一种矿井水害监测装置和方法

1.本技术涉及地质监测技术领域，特别涉及一种矿井水害监测装置和方法。


背景技术：

2.随着矿井开采深度和开采条件不断变化，巷道采掘即工作面的复杂地质构造经常导致煤矿生产工作无法正常进行，煤矿安全高效生产受到严重威胁，甚至造成设备损坏和人员伤亡，如透水事故等深部动力灾害频度和强度明显增加。水害是矿井生产主要安全隐患之一，由于矿井水文地址条件等状况不明，不能有效地进行预防，造成的煤矿事故频频发生，严重危机财产和人民生命安全。
3.防治水是煤矿生产作业中一项非常重要的工作，目前用于矿井谁还探测的主要地球物理方法包括：矿井直流电法、矿井瞬变电磁法、无线电波透视、音频电透视、层反射和折射地震勘探、瑞雷波勘探、微重力测量、红外测温、放射性测量等地球物理勘探手段。地球物理方法成功与否取决于所采用方法的有效性、信号采集技术、分辨率、信噪比以及物性差异等多种因素，目前地球物理方法的应用主要采用探测为主，不能实时监测水温地质条件的动态变化。
4.因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种矿井水害监测装置和方法，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
6.为了实现上述目的，本技术提供如下技术方案：
7.本技术提供了一种矿井水害监测装置，包括：铠装电极链，所述铠装电极链有多条，多条所述铠装电极链分别沿所述矿井的多个不同方向埋设，每条所述铠装电极链中沿所述铠装电极链的长度方向布设有多个智能电极，至少一条所述铠装电极链的多个所述智能电极埋设于所述矿井的不同监测地层中，与对应的所述监测地层耦合；复合调制解调器，所述复合调制解调器与所述铠装电极链连接，实时采集所述铠装电极链的地电场；所述复合调制解调器与参考电极连接，采集所述矿井的背景电场；其中，所述参考电极与任一所述监测地层耦合；控制单元，与所述复合调制解调器连接，根据所述复合调制解调器采集的所述地电场和背景电场，对所述矿井的矿井水害进行预测。
8.优选的，多个所述智能电极并联设置，且每个所述智能电极具有唯一地址；对应的，所述复合调制解调器通过h桥控制所述智能电极的导通或断开。
9.优选的，所述调制解调器通过所述智能电极对应的监测地层的地电场与所述参考电极的电位差，获取所述矿井的背景电场。
10.优选的，所述铠装电极链有三条，三条所述铠装电极链分别对所述矿井的三个相互正交方向的地电场进行测量。
11.优选的，所述智能电极包括电源端子、参考端子和信号端子，所述电源端子与所述
复合调制解调器的电源端口连接；所述参考端子与所述复合调制解调器的参考端口连接，且与所述参考电极相连接；所述信号端子与所述复合调制解调器的信号端口相连接。
12.本技术实施例还提供一种矿井水害监测方法，采用上述任一实施例所述的矿井水害监测装置对所述矿井的矿井水害进行预测，所述矿井水害监测方法包括：步骤s101、将多条铠装电极链沿多个方向埋设于待监测的所述矿井中；步骤s102、基于多条所述铠装电极链，采集所述矿井的多个不同方向的地电场以及所述矿井的背景电场；步骤s103、根据所述地电场和背景电场，对所述矿井的矿井水害进行预测。
13.优选的，在步骤s101中，将一条所述铠装电极链沿垂直方向埋设于所述矿井的直井中；将两条所述铠装电极链沿相互正交的两个方向埋设于所述直井井口，或者，将两条所述铠装电极链相互垂直埋设于所述直井穿过的矿井巷道或工作面。
14.优选的，在步骤s101中，沿相互正交的两个方向埋设于所述直井井口的两条铠装电极链的长度与埋设于所述直井中的铠装电极链的长度误差小于等于预设阈值；或者，相互垂直埋设于所述直井穿过的矿井巷道或工作面的两条铠装电极链的长度与埋设于所述直井中的铠装电极链的长度误差小于等于所述预设阈值。
15.优选的，在步骤s102中，分别对地电场供电电源关闭、所述铠装电极链中的智能电极全部导通、所述铠装电极链中的智能电极依次导通时，所述矿井的多个不同方向的地电场进行采集。
16.优选的，在步骤s103中，对所述地电场和所述背景电场进行比较，反演计算所述矿井的地下水文地质条件变化时的时间、空间位置和地电场异常大小，以对所述矿井的矿井水害进行预测。
17.有益效果：
