CN104295316A - 一种地音监测方法与预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地音监测方法，所述方法包括1）在煤井下部的采煤面设置若干地音传感器与低音逆变器；2）在煤井下部设置监测分站，分别并与地音逆变器通讯连接；3）在煤井上部设置工控机，将工控机与所述地音逆变器通信连接；3）工控机设置有数据库，用于存储用户密码并设置有用操作指令池；4）将操作指令码与数据包传输至所述监测分站；5)根据所述操作码重新配置数据包的信息形成新的数据包；6）分析数据包内的事件信息，存入新的事件信息后，继续处于等待状态。有益效果为：通过在矿层中安装探测器，对地音进行监听，同时在控制端进行监控预警，以此达到对危险事故的监控和预警，实现采矿安全生产。

Description

一 种地音监测方法与预警系统

技术领域

本发明涉及地音监测与预警，尤其涉及一种地音监测方法与预警系统。

背景技术

煤炭是我国的基础能源，也是国家能源安全的基石,是关系国家经济命脉的重要基础产业，《国务院关于促进煤炭工业健康发展的若干意见》中进一步强调了煤炭工业在国民经济中的重要战略地位，而煤炭工业的可持续发展必须以保障煤矿安全生产为前提。同时我国煤矿地质条件复杂，是世界上灾害严重、事故多的国家,煤矿严峻的安全生产形势造成了大量人员伤亡、重大财产损失和严重的社会影响，也引起了国际社会的广泛关注。

冲击地压是威胁煤矿安全生产的严重灾害之一。随着我国煤矿开采深度的增加，冲击地压灾害防治工作愈显突出。大量科学研究表明，地音是冲击地压发生的前兆，利用地音现象与煤岩体受力状态的关系，可以监测到局部范围内未来几天可能发生的动力现象。随着计算机应用技术的发展，基于嵌入式技术的地音监测系统可以对煤岩体破裂过程中高频信号进行监测，对冲击地压的初步形成有良好的监测作用。地音事件发生点的准确定位也需要完善的监测拓扑结构和采用合适的预警算法。国内自主研发生产的高性能地音监测系统很少，主要依靠花费昂贵的代价从发达国家引进。

发明内容

本发明目的在于克服以上现有技术之不足，提供一种地音监测方法与预警系统，具体有以下技术方案实现：

所述地音监测方法，包括

1）在煤井下部的采煤面设置若干地音传感器与低音逆变器，低音逆变器将地音传感器采集的地质模拟信息转换成信号数据包输出；

2）在煤井下部设置监测分站，分别并与地音逆变器通讯连接，用于对实时事件的数据进行计算；

3）在煤井上部设置工控机，将工控机与所述地音逆变器通信连接，用于接收地音逆变器所发出的信号数据包；

3）工控机设置有数据库，用于存储用户密码并设置有用操作指令池；

4）工控机始终处于待机状态，当接收到地音逆变器发出的信号数据包时，根据用户键入的操作指令，于操作指令池匹配对应的操作指令码，再将所述操作指令码与数据包传输至所述监测分站；

5)监测分站接收到操作指令码与数据包后 ，根据所述操作码重新配置数据包的信息形成新的数据包；

6）监测分站处于等待状态，当监测分站接收到信号数据包后，分析数据包内的事件信息，存入新的事件信息后，继续处于等待状态。

所述地音监测方法的进一步设计在于，所述煤井上部设置有监测中继站，将工控机通过局域网与监测中继站通信连接形成通信网络。

所述地音监测方法的进一步设计在于，所述检测中继站通过矿井以太网与监测分站通信连接。

所述地音监测方法的进一步设计在于，所述检测中继站配置有GPS与一个用于标记地音活动的时间信息毫秒级时钟，检测中继站与检测分站的通讯过程包括：首先检测中继站由GPS定时，然后往检测分站发送一个时间同步信号，检测分站再同步与之通信连接的所有地音变送器。

