CN105607040A

CN105607040A - 一种矿区防盗采监测定位方法及系统

Info

Publication number: CN105607040A
Application number: CN201510564058.3A
Authority: CN
Inventors: 杨俊哲; 贺安民; 刘志明; 张法全; 宋桂军; 王国富; 叶金才; 张海如; 高登云; 王尔林; 张润安; 马矿生; 杨晓哲
Original assignee: China Shenhua Energy Co Ltd; Guilin University of Electronic Technology; Shenhua Shendong Coal Group Co Ltd
Current assignee: China Shenhua Energy Co Ltd; Guilin University of Electronic Technology; Shenhua Shendong Coal Group Co Ltd
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2016-05-25

Abstract

本发明公开一种矿区防盗采监测定位方法及系统，方法包括：从多个安装在巷道或者岩层空间中的任意不重叠位置的拾震器中获取包括震动数值的拾震器信号；获取同步时间，将震动数值超过阈值的拾震器信号作为待确定拾震器信号，根据同步时间确定每个待确定拾震器信号的到达时间；待确定拾震器信号所属拾震器为待确定拾震器，根据每个待确定拾震器信号，确定盗采炸点相对于待确定拾震器的相对位置，根据多个相对位置计算出盗采炸点的位置。大大方便了对矿山开采实施监督和管理，维护国家和企业的利益、遏制重特大事故的发生、减少环境污染、提高矿产资源开发利用率。

Description

一种矿区防盗采监测定位方法及系统

技术领域

本发明涉及矿区相关技术领域，特别是一种矿区防盗采监测定位方法及系统。

背景技术

近年来，随着煤炭行业的快速发展，很多煤矿都已步入深部开采阶段。而在煤矿深部开采作业过程中，由于煤矿冲击地压等地质活动，引发了越来越多的矿难。为了减少由此引起的人员伤亡和经济损失，一套行之有效的微震信息采集系统必不可少。目前，由于矿产资源开采有梳于管理现象存在有时造成了大矿小开、一矿多开现象。特别是一些矿山业主法制观念淡薄，受利益驱动，盗采行为时有发生。因抢夺资源使盗采矛盾越来越突出。很多起煤矿重大安全事故都有小煤矿私挖乱采、越界违章作业引发事故的案例。这些违章事件既导致国家煤矿资源的浪费，又会造成矿井相互连通埋下重大事故隐患，是引发煤矿透水、瓦斯爆炸等恶性事故的重要原因。在《中华人民共和国煤炭法》里，第三十一条明确规定，煤炭生产应当依法在批准的开采范围内进行，不得超越批准的开采范围越界、越层开采。采矿作业不得擅自开采保安煤柱，不得采用可能危及相邻煤矿生产安全的决水、爆破、贯通巷道等危险方法。而当前现状是当业主发生纠纷时，由于监管部门没有掌握矿山开采的可靠数据，而在纠纷发生后再对矿山进行采样，费用高、耗用时间长，并且由于各种因素的影响，可能会造成采样不准确。由此可见，要解决盗采的纠纷，只有加强矿山的信息化管理，提高矿山管理的现代化水平，做到有据可依，才能有效减少由于盗采发生的纠纷，减少由于盗采引发的安全事故。

由于井下盗采具有隐蔽性，不易发现的特点，国内对矿山盗采的监测仍然是以人员下井实地监督检查为主要手段，但由于种种原因，此监测手段不仅需要人员多、耗费大量人力、物力资源而且效果不佳。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术无法实现矿山盗采的实时监测的技术问题，提供一种矿区防盗采监测定位方法及系统。

一种矿区防盗采监测定位方法，包括：

拾震器信号获取步骤，包括：从多个安装在巷道或者岩层空间中的任意不重叠位置的拾震器中获取包括震动数值的拾震器信号；

同步时间确定步骤，包括：获取同步时间，将震动数值超过阈值的拾震器信号作为待确定拾震器信号，根据同步时间确定每个待确定拾震器信号的到达时间；

定位步骤，包括：待确定拾震器信号所属拾震器为待确定拾震器，根据每个待确定拾震器信号，确定盗采炸点相对于待确定拾震器的相对位置，根据多个相对位置计算出盗采炸点的位置。

