CN101419277A - 一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的系统与方法，由固定于井下采掘地点附近巷道内或地表面的传感器、信号传输链路、数据控制中心来完成对地下采掘点的监测，传感器采集由地下采掘点爆破、岩石破裂、或工具冲击岩石发出的声波信号，附上精确的时间信息后发送到数据中心，数据中心对传感器发送来的信号进行分析，判定出各个传感器感应到声波峰值时所对应的一系列精确时间或声波峰值的值，计算出地下采掘点的三维坐标。

Description

一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的系统与方法

技术领域

本发明涉及矿井监控领域，特别是涉及一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的系统与方法。

背景技术

目前，小矿井特别是小矿井事故频繁，究其原因主要是乱采滥挖、越界开采、缺乏有效监督、在顶板事故的预防方面没有最基本的监测手段所造成的。但现在对矿山地下采掘点定位一般采用光学测量的方法，欲确定地下采掘点的位置必须由专业测量人员到井下用经纬仪进行导线测量。这虽然对于需要精确测量的场合是必须的，但是在某些需要随时或者快速掌握井下采掘工作面的大致位置而不需要很精确定位的情况下，光学测量就太烦琐了，有时是根本没法达到的。顶板监测方面也是如此，工人只是简单地通过经验来判断顶板情况，而对于顶板的来压无法预知，更没有一个量化的标准。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是设计和发明一种无需专业测量人员进行烦琐复杂的测量工作或无需工人掌握操作复杂的仪器的情况下，上级领导和现场工人也可以快速掌握井下采掘点的位置、顶板情况，甚至可以检测和预报采掘点顶板下沉的系统与方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种利用声波对地下采掘点进行监测的方法，由固定于井下采掘地点附近巷道内或地表面的传感器、信号传输链路、数据控制中心来完成对地下采掘点的监测，包括以下步骤：

(a)将至少三个用于检测声波的传感器固定于欲探测采掘点附近的巷道内或地表面；

(b)利用传统方法分别测量出各个传感器的精确三维坐标位置；

(c)各个传感器内的计时器保持精确同步；

(d)上述传感器分别将接收到的由地下采掘点爆破、岩石破裂、或工具冲击岩石发出的声波信号附上精确的时间信息后发送到数据控制中心；

(e)数据控制中心对传感器发送来的信号进行分析并综合处理，计算出地下采掘点的位置或顶板断裂点的位置。

本发明同时提供了一种利用声波对地下采掘点进行监测的系统，包括固定于井下采掘地点附近巷道内或大地表面用于检测声波的传感器、信号传输链路、数据控制中心，其特征是：所述的传感器为集成了声波检波器、中央处理器、电源、信号传输模块的嵌入式系统。

如上所述的电源由光电池与蓄电池组成。

如上所述的信号传输模块为无线信号传输模块。

如上所述的声波检波器为三轴振动传感器。

附图说明

图1是本发明一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的系统示意图。图中：(101)——(106)传感器；(107)--监控主机(108)--无线收发器；(109)--地下采掘点。

图2是本发明一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的传感器的电气原理图。图中：(201)--单片机；(202)--数据存储器；(203)--无线通讯模块；(204)--天线；(205)--检波器；(206)--程序储存器；(207)--太阳能电池；(208)--蓄电池；(209)--运算放大器；(210)--带通滤波器。

具体实施方式

结合附图，本发明的一个较佳实施例将予以详细描述如下。然而，除了详细的描述之外，本发明还可以广泛地在其它实施例施行，且本发明的范围不受其限定，而以权利要求所限定的专利范围为准。

另外，不相关的细节部分也未完全绘出，以求图示的简洁。

在图1中，传感器(101)-(106)分别布置于欲检测地下采掘点(109)附近不同地点的预先打好的钻孔内，然后利用传统测量法对各传感器的三维坐标进行精确测量。正常工作时，各传感器将所检测到的声波以数字信号的方式通过无线收发器(108)传输到监控主机(107)。

