CN101762830B - 分布式煤矿冲击地压监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种分布式煤矿冲击地压监测方法，属于地压监测方法。利用煤矿综合自动化系统中己有的工业以太网进行信息传输，在网络上接入具有以太网接口的网络传感器，同时进行电磁辐射、声发射、微震等多种反映冲击地压的信号的测量，测量信号经过工业以太网传输到冲击地压监测用主机，主机进行分析处理、对震源进行定位，实现冲击地压监测；网络传感器主芯片为具有以太网控制器的单片机，使用3个通道模数转换实现电磁辐射、声发射和微震三种信号的测量；每个传感器有各自的IP地址；该方法对各种信号进行基本特征提取，事件相关性分析，不同信息的数据融合和事件总体特性提取，震源定位，给出冲击地压事件的分析结果。
Description
技术领域
本发明涉及一种地压监测系统，特别是一种分布式煤矿冲击地压监测方法。
背景技术
冲击地压是采矿诱发的矿井地震，冲击地压又称岩爆，是指井巷或工作面周围岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。它具有很大的破坏性，是煤矿重大灾害之一。
能实现在线实时监测冲击地压的方法主要有电磁辐射方法、声发射法(地音法)、微震法等，对应各种各样的监测方法，也有相应的不同的冲击地压监测系统。
电磁辐射法是针对冲击地压监测过程中产生的电磁辐射信号进行监测、分析及预警，系统具有数据存储、实时显示、历史数据查询、数据趋势分析、统计分析、预警和报表等功能，采用临界值法和动态趋势法预警，实现了对冲击地压的实时监测和预警。
声发射法，是利用岩石破碎时具有声发射现象来进行冲击矿压的监测与预报的。岩石在压力作用下发生变形和开裂破坏过程中，必然以脉冲形式释放弹性能，产生应力波或声发射现象，这种声发射亦称为地音。测试时，将探头置入测试孔或岩缝中，探头将感受到的微弱声能转换为电能，经放大器放大和程控带通滤波器滤波后供A/D转换，并将转换得到的数据存入高速缓冲区内，同时进行数字滤波、快速傅立叶变换、波形识别，并立即判断出此信号是否是有用的声发射信号，是则记录此次事件(包括事件的主频、最大能量、事件发生的时刻)，并将波形存入RAM盘，以便进一步分析和进行数据处理。
微震法是利用矿山开采使岩层产生应力应变过程的震动现象，采矿微震主要是记录矿山震动，并分析和利用这些信息，对矿山动力危险进行预测和预报。例如SeismologicalObservation System，该系统是从波兰引进的，主要用于矿山震动监测。一台DLM-SO信号采集站由16个“OS”微震信号采集器组成，每个采集器与一个DLM2001型检波测量探头相连，1套采集站能够控制16个DLM2001型检波测量探头。
基于上述方法的冲击地压监测系统已有应用，但主要存在如下问题：
1)它们都是从某个单一方面来监测冲击地压，然而矿山的冲击地压成因复杂，产生的信号是比较丰富的。
2)目前这些冲击地压监测系统均为集中监测式系统，只能对4路，8路或者16路通道进行检测，监测通道数有限，不能根据现场需要任意扩展测量通道，使用受到局限，随着煤矿开采，现场发生变化时，系统布置需要跟着变化，不方便使用。
3)系统均需要布置自己的专用电缆或通信网络，又称作信息孤岛，用电缆总线将测试仪器相互连接。当需要改变时，整个系统要重新布置，使用也不方便。
发明内容
本发明的目的是要提供一种无需重新布置通信网且系统通道数几乎不受限制的分布式煤矿冲击地压监测方法。
本发明的目的是这样实现的：该煤矿冲击地压监测有主机、传输电缆、网络传感器，将网络传感器布置、安装在煤矿井下监测点，并通过传输电缆连接到主机，由网络传感器采集电磁信号、声发射信号和微震信号，传感器中的电路对电磁信号、声发射信号和微震信号进行放大、滤波处理，数字化后转换成以太网数据格式，由煤矿工业以太网传输到地面主机，主机对煤矿井下监测所接收到电磁信号、声发射信号和微震信号进行计算、分析和震源的定位。