所述地音监测方法的进一步设计在于，所述监测分站包括：

上行通道，接收和缓存地音变送器传送来的地音事件，将数据传输协议转换为网络协议；

下行通道，传送检测主机发送给各地音变送器的命令。

如所述地音监测方法，提供一种预警系统，包括

地音传感器：安装于采掘层侧面约2米深度

地音变送器：用于实时地将将岩体破裂过程中发出的声音频率转化为电信号并对电信号进行放大、过滤并传输到地面中心站；

卫星接收器：接收卫星信号，用于多个地音变送器对时基准，达到时间同步的效果；

冲击地压危险预警装置：对实时事件的数据进行计算，得出事件的频带宽度、中心频率、能量等，并根据历史地音数据采用特殊的预测算法得出未来时段的冲击地压危险等级。

所述预警系统的进一步设计在于，所述地音变送器包括一个32.768KHz的晶振电路、内部设有一个RTC专用的预分频器的处理器、信号放大电路、数模转换电路、片上FLASH、RAM以及输出接口，所述32.768KHz的晶振电路、信号放大电路、数模转换电路、片上FLASH、RAM以及输出接口分别与处理器通信连接。

所述预警系统的进一步设计在于，所述处理器采用LM3S9B96芯片。

所述预警系统的进一步设计在于，所述信号放大电路采用OPA1632放大器，数模转换电路采用ADS1271数模转换器，所述OPA1632放大器与ADS1271数模转换器通过SPI接口与LM3S9B96芯片连接

所述预警系统的进一步设计在于，所述地音传感器安装在锚杆顶端，所述锚杆按50米间隔打入采煤面两侧。

本发明的优点如下：

本发明提供的方法通过在矿层中安装探测器，对地音进行监听，同时在控制端进行监控预警，以此达到对危险事故的监控和预警，实现采矿安全生产。

对应于该方法的系统中，地音变送器具有较高的高可靠性：终端电源及主板采用专用器件和方法提高可靠性，保证整个终端连续无故障运行时间超过5万小时；通用性强：终端能适应音频和微震传感器；数据输出接口丰富：支持从较低速率的CAN BUS到百兆光纤接口以及Wifi无线连接；数据采样率高：数据采样率达到10万次/秒；数据无损压缩传输：一方面少占用通讯带宽，另一方面保证提供给井上数据分析中心得到的源数据真实可靠。

附图说明

图1是信号放大器原理图。

图2是数模转换电路原理图。

图3是地音监测与冲击地压预警系统原理框图。

图4是检测主机上位机系统中用户功能用例图。

图5是检测主机软件活动图。

图6是中继器软件活动图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方案进行详细说明。

本实施例提供的地音监测方法，参见图5、图6，包括如下步骤：

1）在煤井下部的采煤面设置地音传感器与低音逆变器，低音逆变器将地音传感器采集的地质模拟信息转换成信号数据包输出。

2）在煤井下部设置监测分站，分别并与地音逆变器通讯连接，用于对实时事件的数据进行计算。

3）在煤井上部设置工控机，将工控机与地音逆变器通信连接，用于接收地音逆变器所发出的信号数据包。

3）工控机设置有数据库，用于存储用户密码并设置有用操作指令池。

4）工控机始终处于待机状态，当接收到地音逆变器发出的信号数据包时，根据用户键入的操作指令，于操作指令池匹配对应的操作指令码，再将操作指令码与数据包传输至监测分站。

5)监测分站接收到操作指令码与数据包后，根据操作码重新配置数据包的信息形成新的数据包。

6）监测分站处于等待状态，当监测分站接收到信号数据包后，分析数据包内的事件信息，存入新的事件信息后，继续处于等待状态。

进一步地，煤井上部设置有监测中继站，将工控机通过局域网与监测中继站通信连接形成通信网络。

检测中继站通过矿井以太网与监测分站通信连接。检测中继站配置有GPS与一个用于标记地音活动的时间信息毫秒级时钟。检测中继站与检测分站的通讯过程具体如下：首先检测中继站由GPS定时，然后往检测分站发送一个时间同步信号，检测分站再同步与之通信连接的所有地音变送器。

