矿井空区测量仪测量范围小，仅能识别地下采空区和岩溶，而难以判断巷道变形和进行围岩稳定性监测的问题，提供一种同时识别地下采空区和预警围岩失稳的矿山探测系统，矿山探测系统同时采用光纤光栅和超声技术作为信号传感装置，从而提高光纤光栅传感器的灵敏度，使其不仅可快速准确识别地下不明采空区还可监测围岩失稳。本专利技术提供一种矿山探测系统，所述矿山探测系统包括：信号发射器，其包括光纤激光器和超声机械震源器，其中，所述光纤激光器的光栅波长为1550～1580nm，所述超声机械震源器的超声波频率为200～300KHz；固定装置，其用于固定与所述信号发射器连接的信号采集器；信号采集器，其设于所述固定装置的一端，所述信号采集器包括多个间隔设置的光纤光栅传感器和超声波检波器，其用于收集所述信号发射器的所有激光波信号和超声波信号；信号转化器，其设于所述固定装置的另一端，其用于转换所有激光波长信号和超声波长信号并发送给微处理器；微处理器，其用于接收并处理信号转化器传输的数据得到检测数据；终端装置，其用于将激光波信号与超声波信号分别检测得到的时频特征、功率谱能量分布的检测数据进行比对分析并显示。其中，所述信号发射器包括光纤激光器和超声机械震源器，光纤激光器发射激光的光栅波长为1550～1580nm，这种激光信号热敏度更高，抗电磁干扰能力较强；而超声机械震源器发射超声波的频率为200～300KHz，这种超声波信号属于高频超声波，其定向好、穿透力极强。同时，激光信号波属于电磁波，超声信号波属于机械波，两种信号波属性和频率都不相同，不易相互干扰。本专利技术中，所述光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。光纤光栅传感器可以实现对深度、应变等物理量的直接测量。光纤激光根据岩体的物理力学性能以及节理裂隙等构造情况，信号频率会随时间变化。围岩失稳发生后，激光频率可达70KHz，然后快速衰减。但是，井下巷道围岩内部由于原岩应力、巷道形状、构造、围岩松动圈厚度、监测位置各种因素的影响，巷道围岩失稳很难真实并且准确地测量，因此本专利技术采用超声波技术联用。所述超声波检波器属于机械波传感器的一种，由于其原理为通过检测超声波发送与反射的时间差来计算矿井巷道形貌高度，但易受到超声波传播的能量损耗影响。其与光纤光栅传感器联用，通过比对两种信号的时频特征和功率谱能量分布可以准确确定空矿区及巷道形貌；其次，预先设定系统信号功率谱能量分布的预警阈值，将测得的数据与设定的预警阈值相比较从而监测围岩失稳情况。所述信号采集器上布设的光纤光栅传感器和超声波检波传感器间隔排布，可减少两种信号波相互干扰及部分相互抵消，用于实现超声波和激光数据的更快度定时采集或实时采集。本专利技术中，所述信号采集器设于所述固定装置的一端，所述信号转化器设于所述固定装置的另一端，这样设置两者不易相互干扰，且信号采集器收集的激光信号波和超声信号波可以快速传导至信号转化器进行转化，避免信号衰减从而降低检测的灵敏度。本专利技术中，所述终端装置可为独立的计算机，或为与微处理器集成的大型中控中心。所述微处理器包括检测数据处理器、检测数据存储器和通信装置，通信装置可为蓝牙装置或其他无线网络装置。较佳地，所述微处理器还包括电源管理系统，所述电源管理系统控制所述信号采集器内部芯片直流电压为3～5V，较佳地，控制电压为3.5～4.5V。所述信号转化器与所述微处理器之间由所述通信传递系统相连接，较佳地，所述信号转化器与所述数据处理系统之间由所述通信传递系统相连接；所述红外测距仪与所述微处理器之间由所述通信传递系统相连接，较佳地，所述红外测距仪与所述深度测量系统之间由所述通信传递系统相连接；所述数据处理系统、深度测量系统和存储器系统的输入端分别与多台终端装置的输出端相连接；所述存储器系统用于存储监测数据，所述终端装置用于调用存储的监测数据。