18.本技术实施例提供的技术方案中，至少一条铠装电极链上的多个智能电极埋设于矿井的不同监测地层中，与对应的监测地层耦合，籍此，实现对不同监测地层的地电场的实时测量；多条铠装电极链沿矿井的多个不同方向埋设，实现矿井多个方向上的地电场的实时测量；通过与铠装电极链连接的复合调制解调器，完成对铠装电极链测量的地电场的数据采集；以及，通过布设在无穷远处与任一监测地层耦合的参考电极，完成对矿井的背景电场的数据采集；而后，复合调制解调器将采集到的地电场、背景电场的数据发送至控制单元，由控制单元根据地电场、背景电场分析地下诱发矿井安全事故灾害的潜在风险和可能性，实现对矿井水害的预测。
附图说明
19.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。其中：
20.图1为根据本技术的一些实施例提供的一种矿井水害监测装置在矿井中的布设示意图；
21.图2为根据本技术的一些实施例提供的一种矿井水害监测装置的结构示意图；
22.图3为根据本技术的一些实施例提供的一种供电电源的结构示意图；
23.图4为根据本技术的一些实施例提供的一种地电场电位测量的示意图；
24.图5为根据本技术的一些实施例提供的一种电极链线缆的横截面示意图；
25.图6为根据本技术的一些实施例提供的一种矿井水害监测方法的流程示意图。
26.附图标记说明：
27.100、铠装电极链；200、复合调制解调器；300、控制单元；400、参考电极；500、供电电源；
28.101、智能电极；111、电源端子；121、参考端子；131、信号端子；102、电源接口；103、信号接口；
29.201、h桥；202、电源端口；203、参考端口；204、信号端口。
具体实施方式
30.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。各个示例通过本技术的解释的方式提供而非限制本技术。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本技术的范围或精神的情况下，可在本技术中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本技术包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
31.在本技术的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”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技术而不是要求本技术必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。本技术中使用的术语“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连；可以是有线电连接、无线电连接，也可以是无线通信信号连接，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的具体含义。
32.目前，矿井水害监测所采用的地球物理方法主要是以探测为主，不能实时监测水文地质条件的动态变换，因此，建立一种实时、动态、连续的地球物理方法实时动态监测矿井水文地质条件的变化是亟待解决的问题，以有效防止矿井水害的发生，避免造成人们生命安全和经济损失。本技术公开的用于矿井水害动态监测的方案中，基于的供电和电位测量一体的铠装电极链100，实时动态监测矿井水文地质条件变化，防止矿井水害事故的发生。
33.如图1-图5所示，该矿井水害监测装置包括：铠装电极链100，铠装电极链100有多条，多条铠装电极链100分别沿矿井的多个不同方向埋设，每条铠装电极链100中沿铠装电极链100的长度方向布设有多个智能电极101，至少一条铠装电极链100的多个智能电极101埋设于矿井的不同监测地层中，与对应的监测地层耦合；复合调制解调器200，复合调制解调器200与铠装电极链100连接，实时采集铠装电极链100的地电场；复合调制解调器200与参考电极400连接，采集矿井的背景电场；其中，参考电极400与任一监测地层耦合；控制单元300，与复合调制解调器200连接，根据复合调制解调器200采集的地电场和背景电场，对矿井的矿井水害进行预测。