本实施例中，监测分站包括：

上行通道，接收和缓存地音变送器传送来的地音事件，将数据传输协议转换为网络协议；

下行通道，传送检测主机发送给各地音变送器的命令。

本实施例根据上述地音监测方法，提供一种预警系统，参见图3、图4，主要由地音传感器、地音变送器、卫星接收器以及冲击地压危险预警装置组成。地音传感器：安装于采掘层侧面约2米深度，用于采集地音信号。地音变送器：用于实时地将将岩体破裂过程中发出的声音频率转化为电信号并对电信号进行放大、过滤并传输到地面中心站。卫星接收器：接收卫星信号，用于多个地音变送器对时基准，达到时间同步的效果。冲击地压危险预警装置：对实时事件的数据进行计算，得出事件的频带宽度、中心频率、能量等，并根据历史地音数据采用特殊的预测算法得出未来时段的冲击地压危险等级。

该系统主要用于监测采掘工作面煤岩体内发生的能量小于1000J、频率为28~1500Hz的地音事件，主要由地音传感器、地音变送器、检测分站、矿用交换机、光环网及地面检测主机等组成。系统软件采用科学的统计方法，分析单位时间内监测区域发生的地音事件数量及释放的能量，评价当前监测区域的冲击危险等级，同时预测该区域下一时间段的冲击危险等级，系统还可对监测区域内的重要地音事件进行定位，统计地音事件发生规律。

其中，地音变送器主要由一个32.768KHz的晶振电路、内部设有一个RTC专用的预分频器的处理器、信号放大电路、数模转换电路、片上FLASH、RAM以及输出接口组成。32.768KHz的晶振电路、信号放大电路、数模转换电路、片上FLASH、RAM以及输出接口分别与处理器通信连接。

进一步地，地音变送器处理器系统选用TI的M3控制器，LM3S9B96，该嵌入式处理器具有片上组合的 10/100 以太网 MAC/PHY、USB OTG/主机/器件以及控制器局域网 (CAN)等丰富的外设资源，软件除可以使用TI自带的 StellarisWare® 库以外，还方便移植UCOS等系统。片上FLASH达到256K，RAM 达到96K，可以外扩SDRAM。 CPU工作频率80MHz,100DMIPS性能。系统硬件原理图如图4。信号放大电路采用OPA1632放大器，数模转换电路采用ADS1271数模转换器，OPA1632放大器与ADS1271数模转换器通过SPI接口与LM3S9B96芯片连接。

本发明采用单轴动圈式地音传感器,，其灵敏度高（600mV/ips），固有频率28Hz，线圈电阻1500欧，正常工作温度范围-45度到100度。工作频率曲线范围从28Hz到1500Hz，覆盖了冲击地压所产生的音频范围。该传感器收集的实时地音信号进入地音变送器，地音信号的放大，和低通滤波，选用OPA1632放大器与ADS1271数模转换器进行配合使用，参见图1、图2。差分信号放大和滤波如图2。数模转换选用ADS1271，它是一款高宽带的24位工业用(ADC)，它拥有50KHZ的宽带，105KSPS的转换速度。输出信号可以选择SPI的方式与为控制器接口，电路原理图如图3。

通常将地音传感器安装在锚杆顶端，并将安装有传感器的锚杆按50米间隔打入采煤面两侧。地音活动信息精确定位通常需要各地音传感器间的时间差精确到毫秒级，本发明设计了一个毫秒级时钟，标记地音活动的时间信息。

参见图4，显示的是检测主机软件系统中用户使用的功能，本地管理员与远程管理员的区别在于，远程管理员要多用到一个远程登录的功能才能成功登录到上位机的系统中使用系统的功能。

参见图5，可以看出,在管理员进行身份验证之后，可以进入系统进行操作。第一步就是要选择要做什么。这里选择了发送命令的功能。在选择好发送的类型、参数以后，将包含命令的数据包发送给中继器。中继器分析数据包以后，抽出命令的内容，根据定义好的字段分析出命令的意义。然后执行命令，修改中继器的配置数据库，再将系统修改的反馈发送回上位机供管理员选择下一步做什么。