一种矿区防盗采监测定位系统，包括：

拾震器信号获取模块，用于：从多个安装在巷道或者岩层空间中的任意不重叠位置的拾震器中获取包括震动数值的拾震器信号；

同步时间确定模块，用于：获取同步时间，将震动数值超过阈值的拾震器信号作为待确定拾震器信号，根据同步时间确定每个待确定拾震器信号的到达时间；

定位模块，用于：待确定拾震器信号所属拾震器为待确定拾震器，根据每个待确定拾震器信号，确定盗采炸点相对于待确定拾震器的相对位置，根据多个相对位置计算出盗采炸点的位置。

本发明通过拾震器监测震动数值，并对拾震器信号进行同步，然后计算出盗采炸点的具体位置。本发明通过检测精度高、检测周期短的监测设备来对地下开采巷道进行实时监测和定位，利用信息化手段采用震源定位算法来实现防盗采监测系统的盗采放炮点的监测。大大方便了对矿山开采实施监督和管理，维护国家和企业的利益、遏制重特大事故的发生、减少环境污染、提高矿产资源开发利用率。

附图说明

图1为本发明一种矿区防盗采监测定位方法的工作流程图；

图2为本发明一个最佳实施例的结构示意图；

图3为本发明一种矿区防盗采监测定位系统的结构模块图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示为本发明一种矿区防盗采监测定位方法的工作流程图，包括：

步骤S101，包括：从多个安装在巷道或者岩层空间中的任意不重叠位置的拾震器中获取包括震动数值的拾震器信号；

步骤S102，包括：获取同步时间，将震动数值超过阈值的拾震器信号作为待确定拾震器信号，根据同步时间确定每个待确定拾震器信号的到达时间；

步骤S103，包括：待确定拾震器信号所属拾震器为待确定拾震器，根据每个待确定拾震器信号，确定盗采炸点相对于待确定拾震器的相对位置，根据多个相对位置计算出盗采炸点的位置。

本发明通过拾震器监测震动数值，并对拾震器信号进行同步，然后计算出盗采炸点的具体位置。

拾震器对巷道或者岩层空间进行震动监测，在步骤S101中对其进行获取，步骤S101可以是定时获取，也可以是当任意一个拾震器监测到震动即触发步骤S101对所有的拾震器获取信号。

步骤S103对同步好的待确定拾震器信号进行位置定位，确定出具体的盗采炸点。

本发明通过检测精度高、检测周期短的监测设备来对地下开采巷道进行实时监测和定位，利用信息化手段采用震源定位算法来实现防盗采监测系统的盗采放炮点的监测。大大方便了对矿山开采实施监督和管理，维护国家和企业的利益、遏制重特大事故的发生、减少环境污染、提高矿产资源开发利用率。

在其中一个实施例中，所述拾震器的数量为大于3个。

优选地，拾震器的数量为5～10个。

在其中一个实施例中，还包括显示步骤；

所述显示步骤包括：获取每个待确定拾震器的地理位置坐标，根据盗采炸点相对于待确定拾震器的相对位置，计算出盗采炸点的地理位置坐标，在电子地图上显示出盗采炸点。

本实施例在电子地图上直观的标识出盗采炸点的位置，使得监测者及时做出行动，从而有效的发现和监控盗采行为。

在其中一个实施例中，所述步骤S103中，所述根据多个相对位置计算出盗采炸点的位置，具体包括：

接收到至少四个来自待确定拾震器的待确定拾震器信号，记录每个待确定拾震器信号的地震纵波到达时间；

对如下方程组进行计算：

\{\begin{matrix} S_{i} = V (t_{i} - t_{0}) \\ S_{i} = \sqrt{{(x_{i} - x_{0})}^{2} + {(y_{i} - y_{0})}^{2} + {(z_{i} - z_{0})}^{2}} \end{matrix}

