CN211577443U - 一种实时跟踪采集矿井集中应力变化的微震传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种实时跟踪采集矿井集中应力变化的微震传感器，所述外壳的内部下端设置有传感元件，所述传感元件上端设置有绝缘胶，所述绝缘胶连接噪音滤波电路板器，所述外壳的上端螺纹连接有保护壳封闭盖，所述保护壳封闭盖下端与噪音滤波电路板器上端相抵，所述保护壳封闭盖中间安装信号输出航插连接于保护壳封闭盖，所述保护壳封闭盖上设置有连接信号输出航插的安装孔，所述保护壳封闭盖侧面螺纹连接用于对保护壳封闭盖固定的固定螺钉，所述固定螺钉的底面与保护壳封闭盖相抵，所述信号输出航插中间插接传输电缆。该元件在地震波20hz灵敏度达到极值，在地震波12～200hz低频段传感器反映的跟随性基本稳定，能够满足现场的实际需求。

Description

一种实时跟踪采集矿井集中应力变化的微震传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，具体为一种实时跟踪采集矿井集中应力变化的微震传感器，具体来说就是实时跟踪采矿井集中应力变化信号，将集中应力的变化频度和强度转变为电信号的传感器。

背景技术

矿井冲击地压、顶班冒落、煤与瓦斯突出是近年来最主要井下自然灾害事故；为了防止矿井冲击地压和大面积顶板冒落事故，人们研发了顶板压力、顶板位移、顶板离层传感器来监测矿井顶板压力的变化，预防矿井冲击地压和顶板事故的发生；但是，事实并非如此，近年来仍然发生了多起冲击地压或矿井顶板冒落事故；

究其原因：主要缺少事故发生前对集中应力的预警手段及技术，不论顶板压力、顶板位移，还是顶板离层传感器，检测的主要是集中应力显现后——即顶板主要承载层发生破坏后的结果，无法检测到事故发生前的前兆信息。

目前已在北京、抚顺、枣庄、开滦、大同、河南义马、山东兖州、新疆昌吉、北票、南桐等矿区的许多矿井，都先后有冲击地压现象发生。今后，随着开采深度的不断增加，冲击地压的危害将更加突出。

在煤与瓦斯突出方面，根据“突出机理”——煤与瓦斯突出是瓦斯、地应力、煤质物理力学性能综合作用的结果。近年来，国内主要的有突出危险的矿区加大了对于煤层瓦斯的治理措施，在区域抽放预排措施到位，达到“双六”指标(瓦斯压力要小于0.6MPa，瓦斯含量小于6m³/t)的前提下，在预测后已判定为无突出危险的煤层依旧发生了多起煤与瓦斯突出事故；

原因分析：

1)区域预抽措施的应用大面积地降低了开采煤层瓦斯含量；

2)当前的突出预测指标仅能很好的反映了突出的瓦斯因素，缺少能很好的反映地应力因素的检测手段和预测指标；

3)现在的突出事故中地应力因素起到的作用相对较大；究其原因转入深部开采的老矿区越来越多，对地应力防突预警措施的科研投入不足，没有成熟的检测手段用于对地应力的变化进行监测、跟踪预警。

在河南除平顶山矿区外，义马、郑煤、焦煤、鹤壁矿区普遍存在老矿井的深部开采的情况，对突出矿井而言深部开采地应力的防治是一个急待解决问题。全国深部开采面临着相同的难题，如淮南、淮北矿区，山东矿区。

因此，研发一种能实时跟踪采集矿井集中应力变化的传感器就成了解决深部开采防治冲击地压和煤与瓦斯突出事故的当务之急。

然而要研发能实时跟踪采集矿井集中应力变化的传感器，面临着下述难题：

1)如何研发传感元件，能在矿井煤体或岩体中集中应力发生变化时，实时检测出应力的变化状态，将地应力的变化转变为电信号；

2)井下作业区是一个多机械、多人工作业的场所，在这种环境下，如何能区分、识别干扰，如何能排除干扰，使采集的信号更真实、可靠。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了如下的技术方案：能够及时、可靠、连续地检测、采集工作面集中应力的变化，将矿井冲击地压、顶板冒落、煤与瓦斯突出发生前的微小的前兆信息转变为电讯号，为实时采集、分析、预警这类事故的危险性奠定数据依据。构思来自传统的地震检测原理的启发。地震是受地球板块移动、挤压，产生了集中应力，当集中应力超过地壳某种岩石强度时，该种岩石就会破坏，集聚的能量得以突然的释放，就会产生弹性应力波(地震波)，岩层越坚硬，破坏时释放的能量就越大；当最弱的岩层在地球板块移动、挤压产生的集中应力作用下发生破坏时，这时间释放弹性应力波能量最小，衰减的速率很快，转播的距离也最短；此后，应力的集中点就会向更坚硬的岩层移动、集中，集中的应力会随着挤压程度及岩石强度的增加而增大，岩石越坚硬积累的能量也就越多，当应力集中的程度超过该岩层的强度、发生破坏时，就会释放出较大能量的弹性波，如果该弹性应力波被人类所感知，就会感觉发生了小型地震，此后应力集中点向更加坚硬的岩层转移，当某地区最坚硬岩层发生破坏后，就会产生强烈地震，同时释放出强大的积累能量和地震波，同时应力的集中点会发生转移，移动到地震带的下一个应力集中点。这种应力集中——破坏——能量释放现象，会在地震带上周而反复。地球板块移动、挤压在每时每刻在进行，弱小地震是在每时每刻都在发生中，地震我们无法预测，是由于我们不知到弱小地震现在会发生在什么地方，下一次又会发生在什么地方，我们还没有高灵敏度的传感器来扑捉这些信号，还没有能力在这么大的地震带上安装、维护这些传感器和***；但是，矿井下工人的作业场所是一定的，所面临的煤层和巷道顶底板岩性是已知的，根据矿井围岩破坏的原理研制相应的传感器。