所述的传输电缆为煤矿已有的井上和井下工业以太网，以工业以太网为平台作为传输网络；所述的主机为普通计算机。
所述的网络传感器为具有以太网接口的网络传感器，网络传感器有电磁辐射传感器、声发射传感器和微震传感器，每一个网络传感器在网络中均有独立的IP地址；在的井下监测点安装多个传感器，将网络传感器直接就近通过网络电缆接入到工业以太网交换机。
所述的电磁信号、声发射信号和微震信号，电磁信号、声发射信号和微震信号送入主机中，主机对通过以太网采集来的电磁信号、声发射信号和微震信号进行信息融合和冲击地压趋势分析，先对电磁信号、声发射信号和微震信号分别代表的事件进行基本特征提取；所述的特征包括各种事件的频数、频率、发生时间、包络特征、大事件计数、小事件计数；然后进行事件相关性分析，即确定所分析的信号的确是同一个事件的信号；然后对本次冲击地压事件的电磁信号、声发射信号和微震信号进行数据融合和事件总体特性提取，通过每一个检测点采集来的电磁信号、声发射信号和微震信号进行震源定位，对事件的强度、发生频次、总体包络上升速率、各种频率成份在地层及岩层中传播的规律、衰减特性等进行分析，输出分析结果。
该监测方法中使用的专用网络传感器包括：传感器头、信号放大器、单片机和脉冲变压器(CT)，传感器头为电磁传感器头、声发射传感器头或微震传感器头；脉冲变压器初级与以太网接口(RJ45)连接，脉冲变压器的次级与单片机连接，电磁传感器头通过信号放大器与单片机输入端连接，构成网络电磁传感器；声发射传感器头通过信号放大器与单片机输入端连接，构成网络声发射传感器；微震传感器头通过信号放大器与单片机输入端连接，构成网络微震传感器。
有益效果，由于采用了上述方案，
1)本发明综合考虑目前常用的几种监测方法，从系统上实现了多种监测手段的信息融合，对冲击地压的成因及其发展趋势说明更为充分。
2)本发明利用煤矿已有的遍布煤矿井上、下的工业以太网作为传输网络，实现网络布置到什么地方，测量点就连接到什么地方，无需布置专用网络，只需要就近连接交换机与传感器，实现分布式测量，实现方法灵活。
3)本发明解决了传统冲击地压监测系统通道数有限，传感器数目有限的问题，为多种传感器同时测量提供可能，使得冲击地压监测系统的通道数几乎不受限制。
4)充分利用煤矿现有工业以太网的功能，冲击地压传感器配置以太网接口，实现网络化传感器，实现网络就是测量仪器的理念。实现各种传感器就地接入煤矿工业以太网，监测主机从工业以太网中根据IP地址取数据，实现分布式测量。改变目前冲击地压监测中传感器需通过专用电缆直接接入测量仪器的方式。方便测量和移动。
5)多种信息进行信息融合和冲击地压趋势分析，解决现有冲击地压监测系统中大量有用信息丢失的问题。
无需重新布置通信网且系统通道数几乎不受限制，达到了本发明的目的。
优点：利用煤矿已有的工业以太网传输通道，无需另布通信网络，采用多种传感器，同时进行多种信号的测量，传感器均配有以太网口，可在测量点附近直接接入工业以太网，传感器可任意增加，因此，系统通道数几乎不受限制。监测主机从工业以太网中根据IP地址取数据，通过软件进行信息融合和冲击地压趋势分析。
附图说明
图1为本发明分布式冲击地压监测系统构成图。
图2为本发明的具有以太网口的冲击地压监测传感器结构图。
图3为本发明的冲击地压方法分析流程图。
具体实施方式
实施例1：该煤矿冲击地压监测有主机、传输电缆、网络传感器，将网络传感器布置、安装在煤矿井下监测点，并通过传输电缆连接到主机，由网络传感器采集电磁信号、声发射信号和微震信号，传感器中的电路对电磁信号、声发射信号和微震信号进行放大、滤波处理，数字化后转换成以太网数据格式，由煤矿工业以太网传输到地面主机，主机对煤矿井下监测所接收到电磁信号、声发射信号和微震信号进行计算、分析和震源的定位。
所述的传输电缆为煤矿已有的井上和井下工业以太网，以工业以太网为平台作为传输网络；所述的主机为普通计算机。
所述的网络传感器为具有以太网接口的网络传感器，网络传感器有电磁辐射传感器、声发射传感器和微震传感器，每一个网络传感器在网络中均有独立的IP地址；在井下监测点安装多个网络传感器，将网络传感器直接就近通过网络电缆接入到工业以太网交换机。