其中，V为地震纵波在岩层中的传递速度，(x₀，y₀，z₀)为盗采炸点的三维坐标，(x_i，y_i，z_i)为第i个待确定拾震器的三维坐标，t_i为第i个待确定拾震器信号的地震纵波到达时间，t₀为盗采炸点的起震时刻，S_i为第i个待确定拾震器与盗采炸点的距离；

对上述方程进行求解，得出盗采炸点的起震时刻t₀和盗采炸点的三维坐标(x₀，y₀，z₀)。

由于地震纵波(primarywave，P波)在岩体中传播速度最快,而且初至时间易于识别,所以采用P波定位，P波的传播速度可以采用已知数值，或者进行多次预测量确定。

本实施例采用至少4个拾震器进行确定，从而得到震源即盗采炸点的三维坐标。然而，当仅需要考虑二维坐标时，例如不需要考虑震源深度，则可以采用3个拾震器就可以确定盗采炸点。

在其中一个实施例中，所述步骤S102中，采用全球定位系统信号(GlobalPositioningSystem,GPS)的时间信息作为同步时间。如图2所示为本发明一个最佳实施例的结构示意图，包括：拾震器21、信号采集系统22、服务器23、监测计算机24和GPS信号采集设备25；拾震器21安装于巷道或者岩层中，拾震器21与信号采集系统22中的输入端连接，信号采集系统22输出端与服务器23输入端相连接，服务器23输出端与监测计算机24连接，监测计算机24与GPS信号采集设备25输出端相连接，信号采集系统22与GPS信号采集设备25输出端相连接。

所述信号采集系统连接GPS信号采集系统，两者时间同步。

所述拾震器为5个，5个拾震器安装在在巷道或者岩层空间中的任意不重叠的位置，由5个拾震器信号，信号采集系统连接GPS信号采集设备，从而获取GPS时间信息用以时间同步。分析出有效信号，提取有效信号的到达时间，然后依据这些参数由服务器通过执行PSO-Broyden混合算法解决空间目标的定位问题，从而确认出盗采炸点的相对坐标位置。计算机连接GPS信号采集设备，从而获取GPS定位信息，通过计算机转换计算出具体的GPS卫星定位的坐标位置，在电子地图上直观的标识出盗采炸点的位置，使得监测者及时做出行动，从而有效的发现和监控盗采行为。

其中信号采集系统22选用STM32F407作为核心处理器，并结合FPGA(FieldProgrammableGateArray)使系统处理数据更加快速和准确，体积也大大减小。系统通过前端采集控制模块FPGA采集煤矿井下的拾震器21发出的微震信号(即拾震器信号)，并将其传送到STM32F407进行处理，同时，STM32F407根据现场数据采集需要，可向FPGA发送增益控制、同步控制等信息，实时调整采集电路参数；处理后的微震信号经以太网传送至地面服务器，服务器对采集的信息进行分析和显示，可判断出震源位置。考虑到微震信号的特点及其主要监测的信号频率范围在20～300Hz之间，基于STM32F407的信号采集系统22采用多路采集方式，12路传感器将采集的信号经过初步放大和模数转换(AD)后送给FPGA，FPGA对信号进行滤波和相关处理，然后送往STM32F407芯片，STM32F407通过串行外围设备接口(SPI)接收AD转换的数据，并进行处理，通过网络传送给服务器，并及时调整前端可控增益。若STM32F407与服务器断开或网络故障，还可将数据存储在SD卡(SecureDigitalMemoryCard)中，稍后送往服务器，系统总体结构如图2所示。

该系统通过传感器和前端采集控制模块FPGA采集煤矿井下的微震信号，并将其传送到STM32F407进行处理，同时，STM32F407根据现场数据采集需要，可向FPGA发送增益控制、同步控制等信息，实时调整采集电路参数；处理后的微震信号经以太网传送至地面服务器，服务器对采集的信息进行分析和显示，可判断出震源位置。试验结果表明，该信息采集系统可靠、高效，能满足现场微震信息实时采集与传送的要求。

