[发明专利]一种实时监测矿井顶板岩层或混凝土结构稳定性的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种监测装置，具体来说是矿井顶板岩层稳定性或混凝土结构稳定性的实时监测装置。 

背景技术

从地下矿井中开采矿石，尤其地下开采煤矿时，矿区煤层顶板往往比较坚硬、完整，不容易跨塌，因此，矿区采空区往往呈现大面积的悬顶现象，有些采空区悬顶面积有几个足球场大。由于采空了坚硬顶板下的煤层，从而造成了矿区煤层顶板压力集中现象，当集中应力的强度超过岩石强度时，会发生顶板岩层断裂、跨塌的情况发生，这种突然“冒顶”落下的岩石，充填采空区，压缩采空区的空气(采空遗留着大量的残采煤层，由于通风不畅，在采空区集聚着瓦斯、一氧化碳等有毒有害气体)，形成暴风，这种瞬间形成的暴风，能量极大，暴风的冲击波能将数吨重的井下设备掀出几十米，甚至将井下矿车压缩成一团废铁。因此，顶板岩层断裂、跨塌现象的发生，常常给矿山造成灾难性的人员伤亡、财产损失。 

为了防止煤矿大面积冒顶事故的突然发生，通常采用顶板压力传感器、顶板位移传感器和顶板离层传感器，通过测定顶板压力的大小、顶板位移量和顶板离层值，预测发生大面积冒落的危险性。这种方法测定的数据虽然比较直观，能够说明监测区域承受的压力大小和下沉量，但是这种方法是在岩层已经发生了明显破坏、出现塑性变形的情况下，才能检测到数据的变化，而对需要监测的局域内岩层结构，无法进行早期预报或安全处理，很难及时的预测顶板岩层会发生冒顶事故的具体时间以及可能发生事故的区域和规模。即，传统方法监测的仅仅是岩石在应力作用下产生的结果，而不是破坏过程。 

同样，对于钢筋混凝土工程而言，如地铁隧道、车站、大坝、桥梁及人员活动密集的高楼大厦等，其安全性和稳定性监测的传统监测方法是：混凝土浇灌前，在主要受力承载点的钢筋上，采用粘贴应力、应变片的方法，监测这些工程的稳定性。该方法虽然可以直接测量出应力和应变的变化情况，但一旦埋设，无法更改，如果元件失效了，就无法再继续测量了。而对于没有预埋应力、应变片的工程而言，则无法进行该监测工作。钢筋混凝土工程的这种监测方法，只有在已经发生了明显破坏、出现塑性变形的情况下，才能检测到数据的变化，其无法进行早期预报或安全处理——很难及时地预测混凝土结构什么时间会发生冒顶、断裂事故，以及可能发生事故的区域和规模。即，其监测的仍然是应力作用的结果，而不是破坏过程，只有材料发生了塑性变化，才造成应力、应变的变化。 

[0005] 发明内容

本发明的目的在于，提供一种实时监测矿井顶板岩层或混凝土结构稳定性的装置，能够及时而可靠的对地下采矿区的顶板岩层之稳定性乃至钢筋、混凝土材料工程之稳定性，实施安全可靠的监测。 

本发明的构思来自传统金属材料监测原理的启发。传统的金属材料监测技术的原理为：材料受到外力作用发生破坏时，会产生弹性应力波(微震信号)。由于材料是非均质性的，材料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，此时产生的信号比较弱，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。利用金属的这种特性开发的检测材料稳定性的方法，已经延用到火箭、飞机、高压容器等制造业。 

传统的金属材料的材质其刚性、强度、材质的均值性都大大优于岩石或混混凝土材料，因此，在应力作用下发生破坏时产生的弹性应力波信号(微震信号)，释放的能量大、信号量强、传输距离远；传统的金属材料监测技术，之所以能够在金属制造业中推广应用，除上述原因外，更由于对金属材料监测时，都是在一个安静的测试环境中进行的，从而避免了环境噪音的干扰。 

岩石和混凝土材料，其刚性、强度和材质的均值性都大大弱于金属材料，其承载特性无法与金属材料相比；由于岩石和混凝土材料的均值性差，弱面多和瑕疵发育；因此，这种材料受应力作用发生破坏时产生的弹性应力波信号(微震信号)十分微弱，持续时间短，仅有20ms～60ms；而且矿井或混凝土工程的监测，往往处于一种人多、机械噪音干扰很大的环境，需要监测、采集岩层或混凝土材料破坏时产生的弹性应力波信号(微震信号)十分微弱；被埋没在混杂的噪音信号之中。如何在如此强噪音的环境中，筛选出反映岩层或混凝土结构破坏时产生的十分微弱的微震信号？长期以来一直是困扰着国内外研究者的一大难题。 

本发明巧妙地将传统金属材料监测原理，运用到矿井顶板岩层或混凝土结构稳定性的监测中，并针对岩石和混凝土材料受应力作用发生破坏时产生的弹性应力波信号(微震信号)弱，持续时间短的特点及其防止或滤除环境噪音的干扰的问题，做出实质性的突破。本发明是这样实现的：