岩石是一种非均值性的脆性材料，岩石受到集中应力作用发生破坏时，会产生弹性应力波(微震信号)。由于岩石是非均质性的，结构都有弱面和瑕疵，因此，在破坏时能承受的应力大小各不相同，弱面和瑕疵发育的部分首先破坏，此时产生的地震信号比较弱(我们就微震信号)，释放的能量也比较小；强度和材质比较好的部分承受的应力比较大，破坏时产生的信号比较强，释放的能量也比较大。

煤层与岩石一样都是非均质性的脆性材料，结构都含有大量的弱面和瑕疵；但煤层的强度比岩石弱的多，裂隙和节理比岩石丰富的多，且煤层中富含大量的吸附和游离瓦斯。煤层在相同的应力作用下，更容易破坏，破坏时产生的微震信号比岩石破坏时产生的微震信号弱的多。据研究，其强烈地震发生时，地震波的频率一般小于10hz，微小地震(简称微震)波的频率范围在10hz～200Hz之间，主频在15hz～30hz之间。而且煤层强度越软，产生的微震信号的频率越低，持续时间就越短，一般仅为3ms～60ms；发生冒顶或突出的危险性更大。

如果煤层顶板有一层坚硬的岩石，受采动或构造应力的叠加的影响，积累的能量就越大，需要更大的集中应力的作用才能使该主要的承载层发生破坏，一旦应力集中的程度超过该坚硬岩石的应力强度，就会发生破坏，释放出强大的积累的应力能量，发生冲击地压现象，释放的微震信号的频率较高，能量也大；据研究，冲击地压矿井微震信号的频率范围在10hz～120hz之间。

上述研究结果为研发实时跟踪采集矿井集中应力的变化的微震传感器提供了理论依据。岩石和煤层在应力作用下弱者先破坏，应力逐渐向主要承载层转移，一旦集中应力强度超过主要承载层的强度就会瞬间发生破坏——即发生冲击地压、顶板冒落，产生微震信号的频度和强度越来越大的原理，说明了对于矿井冲击地压、顶板冒落、煤与瓦斯突出这类事故有规律可循，可以预测；只要研发检测微震信号的传感器，我们就有办法获得该类事故发生前的前兆信息，实现实时跟踪预警。

本实用新型利用岩石或煤岩在应力作用下，发生破坏会释放出微震(微小地震)信号，微震信号的频度和强度又反映了岩石或煤岩破坏时的承载的应力强度；微震信号频度越大，采集到的信号的能量越大，岩石或煤岩承载的应力强度就越大，越有可能发生恶性井下动力(冲击地压、顶板冒落、煤与瓦斯突出)事故的原理，研发出了超低频传感元件，响应频带在3hz～200h之间，根据井下工作面各种机械噪音人工信号的波形和特点，研发了传感器的滤波识别电路，首次开发出了能够实时跟踪采集矿井集中应力变化的微震传感器，并且根据掘进或回采工艺研究出了一套该传感器的安装方法。

本实用新型一种实时跟踪采集矿井集中应力变化的微震传感器，包括保护壳封闭盖、固定螺钉、外壳、传感元件、绝缘胶、噪音滤波电路板器、信号输出航插、信号电，所述外壳的外部为几段阶梯的结构，所述外壳的内部下端设置有传感元件，所述传感元件上端设置有绝缘胶，所述绝缘胶连接噪音滤波电路板器，所述外壳的上端螺纹连接有保护壳封闭盖，所述保护壳封闭盖下端与噪音滤波电路板器上端相抵，所述保护壳封闭盖中间安装信号输出航插连接于保护壳封闭盖，所述保护壳封闭盖上设置有连接信号输出航插的安装孔，所述保护壳封闭盖侧面螺纹连接用于对保护壳封闭盖固定的固定螺钉，所述固定螺钉的底面与保护壳封闭盖相抵，所述信号输出航插中间插接传输电缆。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述外壳的外部固定设置有铭牌。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述保护壳封闭盖内部为透空结构，下端开口结构。