34.在本技术实施例中，其中一条铠装电极链100的多个智能电极101分别对应埋设在不同的监测地层中，通过单独控制每个智能电极101的导通，利用智能电极101能够在对应的不同监测地层中建立人工地电场，而矿井水文地质条件的变化将导致激励电场的电位分布变化。继而，通过铠装电极链100监测地电场空间不同位置与埋设于无穷远处的参考电极
400的电位差，在人工地电场单位电流的作用下，若矿井水文地质条件发生变化，势必导致空间不同位置与无穷远参考电极400的电位差发生变化，籍此，实现对矿井不同深度的地层的区别、实时监测。
35.在本技术实施例中，多个智能电极101并联设置，且每个智能电极101具有唯一地址；籍此，利用智能电极101的唯一地址可以对每个智能电极101对应的监测地层、以及形成的人工地电场进行有效识别，进而快速识别、定位矿井的不同监测地层，在矿井水文地质条件发生变化时，可以通过智能电极101的唯一地址快速定位水文地质条件发生变化的监测地层，提高矿井水害的预测精度和预测效率。
36.在本技术实施例中，复合调制解调器200通过h桥201控制智能电极101的导通或断开。即，复合调制解调器200向智能电极101发送指令，导通或断开地电场供电电源500的正极，也就是说，复合调制解调器200通过h桥201控制智能电极101的开关，使智能电极101导通或断开，以及通过h桥201的控制反转智能电极101的电流方向。同时，复合调制解调器200通过h桥201向智能电极101对应的监测地层发送正负交替的方波，使得供电电源500能够通过智能电极101耦合监测地层建立人工地电场。
37.在本技术实施例中，水文地质条件发生变化会导致监测地层的激发电场变化，调制解调器通过监测地层的地电场与参考电极400的电位差，获取矿井的背景电场。具体的，在无供电电源500的人工地电场激励的条件下，测量所有铠装电极链100的智能电极101与无穷远处的电位差，籍此，形成矿井水文地质条件的背景电场。
38.在本技术实施例中，铠装电极链100有三条，三条铠装电极链100分别对矿井的三个相互正交方向的地电场进行测量。具体的，一条铠装电极链100沿矿井的监测地层的深度方向埋设，两条铠装电极链100在平面内沿两个不同的水平方向正交埋设，实现对矿井水文地质的立体监测。
39.在本技术实施例中，智能电极101包括电源端子111、参考端子121和信号端子131，电源端子111与复合调制解调器200的电源端口202连接；参考端子121与复合调制解调器200的参考端口203连接，且与参考电极400相连接；信号端子131与复合调制解调器200的信号端口204相连接。
40.在本技术实施例中，铠装电极链100由一系列智能电极101组成，铠装电极链100通过电极链线缆与复合调制解调器200连接，复合调制解调器200通过电极链线缆与地电场供电电源500、参考电极400连接。具体的，在复合调至解调器与供电电源500、参考电极400和控制单元300之间，电极链线缆的线芯( )和线芯(-)通过h桥201接入供电电源500的电源两极，线芯(g)与埋设在无穷远处的参考电极400连接，镶嵌在电极链线缆中的信号线与控制单元300连接；在复合调制解调器200与智能电极101之间，智能电极101的电源端子111与复合调制解调器200的电源端口202之间通过(电源接口102)(线芯( )和线芯(-))接通，智能电极101的参考端子121与复合调制解调器200的参考端口203之间通过信号接口103(线芯(g))接通，智能电极101的信号端子131与复合调制解调器200的信号端口204之间通过信号线接通。
41.在本技术实施例中，复合调制解调器200的参考端口203与的参考电极400连接，并由供电电源500提供供电电压和电流，复合调制解调器200对铠装电极链100发送导通或断开指令，以及对铠装电极链100传回的地电场的数据进行解调，并发送至控制单元300。由控
制单元300对实时监测到的三个相互正交方向的地电场和背景电场进行处理，实现对矿井的水文灾害的预测。
42.需要说明的是，本技术的智能电极101通过设置的电位计(v)对监测地层的进行电位测量，实现对监测地层的水文地质条件变化的实时监测，为矿井的水文灾害预测提供依据。