较佳地，所述微处理器电源输出端接入电容滤波器，抑制数字信号产生的脉冲干扰；更佳地，所述装置采用分立式供电，使得整个系统的供电经过变压后直接送给各个系统电路整流、滤波、稳压。从而消除各系统电路间的电源线、地线间的耦合干扰，又提高供电质量，增大了散热效果。本专利技术中，矿山探测系统进行探测的方法的具体步骤为：步骤一、将待监测区域内沿一水平线依次间隔布设所述信号发射器5～30个，所述光纤激光器发射激光传导至光纤光栅传感器，所述光纤激光器发射激光的光栅波长为1550～1580nm，所述超声机械震源器发射超声波传导至超声波检波器，所述超声机械震源器发射超声波频率为200～300KHz；步骤二、所述信号采集器通过多芯通信电缆将实时激光波长信号和超声波长信号经过信号转化器转换后成为光信号，由主光缆传导至所述微处理器；步骤三、所述微处理器对所述信号转化器的信号进行处理：微处理器主程序流程首先进行初始化；然后输入采样光信号并进行相关运算，计算出激光波信号和超声波信号的时频特征和功率谱能量分布；最后进行数据传输；其中，所述微处理器的通信装置收到所述终端装置开始测量指令后，首先由检测数据处理器中数据由零开始初始化，然后接收并计算信号转化器中传送的数据，然后等待终端装置指令，见本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种矿山探测系统，其特征在于，包括：信号发射器，其包括光纤激光器和超声机械震源器，其中，所述光纤激光器的光栅波长为1550～1580nm，所述超声机械震源器的超声波频率为200～300KHz；固定装置，其用于固定与所述信号发射器连接的信号采集器；信号采集器，其设于所述固定装置的一端，所述信号采集器包括多个间隔设置的光纤光栅传感器和超声波检波器，其用于收集所述信号发射器的所有激光波信号和超声波信号；信号转化器，其设于所述固定装置的另一端，其用于转换所有激光波信号和超声波信号并发送给微处理器；微处理器，其用于接收并处理信号转化器传输的数据得到检测数据；终端装置，其用于将激光波信号与超声波信号分别检测得到的时频特征、功率谱能量分布的检测数据进行比对分析并显示。

【技术特征摘要】
1.一种矿山探测系统，其特征在于，包括：信号发射器，其包括光纤激光器和超声机械震源器，其中，所述光纤激光器的光栅波长为1550～1580nm，所述超声机械震源器的超声波频率为200～300KHz；固定装置，其用于固定与所述信号发射器连接的信号采集器；信号采集器，其设于所述固定装置的一端，所述信号采集器包括多个间隔设置的光纤光栅传感器和超声波检波器，其用于收集所述信号发射器的所有激光波信号和超声波信号；信号转化器，其设于所述固定装置的另一端，其用于转换所有激光波信号和超声波信号并发送给微处理器；微处理器，其用于接收并处理信号转化器传输的数据得到检测数据；终端装置，其用于将激光波信号与超声波信号分别检测得到的时频特征、功率谱能量分布的检测数据进行比对分析并显示。2.根据权利要求1所述的矿山探测系统，其特征在于，所述微处理器包括检测数据处理器、检测数据存储器和通信装置，其中，所述检测数据处理器用于检测得到激光波信号和超声波信号的时频特征和功率谱能量分布。3.根据权利要求2所述的矿山探测系统，其特征在于，所述信号转化器连接所述通信装置，所述通信装置与所述终端装置连接。4.根据权利要求1所述的矿山探测系统，其特征在于，所述微处理器与所述终端装置连接。5.一种根据权利要求1所述的矿山探测系统进行探测的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：栾彦锋，马国朋，龚传伟，夏邵恒，武新丽，熊超，栾彦岭，杨彬，王金朵，王回春，
申请(专利权)人：栾彦锋，马国朋，龚传伟，夏邵恒，武新丽，熊超，栾彦岭，杨彬，王金朵，王回春，
类型：发明
国别省市：河北,13