在图2中，传感器的全部电路由单片机(201)控制，其型号可选32位ARM9系列高性能单片机s3c2410；单片机(201)上还扩展了外部程序储存器(206)与外部数据储存器(202)。检波器(205)埋设于距离地表一定的深度处(为了使得各检波器接收到的声波平均波速达到最小的离散度，各检波器应位于一个平面上，且该平面与地层平行)，声波信号经40^-80Hz(爆破震动产生的声波频率所处范围)的带通滤波器(210)进入运算放大器(209)，以模拟量的形式传送到中央处理器(201)的A/D转换接口上。模拟声波信号转换为数字信号后，结合当前时间对上述数字信号重新编码，通过s3c2410的USB(通用串行总线)接口发送出去。射频收发模块可选CC2400，并通过布置于地面的天线(204)进行收发。电源由蓄电池(208)与布置于地面的光电池(207)供给，白天蓄电池和光电池共同供电，光线较好时光电池亦可对蓄电池进行充电，夜晚由蓄电池单独供电。

当地下采掘点发生大的震动(比如爆破)时，由于各传感器所处的三维坐标都不相同，所以声波将在不同的时间到达各个传感器，又由于P波(纵波)波速大于S波(横波)，所以传感器首先检测到的是P波，而S波将不予考虑。设起爆时间为T₀、声波的峰值到达传感器(101)-(106)的时间分别为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆，声波在地层中传播的平均速度为V，地下采掘点的三维坐标为(x₀，y₀，z₀)，传感器(101)-(106)的三维坐标分别为(x₁，y₁，z₁)，(x₂，y₂，z₂)……(x₆，y₆，z₆)，则对于传感器(101)-(105)，有如下五元二次方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{(x_1-x_0)}^2+{(y_1-y_0)}^2+{(z_1-z_0)}^2={\left[(T_1-T_0)V\right]}^2\\ {(x_2-x_0)}^2+{(y_2-y_0)}^2+{(z_2-z_0)}^2={\left[(T_2-T_0)V\right]}^2\\ {(x_3-x_0)}^2+{(y_3-y_0)}^2+{(z_3-z_0)}^2={\left[(T_3-T_0)V\right]}^2\\ {(x_4-x_0)}^2+{(y_4-y_0)}^2+{(z_4-z_0)}^2={\left[(T_4-T_0)\right]}^2\\ {(x_5-x_0)}^2+{(y_5-y_0)}^2+{(z_5-z_0)}^2={\left[(T_5-T_0)V\right]}^2\end{array}\right.$

在上面的方程组中，x₀，y₀，z₀，T₀，v为未知数，而其余为已知数，解此方程组(由于此过程为一纯数学问题，故此处略去具体细节)即可得到地下采掘点的坐标(x₀，y₀，z₀)。

上述过程只取6个传感器中的其中5个测量结果进行了计算，得出一个地下采掘点的坐标值，如果对6个传感器中的所有5个测量结果的组合进行计算，可以有6种组合，得出6个计算结果。取这6个计算结果所对应的坐标点的重心，可得到更为精确的(x₀，y₀，z₀)的值。

所有传感器的计时器通过信号传输链路保持同步。

作为一种辅助测量手段，本实施例还可以通过声波的振幅与震源到传感器之间距离的某次方成反比这一关系对前面的坐标计算结果进行验证。设震源的最大振幅为A₀、到达传感器(101)-(106)后衰减为A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆，则有如下方程组：

其中：k、a为与声波在地层中传播衰减有关的常数，可预先通过实地试验得到。

在上式中，由于只有四个未知数，故一个四元方程组即可得出震源三维坐标的值。对6个传感器中的其中4个测量结果进行组合并计算，可以有15种组合，得出15个计算结果。取这15个计算结果所对应的坐标点的重心，可得到较为精确的(x₀，y₀，z₀)的值，亦可作为确定震源位置的参考坐标值。

对波源位置的确定还可以用如下方法：用三轴振动传感器作为检波器，则每个传感器可同时检测到该检测点的P波在x，y，z三个轴方向的分量，设传感器(101)处P波所对应的矢量为