43.图6为根据本技术的一些实施例提供的一种矿井水害监测方法的流程示意图；如图6所示，该矿井水害监测方法采用上述任一实施例的矿井水害监测装置对矿井的矿井水害进行预测，该矿井水害监测方法包括：
44.步骤s101、将多条铠装电极链100沿多个方向埋设于待监测的矿井中；
45.在本技术实施例中，将一条铠装电极链100沿垂直方向埋设于矿井的直井中；将两条铠装电极链100沿相互正交的两个方向埋设于直井井口，或者，将两条铠装电极链100相互垂直埋设于直井穿过的矿井巷道或工作面。
46.具体的，在需要进行水文灾害监测或潜在的水文灾害发生的矿井钻一口直井，穿过不同的监测地层及其含水层，将一条铠装电极链100缓慢的下入到完钻的井孔里，并使得铠装电极连的裸露金属与周围地层完成耦合(电流接通导电)，随后在井孔中灌注水泥浆，将该铠装电极链100永久固定在井下。
47.在钻孔井口地面处相互正交的两个方向分别开挖两条浅沟，在两条浅沟中对应铺设两条铠装电极链100；或者，在直井穿过的矿井巷道或工作面处分别开挖两条相互垂直的浅沟或水平井，在浅沟或水平井中对应铺设两条铠装电极链100。在浅沟或水平井中的铠装电极链100铺设完毕后，用水泥高压泵将水泥泵入孔中，使铠装电极链100与钻孔之间的环空取充实水泥浆，水泥浆固结后，铠装监测电极链和监测地层岩石永久性的固定耦合在一起。
48.在本技术实施例中，沿相互正交的两个方向埋设于直井井口的两条铠装电极链100的长度与埋设于直井中的铠装电极链100的长度误差小于等于预设阈值；或者，相互垂直埋设于直井穿过的矿井巷道或工作面的两条铠装电极链100的长度与埋设于直井中的铠装电极链100的长度误差小于等于预设阈值。
49.具体的，在钻孔井口地面处相互正交的两个方向分别开挖的两条浅沟的长度误差不大于10％，对应埋设的两条铠装电极链100的长度与两条浅沟的长度相当。在直井穿过的矿井巷道或工作面处分别开挖两条相互垂直的浅沟或水平井的长度误差不大于10％，对应埋设的两条铠装电极链100的长度与浅沟或水平井的长度相当。在此，三条铠装电极链100的长度误差不大于10％，既保证了信号(地电场、背景电场)的采集效果，同时使信号易于进行成像处理。
50.步骤s102、基于多条铠装电极链100，采集矿井的多个不同方向的地电场以及矿井的背景电场；
51.在本技术实施例中，在井口处把铠装电极链100的电极链线缆连接到复合调制解调器200，即复合调制解调器200的电源端口202接电极链线缆的线芯( )和线芯(-)，复合调制解调器200的参考端口203接电极链线缆的线芯(g)，复合调制解调器200的信号端口204接电极链线缆的信号线。同时，复合调制解调器200与参考端子121、供电电源500和控制单元300连接。启动复合调制解调器200，分别对铠装电极链100的智能电极101或智能电极101
组合供电，实时采集沿三个相互正交方向的铠装电极链100测量的地电场的变化数据。
52.在本技术实施例中，在基于多条铠装电极链100，采集矿井的多个不同方向的地电场以及矿井的背景电场时，分别对地电场供电电源500关闭、苏搜铠装电极链100中的智能电极101全部导通、铠装电极链100中的智能电极101依次导通时，矿井的多个不同方向地电场进行采集。
53.在本技术实施例中，水文地质条件发生变化将导致地电场的异常变化，通过三个正交的铠装电极链100记录关闭地电场供电电源500、直井中铠装电极链100的所有智能电极101与供电电源500导通、直井中铠装电极链100的智能电极101与供电电源500依次导通三种条件下，矿井水文地质条件变化而导致的地电场变化。对应的，通过在部分或全部监测地层施加人工电场，可有效提高对应的监测地层的监测信噪比；通过在单一监测地层施加人工电场，可有效提高对应的监测地层的单一地层水文条件变化的敏感度。