中继器的活动图如图6所示，主要描述了信息传递最基本功能的实现过程。首先在地音变送器产生了信号发给了中继器之后，中继器通过can协议收到了发送过来的信息数据包。在中继器内部分析，解压数据包，存到中继器的数据库中，之后，将信息重新打包，打包采用以太网协议的方式，发送给检测主机。检测主机成功接收以后，发送给中继器一个反馈，发送成功，事件结束。

Claims (10)

1.一种地音监测方法，其特征在于所述方法包括

1）在煤井下部的采煤面设置若干地音传感器与低音逆变器，低音逆变器将地音传感器采集的地质模拟信息转换成信号数据包输出；

2）在煤井下部设置监测分站，分别并与地音逆变器通讯连接，用于对实时事件的数据进行计算；

3）在煤井上部设置工控机，将工控机与所述地音逆变器通信连接，用于接收地音逆变器所发出的信号数据包；

4）工控机设置有数据库，用于存储用户密码并设置有用操作指令池；

5）工控机始终处于待机状态，当接收到地音逆变器发出的信号数据包时，根据用户键入的操作指令，于操作指令池匹配对应的操作指令码，再将所述操作指令码与数据包传输至所述监测分站；

6)监测分站接收到操作指令码与数据包后 ，根据所述操作码重新配置数据包的信息形成新的数据包；

7）监测分站处于等待状态，当监测分站接收到信号数据包后，分析数据包内的事件信息，存入新的事件信息后，继续处于等待状态。

2.根据权利要求1所述的地音监测方法，其特征在于所述煤井上部设置有监测中继站，将工控机通过局域网与监测中继站通信连接形成通信网络。

3.根据权利要求2所述的地音监测方法，其特征在于所述检测中继站通过矿井以太网与监测分站通信连接。

4.根据权利要求3所述的地音监测方法，其特征在于，所述检测中继站配置有GPS与一个用于标记地音活动的时间信息毫秒级时钟，检测中继站与检测分站的通讯过程包括：首先检测中继站由GPS定时，然后往检测分站发送一个时间同步信号，检测分站再同步与之通信连接的所有地音变送器。

5.根据权利要求1所述的地音监测方法，其特征在于，所述监测分站包括：

上行通道，接收和缓存地音变送器传送来的地音事件，将数据传输协议转换为网络协议；

下行通道，传送检测主机发送给各地音变送器的命令。

6.如权利要求1-5所述的地音监测方法，提供一种预警系统，其特征在于包括

地音传感器：安装于采掘层侧面约2米深度，用于采集地音信号；

地音变送器：用于实时地将将岩体破裂过程中发出的声音频率转化为电信号并对电信号进行放大、过滤并传输到地面中心站；

卫星接收器：接收卫星信号，用于多个地音变送器对时基准，达到时间同步的效果；

冲击地压危险预警装置：对实时事件的数据进行计算，得出事件的频带宽度、中心频率、能量等，并根据历史地音数据采用特殊的预测算法得出未来时段的冲击地压危险等级。

7.根据权利要求6所述的预警系统，其特征在于所述地音变送器包括一个32.768KHz的晶振电路、内部设有一个RTC专用的预分频器的处理器、信号放大电路、数模转换电路、片上FLASH、RAM以及输出接口，所述32.768KHz的晶振电路、信号放大电路、数模转换电路、片上FLASH、RAM以及输出接口分别与处理器通信连接。

8.根据权利要求7所述的预警系统，其特征在于所述处理器采用LM3S9B96芯片。

9.根据权利要求8所述的预警系统，其特征在于所述信号放大电路采用OPA1632放大器，数模转换电路采用ADS1271数模转换器，所述OPA1632放大器与ADS1271数模转换器通过SPI接口与LM3S9B96芯片连接。

10.根据权利要求7所述的预警系统，其特征在于所述地音传感器安装在锚杆顶端，所述锚杆按50米间隔打入采煤面两侧。