在x，y，z三个轴方向的分量分别为

则 ${\stackrel{\→}{P}}_1={\stackrel{\→}{P}}_{1x}+{\stackrel{\→}{P}}_{1y}+{\stackrel{\→}{P}}_{1z}$ ，据此可确定

的方向。同样也可以确定的方向。这些矢量交点即为震源的位置。

如果由人工在井下巷道中用重锤或其它工具在井下巷道中人为产生震动，则可以在无需其它测量仪器的情况下确定井下任意地点的三维坐标。

在传感器以及控制中心的计算机内均安装了为完成上述过程而专门设计的软件，属于软件编程领域，且为现有技术，在此不一一赘述。

上述系统也可以用于监测采掘工作面顶板情况(将带通滤波器201的频率范围调整到顶板断裂声的频率范围内)。当顶板即将冒落时，将不断产生断裂并发出断裂声，随着顶板冒落的邻近，断裂声将越来越频繁。利用本系统可以检测断裂发生的位置以及断裂的频繁程度，预测顶板即将冒落的位置与时间。

作为本发明的另一个实施例，在对煤矿进行监测时，由于煤层一般呈变化较为平缓的曲面状分布，可以将煤层作为一空间平面看待，又由于同一煤层其密度相同，故声波的传播速度也是可以测量并基本保持恒定的。如果将传感器固定在掘进于煤层的巷道中，只需3个传感器就可以对采掘点进行定位，其它方法与前一个实施例相同。

本发明通过简单的监测系统实现了对矿山地下采掘点的全自动全天候的动态监测，是矿山安全管理的有力助手。

Claims (9)

1.一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的方法，由固定于井下采掘地点附近巷道内或大地表面用于检测声波的传感器、信号传输链路、数据控制中心来完成地下采掘点的定位，其特征在于包括以下步骤：

(a)将数个用于检测声波的传感器固定于欲探测采掘点附近的巷道内或地表面；

(b)利用传统方法分别测量出各个传感器的精确三维坐标位置；

(c)各个传感器内的计时器保持精确同步；

(d)上述传感器分别将接收到的由地下采掘点爆破、岩石破裂、或工具冲击岩石发出的声波信号附上精确的时间信息后发送到数据控制中心；

(e)数据控制中心对传感器发送来的信号进行分析并综合处理，计算出地下采掘点的位置或顶板断裂点的位置。

2.如权利要求1所述的一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的方法，其特征在于，在步骤(e)中，数据中心对传感器发送来的信号进行分析，判定出各个传感器感应到声波峰值时所对应的一系列精确时间，根据波源到传感器的距离等于声波传播时间与平均波速的乘积这一关系列出一方程组，最后计算出地下采掘点的三维坐标。

3.如权利要求1所述的一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的方法，其特征在于，在步骤(e)中，数据中心对传感器发送来的信号进行分析，判定出各个传感器感应到的声波峰值的值，再根据传感器处振幅与震源到传感器之间距离的某次方成反比的关系亦可列出一方程组，最后计算出地下采掘点的三维坐标。

4.如权利要求1所述的一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的方法，其特征在于，在步骤(e)中，数据中心对传感器发送来的信号进行分析，判定出各个传感器感应到的声波峰值在空间三维坐标轴方向的分量，则三个分量的矢量和即为该传感器接收到的声波的矢量，由于该矢量的方向指向波源，则各个传感器声波矢量的交点即为声源的位置。

5.如权利要求1所述的一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的方法，其特征在于，在步骤(d)中，传感器将模拟信号转换为数字信号，然后发送到控制中心。

6.一种利用声波对矿山地下采掘点定位的系统，包括固定于井下采掘地点附近巷道内或大地表面用于检测声波的传感器、信号传输链路、数据控制中心，其特征在于：所述的传感器为集成了声波检波器、中央处理器、电源、信号传输模块的嵌入式系统。

7.如权利要求6所述的一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的系统，其特征在于：所述的电源由光电池与蓄电池组成。

8.如权利要求6所述的一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的系统，其特征在于：所述的信号传输模块为无线信号传输模块。

9.如权利要求6所述的一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的系统，其特征在于：所述的声波检波器为三轴振动传感器。

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