所述的电磁信号、声发射信号和微震信号，电磁信号、声发射信号和微震信号送入主机中，主机对通过以太网采集来的电磁信号、声发射信号和微震信号进行信息融合和冲击地压趋势分析，先对电磁信号、声发射信号和微震信号分别代表的事件进行基本特征提取；所述的特征包括各种事件的频数、频率、发生时间、包络特征、大事件计数、小事件计数；然后进行事件相关性分析，即确定所分析的信号的确是同一个事件的信号；然后对本次冲击地压事件的电磁信号、声发射信号和微震信号进行数据融合和事件总体特性提取，通过每一个检测点采集来的电磁信号、声发射信号和微震信号进行震源定位，对事件的强度、发生频次、总体包络上升速率、各种频率成份在地层及岩层中传播的规律、衰减特性等进行分析，输出分析结果。
该监测方法中使用的专用网络传感器包括：传感器头、信号放大器、单片机和脉冲变压器CT，传感器头为电磁传感器头、声发射传感器头或微震传感器头；脉冲变压器初级与以太网接口RJ45连接，脉冲变压器的次级与单片机连接，电磁传感器头通过信号放大器与单片机输入端连接，构成网络电磁传感器；声发射传感器头通过信号放大器与单片机输入端连接，构成网络声发射传感器；微震传感器头通过信号放大器与单片机输入端连接，构成网络微震传感器。
在图1中，细线部分为工业以太网、通用数据服务器和交换机，这些是煤矿综合自动化系统中已有的设备。本发明“分布式煤矿冲击地压监测系统”架构在这种网络上，系统由冲击地压监测主机、安装在主机中的软件、网络化传感器三部分组成，(图中粗线部分)。通过工业以太网传输平台，构成完整的冲击地压监测系统。
在网络上接入具有以太网接口的网络化传感器，传感器是直接就近接入到工业以太网交换机，在不同的监测点采用多种传感器，同时进行电磁辐射、声发射、微震等多种信号的测量，测量信号经过工业以太网传输到冲击地压监测用主机，主机中的软件对信号进行进一步分析处理、对震源进行定位，实现冲击地压监测。由于各煤矿工业以太网的布置不同，因此，具体实现过程中交换机的数目、工业以太网的传输速率可能不同，如工业以太网可能是100M速率，也可能是1000M速率，数据服务器可能是一个，也可能是多个，但这不影响图1所示系统的总体结构。
在图2中，网络化传感器由具有以太网控制器的单片机PIC18F97J60系列芯片为主构成，在该系列中的PIC18F66J60芯片为例，该单片机具有64K闪存程序存储器，39脚I/O口，10Base-T以太网通信。支持IEEE 802.3(TM)兼容的以太网控制器，支持10Base-T端口，集成了MAC接入层和10Base-T物理层，专用的8KB发送/接收数据包缓冲器SRAM等，并且具有普通单片机的功能，具有11通道的10位模数转换器模块(A/D)和自动采样功能(在实施中只用其中3通道数模转换)。这些功能为开发基于以太网的智能传感器提供了方便。
冲击地压传感器有三种不同的传感器头及其相应的放大电路组成，分别用于监测电磁辐射、声发射和微震信号，传感器头均是外购器件。传感头检拾到的信号经相应的放大器进行不同频率的放大，后送到PIC18F66J60的模拟输入端AN0～AN2进行实时数据采集，变成数字信号，存在单片内存中。并通过以太网口TPOUT和TPIN实时传送到工业太网中。每个传感器有各自的IP地址，用以区分不同地点的传感器。冲击地压的诸信号频率基本在50kHz以内，根据PIC单片机采样频率计算公式，Fad＝25000000hz晶体/(_ADCS+1)/(_SAMC+1)＝25000000/(4+1)/(19+1)＝250kHz，采样频率最高可达250kHz。满足50kHz以内冲击地压信号动态采样的要求。工业以太网通过标准的RJ45接口连接到1:1的脉冲变压器CT，再连接到PIC单片机的TPOUT+、TPOUT-、TPIN+、TPIN-四个端口，实现以太网传输。LEDA和LEDB用于指示以太网通信状态。