54.具体的，关闭地电场的供电电源500，利用复合调制解调器200记录铠装电极链100与埋设于无穷远处的参考电极400的电位差，即记录矿井水文地质条件的背景电场。然后，打开地电场的供电电源500，利用复合调制解调器200，使直井中的铠装电极链100的所有智能电极101与供电电源500导通，同时测量另外两个铠装电极链100(沿相互正交的两个方向埋设于直井井口的两条铠装电极链100，或者，相互垂直埋设于直井穿过的矿井巷道或工作面的两条铠装电极链100)与埋设于无穷远处的参考电极400之间的电位差，即记录铠装电极链100在供电电源500激励条件下的矿井水文地质条件下的背景电场；同理，通过复合调制解调器200，依次导通直井中的铠装电极链100的的智能电极101，同时测量另外两个铠装电极链100与参考电极400之间的电位差，即记录单电极激励条件下不同监测地层或深度水文地质条件下的背景电场。
55.步骤s103、根据地电场和背景电场，对矿井的矿井水害进行预测。
56.在本技术实施例中，水源通过裂隙向矿井涌出或变大时，会导致矿井地层(监测地层)的电阻率变小，在单位电压小的情况下，其电流较大，相应的地电场(强度)就比较大，铠装电极链100的智能电极101测量到的电位较高。当矿井开采产生的裂隙随时间推移逐渐变大时，水源通过裂隙向矿井涌动导致的地层(监测地层)的电阻率逐渐变小，铠装电极链100的智能电极101测量的电位则逐渐变强，在t1、t2、t3、
…
、tn(其中，n为正整数)间隔时间得到的智能电极101的电位的测量曲线形态和电位随时间的拟合函数，进而预测矿井水害的发生趋势。
57.在本技术中，铠装电极链100的多个智能电极101对多个监测地层的电位同时进行测量，能够更加准确的获取矿井的裂隙或水文地质条件的空间展布形态。由于沿监测地层的深度方向垂直布设的铠装电极链100的激励电场和一条水平铠装电极链100测量电位，可获得垂直面的地电场强度随时间的变化，通过两条铠装电极链100测量电位，可获得相互正交的垂直面的地电场强度随时间的变化，进而通过插值方法即可获得矿井的观测区域或目标区域的立体水文地质条件的地层电阻率随时间的变化。
58.在本技术实施例中，当沿监测地层的深度方向垂直布设的铠装电极链100的智能电极101全部通电时，矿井水文地质条件或裂隙在垂直方向的分辨率较低，通过如下步骤获取矿井水文地质条件或裂隙随时变的变化：
59.首先，测量垂直布设的铠装电极链100的智能电极101全部导通(通电)条件下，其
它相互正交布设的铠装电极链100的全部智能电极101的电位；然后，将垂直布设的铠装电极链100的智能电极101全部关闭，再按智能电极101在垂直方向的布设顺序(智能电极101具有唯一地址)依次导通，测量其它相互正交布设的铠装电极链100的全部智能电极101的电位。
60.响应于监测地层的智能电极101的激励电场的强度相对于其历史测量电位增强，或者，相对于其它监测地层的智能电极101的激励电场的强度变化(大于或小于预设阈值)，则该监测地层的水文地质或裂隙变化异常。据此，通过对地电场和背景电场进行比较，反演计算矿井的地下水文地质条件变化的时间、空间位置和地电场异常大小，对矿井的矿井水害进行预测。
61.在本技术实施例中，通过三个相互正交方向的铠装电极链100对监测地层的地电场进行测量，并结合参考电极400获取到监测地层的背景电场，利用建立的矿井水文地质物理模型，基于地球物理正演的方法，模拟矿井的水文地质条件变化时铠装电极链100的智能电极101测量到的激励电场(强度)以及电位的变化；同时，根据铠装电极链100的实际测量值对矿井水文地质物理模型进行修正，使矿井的水文地质物理模型的模拟值(电场强度、电位)与铠装电极链100的实际测量值相近，从而可快速的通过矿井的水文地质物理模型获取水文地质条件的变化，即采用地球物理反演计算的方法获取矿井的水文地质条件中空间随时间的动态变化。
62.在本技术实施例中，三个相互正交方向的铠装电极链100上记录的地电场与背景电场进行比较，反演计算地下水文地质条件变化产生的时间、三维空间位置和地电场异常大小，根据反演结果对矿井水文地质变化异常地层或井段进行分析，判别矿井水文地质条件异常诱发的矿井水害的潜在风险和可能性，及时提供矿井水害可能发生的预警信息。
63.在本技术实施例中，可以实时、动态、连续的监测矿井天然条件下和供电电源500激励条件下的地电场，反演分析矿井水文地质条件的变化，分析矿井水害发生的潜在风险和可能性，及时提供预警信息，提高对矿井水害的预警和防控。
64.以上所述仅为本技术的优选实施例，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。