STM32F407有自适应实时加速器ART，具有1MB的FLASH存储器，从FLASH中连续执行允许零等待，频率高达168MHz，含内存保护单元，高达(192+4)B的静态随机存储器SRAM，更含有灵活的外部存储器接口FSMC以及多个通用直接内存存取控制器DMA。凭借丰富的片内资源和高速的数据处理速度，STM32F407可以很好地完成对微震信号的处理和传送。

前端数据采集模块采用FPGA芯片EP3C25Q240C8芯片来初步处理采集的微震信息，并将处理后的微震信号传送给STM32F407芯片，还负责控制前端调整电路的增益值。EP3C25Q240C8与STM32F407要完成的数据传递包括前端增益值传递、同步信息传递和AD采样值传递。

时间数据由GPS信号采集系统提供

本发明在计算机运行过程中将服务器计算得出的相对震源坐标在计算机中转化为GPS卫星定位数据，使GPS坐标与地理信息系统地图对接，直观的在地理信息系统的电子地图上显示出盗采爆炸点的具体地理位置，直观，方便，实用性强。

如图3所示为本发明一种矿区防盗采监测定位系统的结构模块图，包括：

拾震器信号获取模块301，用于：从多个安装在巷道或者岩层空间中的任意不重叠位置的拾震器中获取包括震动数值的拾震器信号；

同步时间确定模块302，用于：获取同步时间，将震动数值超过阈值的拾震器信号作为待确定拾震器信号，根据同步时间确定每个待确定拾震器信号的到达时间；

定位模块303，用于：待确定拾震器信号所属拾震器为待确定拾震器，根据每个待确定拾震器信号，确定盗采炸点相对于待确定拾震器的相对位置，根据多个相对位置计算出盗采炸点的位置。

在其中一个实施例中，所述拾震器的数量为大于3个。

在其中一个实施例中，还包括显示模块；

所述显示模块包括：获取每个待确定拾震器的地理位置坐标，根据盗采炸点相对于待确定拾震器的相对位置，计算出盗采炸点的地理位置坐标，在电子地图上显示出盗采炸点。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种矿区防盗采监测定位方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的矿区防盗采监测定位方法，其特征在于，所述拾震器的数量为大于3个。

3.根据权利要求1所述的矿区防盗采监测定位方法，其特征在于，还包括显示步骤；

4.根据权利要求1所述的矿区防盗采监测定位方法，其特征在于，所述定位步骤中，所述根据多个相对位置计算出盗采炸点的位置，具体包括：

对如下方程组进行计算：

\{\begin{matrix} S_{i} = V (t_{i} - t_{0}) \\ S_{i} = \sqrt{{(x_{i} - x_{0})}^{2} + {(y_{i} - y_{0})}^{2} + {(z_{i} - z_{0})}^{2}} \end{matrix}

5.根据权利要求1所述的矿区防盗采监测定位方法，其特征在于，所述同步时间确定步骤中，采用全球定位系统信号的时间信息作为同步时间。

6.一种矿区防盗采监测定位系统，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的矿区防盗采监测定位系统，其特征在于，所述拾震器的数量为大于3个。

8.根据权利要求6所述的矿区防盗采监测定位系统，其特征在于，还包括显示模块；

9.根据权利要求6所述的矿区防盗采监测定位系统，其特征在于，所述定位模块中，所述根据多个相对位置计算出盗采炸点的位置，具体包括：

对如下方程组进行计算：

\{\begin{matrix} S_{i} = V (t_{i} - t_{0}) \\ S_{i} = \sqrt{{(x_{i} - x_{0})}^{2} + {(y_{i} - y_{0})}^{2} + {(z_{i} - z_{0})}^{2}} \end{matrix}

10.根据权利要求6所述的矿区防盗采监测定位系统，其特征在于，所述同步时间确定模块中，采用全球定位系统信号的时间信息作为同步时间。