作为本实用新型的一种优选技术方案，所述信号输出航插下端设置有凸台，凸台的直径大于安装孔的直径。

本实用新型的有益效果是：

传感器安装在信号接收铁钎上，铁钎接收到在煤层或岩层中传导的微震信号，传送给微震传感器，安装在震动弹簧片上、套在磁铁上的线圈切割磁场，产生相应的脉冲信号，线圈晃动的幅度和频率与微震信号的频率和强度成正比，微震信号的频率越大，产生的脉冲信号的频率也大，微震信号的强度越大，产生的脉冲信号的电荷越多，电流越大；该信号输给信号放大电路板，进行放大、滤波处理，再经过信号调制成电流脉冲，进行远距离输出；微震传感元件在震动台上进行测试，没有进行放大处理的原形波在0～200hz频段上的跟踪信号曲线；可以看出，该元件在地震波20hz灵敏度达到极值，在地震波12～200hz低频段传感器反映的跟随性基本稳定，能够满足现场的实际需求。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1微震传感器的原理结构图；

图2微震传感器内部电气原理图；

图3微震传感原件在震动台上进行1～200hz振动测试产生的信号波曲线图；

图4在煤体中微震传感器安装示意图；

图5在岩石中微震传感器安装示意图。

图中：保护壳封闭盖1、固定螺钉2、外壳3、铭牌4、传感元件5、绝缘胶6、噪音滤波电路板器7、信号输出航插8、传输电缆9。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例：如图1、图2、图3、图4和图5所示，本实用新型一种实时跟踪采集矿井集中应力变化的微震传感器，包括保护壳封闭盖1、固定螺钉2、外壳3、传感元件5、绝缘胶6、噪音滤波电路板器7、信号输出航插8、传输电缆9，所述外壳3的外部为几段阶梯的结构，所述外壳3的内部下端设置有传感元件5，所述传感元件5上端设置有绝缘胶6，所述绝缘胶6连接噪音滤波电路板器7，所述外壳3的上端螺纹连接有保护壳封闭盖1，所述保护壳封闭盖1下端与噪音滤波电路板器7上端相抵，所述保护壳封闭盖1中间安装信号输出航插8连接于保护壳封闭盖1，所述保护壳封闭盖1上设置有连接信号输出航插8的安装孔，所述保护壳封闭盖1侧面螺纹连接用于对保护壳封闭盖1固定的固定螺钉2，所述固定螺钉2的底面与保护壳封闭盖1相抵，所述信号输出航插8中间插接传输电缆9。

进一步地，所述外壳3的外部固定设置有铭牌4。

进一步地，所述保护壳封闭盖1内部为透空结构，下端开口结构。

进一步地，所述信号输出航插8下端设置有凸台，凸台的直径大于安装孔的直径。

使用时：

a.在煤体中如图3所示，要安装矿井工作巷道中碛头处的煤壁11上，打一个深度为2.5m～3.5m的钻孔，在钻孔中放入波导杆A10(铁钎)，将波导杆A10用大锤打入煤体或岩体中(坚硬岩层用锚固剂进行固定)，在孔口波导杆A10的螺纹上安装微震传感器，将微震传感器信号线13接在分析、处理设备上。

当工作面向前掘进一段距离后，拆下微震传感器，拔出波导杆A10，在工作面后方处，重新打孔，前移安装。

b.在岩体中如图4所示，在岩体中打一个钻孔，将一次性波导杆14放入钻孔，钻孔底部用锚固剂，固定波导杆14。这种安装方式，主要用在井下，揭石门掘进中。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种实时跟踪采集矿井集中应力变化的微震传感器，包括保护壳封闭盖(1)、固定螺钉(2)、外壳(3)、传感元件(5)、绝缘胶(6)、噪音滤波电路板器(7)、信号输出航插(8)、传输电缆(9)，其特征在于，所述外壳(3)的外部为几段阶梯的结构，所述外壳(3)的内部下端设置有传感元件(5)，所述传感元件(5)上端设置有绝缘胶(6)，所述绝缘胶(6)连接噪音滤波电路板器(7)，所述外壳(3)的上端螺纹连接有保护壳封闭盖(1)，所述保护壳封闭盖(1)下端与噪音滤波电路板器(7)上端相抵，所述保护壳封闭盖(1)中间安装信号输出航插(8)连接于保护壳封闭盖(1)，所述保护壳封闭盖(1)上设置有连接信号输出航插(8)的安装孔，所述保护壳封闭盖(1)侧面螺纹连接用于对保护壳封闭盖(1)固定的固定螺钉(2)，所述固定螺钉(2)的底面与保护壳封闭盖(1)相抵，所述信号输出航插(8)中间插接传输电缆(9)。

2.根据权利要求1所述的一种实时跟踪采集矿井集中应力变化的微震传感器，其特征在于，所述外壳(3)的外部固定设置有铭牌(4)。

3.根据权利要求1所述的一种实时跟踪采集矿井集中应力变化的微震传感器，其特征在于，所述保护壳封闭盖(1)内部为透空结构，下端开口结构。

4.根据权利要求1所述的一种实时跟踪采集矿井集中应力变化的微震传感器，其特征在于，所述信号输出航插(8)下端设置有凸台，凸台的直径大于安装孔的直径。

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