传感器还提供8个本地数字量输入RB0...RB7和8个数字量输出RC0...RC7。一块备用的液晶显示屏接在PIC单片机的RF0...RF7口上，主要用作传感器的现场调试。
图3是监测主机中冲击地压分析主要功能流程图。三种信号从网络上接收来，每个传感器来的信号及地址由其IP地址来区分，同一传感器的信号类型通过数据中的标志位来区分。由于各种事件信号的特殊性，先对各种信号所代表的事件进行基本特征分析。最基本特征有频率，一般认为微震信号的频率在60Hz以下，比较适合在地层中远距离传播；声发射信号在60Hz～5kHz之间，比较适合中距离传播；5kHz以上为电磁辐射信号，传播距离较近，因此事件基本特征处理中首先对各类信号进行滤波处理。事件基本特征分析还包括各种事件的频数、发生时间、包络特征、大事件计数、小事件计数等。
三种信号从网络上接收来，每个传感器来的信号及地址由IP地址来区分，同一传感器的信号类型通不数据中的标志位来区分。由于各种事件信号的特殊性，先对各种信号所代表的事件进行基本特征提取，包括各种事件的频数、频率、发生时间、包络特征、大事件计数、小事件计数等。对特征提取后的信号进行事件相关性分析，同一次冲击地压事件，尽管表现为电磁、声发射、微震等形式，但它们在发生时间、持续时间、包络格式、频数、信号变化规律等方面有许多相关性。进行事件相关性分析后是为了确保后面过程所分析的确是同一个事件的信号。然后对本次冲击地压事件的不同信息之间进行数据融合和事件总体特性提取，通过各点来的信息进行震源定位，对事件的强度、发生频次、包络上升速率、各种频率成份在地层及岩层中传播的规律、衰减特性等进行分析。并与历史数据库中的信息进行纵向比较和模式分析对比，给出分析结果。
Claims (2)
1.一种分布式煤矿冲击地压监测方法，其特征是：该煤矿冲击地压监测包括有主机、传输电缆、网络传感器，将网络传感器布置、安装在煤矿井下监测点，并通过传输电缆连接到主机，由网络传感器采集电磁信号、声发射信号和微震信号，网络传感器中的电路对电磁信号、声发射信号和微震信号进行放大、滤波处理，数字化后转换成以太网数据格式，由煤矿工业以太网传输到地面主机，主机对煤矿井下监测所接收到电磁信号、声发射信号和微震信号进行计算、分析和震源的定位；
所述的传输电缆为煤矿己有的井上和井下工业以太网，以工业以太网为平台作为传输网络；所述的主机为普通计算机；
所述的网络传感器为具有以太网接口的网络传感器，网络传感器有电磁辐射传感器、声发射传感器和微震传感器，每一个网络传感器在网络中均有独立的IP地址；在井下监测点安装多个网络传感器，将网络传感器直接就近通过网络电缆接入到工业以太网交换机；
所述的电磁信号、声发射信号和微震信号送入主机中，主机对通过以太网采集来的电磁信号、声发射信号和微震信号进行信息融合和冲击地压趋势分析，先对电磁信号、声发射信号和微震信号分别代表的事件进行基本特征提取；所述的特征包括各种事件的频数、频率、发生时间、包络特征、大事件计数、小事件计数；然后进行事件相关性分析，即确定所分析的信号的确是同一个事件的信号；然后对本次冲击地压事件的电磁信号、声发射信号和微震信号进行数据融合和事件总体特性提取，通过每一个检测点采集来的电磁信号、声发射信号和微震信号进行震源定位，对事件的强度、发生频次、总体包络上升速率、各种频率成份在地层及岩层中传播的规律、衰减特性进行分析，输出分析结果。
2.一种实现权利要求1所述的分布式煤矿冲击地压监测方法的网络传感器，其特征是：该监测方法中使用的网络传感器包括：传感器头、信号放大器、单片机和脉冲变压器，传感器头为电磁传感器头、声发射传感器头或微震传感器头；脉冲变压器初级与以太网接口连接，脉冲变压器的次级与单片机连接，电磁传感器头通过信号放大器与单片机输入端连接，构成网络电磁传感器；声发射传感器头通过信号放大器与单片机输入端连接，构成网络声发射传感器；微震传感器头通过信号放大器与单片机输入端连接，构成网络微震传感器。
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