CN107725110A - 基于测距和测速的掘进工作面灾害报警系统 - Google Patents

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    • E21C35/24—Remote control specially adapted for machines for slitting or completely freeing the mineral

Abstract

本发明公开了一种基于测距和测速的掘进工作面灾害报警系统，所述报警系统通过在掘进工作面掘进机上和巷道安装测速及测距装置，并对所采集的距离和速度数据进行实时监测，同时监测甲烷浓度等环境数据，当通过数据监测到掘进工作面和出现异常物体，则判定为数据异常，再根据环境数据监测结果则发出相应的灾害报警信号。所述报警系统充分考虑了煤矿掘进工作面灾害的特征特点，实施简单，自动及时采取相应措施，可第一时间准确地对矿井掘进工作面煤与瓦斯突出或冲击地压进行报警，为未在发生现场的其它区域井下人员争取宝贵的救灾和逃生时间。

Description

基于测距和测速的掘进工作面灾害报警系统
技术领域
本发明涉及一种基于测距和测速的掘进工作面灾害报警系统，该系统涉及超声波、微波测距、测速技术和通信等领域。
背景技术
煤炭是我国主要能源，约占一次能源70％。煤炭行业是高危行业，瓦斯、水灾、火灾、顶板、煤尘等事故困扰着煤矿安全生产。我国煤矿发生重特大事故中，多数为重特大瓦斯事故，瓦斯事故所造成的伤亡人数也是所有煤矿事故中所占比例最大的。因此，瓦斯事故防治十分重要。
瓦斯事故包括瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯窒息、瓦斯燃烧等事故。为避免或减少煤与瓦斯突出事故发生，人们提出了多种煤或岩与瓦斯突出防治方法，在煤矿安全生产工作中发挥着重要作用。但现有煤与瓦斯突出实时监测与预报方法包括甲烷传感器监测、微震、声发射、电磁辐射、红外辐射等误报率和漏报率还较高，难以满足煤矿安全生产的需要。
煤矿井下的掘进工作面易发生煤与瓦斯突出及冲击地压灾害，当灾害发生后，易造成工作面现场附近的工作人员被填埋或被困；另外冲击地压会造成工作面附近巷道的堵塞，使巷道通风不畅，使瓦斯积聚，易引发瓦斯爆炸。所以需要一种新的灾害监测报警系统，能在第一时间快速准确地判定掘进工作面煤与瓦斯突出及冲击地压灾害，可尽快组织救援，争取宝贵的救援时间，避免或减少填埋或被困造成的人员伤亡；并及时组织人员对堵塞巷道采取处理措施，有效避免由于瓦斯积聚引发的瓦斯爆炸等事故，避免或减少由于瓦斯窒息和瓦斯爆炸造成人员伤亡。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于测距和测速的掘进工作面灾害报警系统，在掘进工作面掘进机上安装至少1个测距装置或测速装置，所述测距装置采集该装置到设定方向上障碍物的距离数据，用于监测煤或岩石异常，所述测速装置采集设定方向上的物体移动速度，用于监测掘进工作面异常高速运动物体；在矿井巷道内安装至少1个测距装置或测速装置，所述测距装置采集该装置到底板方向上障碍物的距离数据，用于监测巷道异常堆积物，所述测速装置采集巷道轴向的物体移动速度，用于监测巷道内异常高速运动物体；系统监测掘进工作面或巷道内的测距或测速装置所采集的数据，并采集监测包括一种或多种甲烷浓度、气压、风速、或风向的环境数据，并监测所有数据采集装置的故障状态；当系统监测到掘进工作面出现煤或岩石异常、或掘进工作面数据采集装置异常，或巷道出现异常堆积物，且所监测的气压、风速或风向数据异常，则发出掘进工作面煤与瓦斯突出或冲击地压报警。
1.所述灾害报警系统进一步包括：所述测距装置包括一种或多种超声波测距传感器、微波雷达、激光测距传感器。
2.所述灾害报警系统进一步包括：所述测速装置包括一种或多种超声波测速传感器、微波雷达、激光测速传感器。
3.所述灾害报警系统进一步包括：系统所监测距离数据包括测距装置到掘进工作面前进方向的距离数据。
4.所述灾害报警系统进一步包括：系统连接掘进机控制设备，采集并监测掘进机位置和工作状态数据，用于排除掘进机移动对系统所监测的距离或速度数据的干扰。
5.所述灾害报警系统进一步包括：系统连接人员及设备定位系统，采集并监测人员和井下设备位置数据，用于排除人员或井下设备移动对系统所监测的距离或速度数据的干扰。
6.所述灾害报警系统进一步包括：系统连接声音或振动数据采集装置，用于采集并监测掘进工作面的异常声音或振动。
7.所述灾害报警系统进一步包括：系统发出掘进工作面煤与瓦斯突出报警的条件包括，当系统排除掘进机、人员或井下设备移动干扰，监测到至少一个所监测的距离数据持续小于设定阈值、或至少一个速度数据突然超过设定阈值、或至少一个掘进工作面数据采集装置故障，且巷道风向发生反转、或气压或风速超过设定阈值、或声音或振动数据超过设定阈值，且甲烷浓度数据突然升高或超过设定阈值。
8.所述灾害报警系统进一步包括：系统发出冲击地压报警的条件包括，当系统排除掘进机、人员或井下设备移动干扰，监测到至少一个所监测的距离数据持续小于设定阈值、或至少一个速度数据突然超过设定阈值、或至少一个掘进工作面数据采集装置故障，且巷道风向发生反转、或气压或风速超过设定阈值、或声音数或振动数据超过设定阈值，且甲烷浓度数据正常。
附图说明
图1基于测距和测速的掘进工作面灾害报警系统实施方案1示意图。
图2基于测距和测速的掘进工作面灾害报警系统实施方案2示意图。
图3掘进机测距及测速装置安装示意图。
图4巷道测距及测速装置安装示意图。
图5灾害监测报警流程图。
图6距离数据监测流程图。
具体实施方式
图1为基于测距和测速的掘进工作面报警系统的实施示例1中，主要组成包括：
1.存储服务器(101)，负责采集接收并存储所有系统内数据采集装置采集的数据，并向监控报警服务器和监控终端(102)转发数据。包括测距装置、测速装置、掘进机控制器、水仓水位传感器、水文数据采集装置、定位分站等采集的数据。
2.监控报警服务器(102)，负责监测由存储服务器(101)转发的所有数据采集装置采集的数据，当数据值或数据变化满足报警条件，则向监控终端(103)发出灾害报警数据。
3.监控终端(103)，负责提供井下监控数据显示服务，由存储服务器(101)提供实时和历史数据，由监控报警服务器(102)提供灾害报警数据，具有声光报警功能；生产管理人员可通过监控终端对存储服务器(101)存储的历史数据调取查询。
4.核心交换机(104)，数据网络的核心管理和交换设备，负责所有接入有线网络的设备的管理和数据交换。
5.井下交换机(105)，数据网络的井下交换设备，环网方式连接。
6.通信分站(106)，负责接收数据采集装置采集的数据，并将数据通过矿用以太环网上传至存储服务器(101)。
7.测距装置(107)，测距距离应大于4米，可采用超声波测距传感器或微波雷达，通过RS485接口连接通信分站(106)；如所选用的传感器没有RS485接口，需增加通信转换装置。本示例采用深圳导向机电技术有限公司的KS109超声波测距模块，通信接口采用UARTTO RS485转换模块。
8.测速装置(108)，可采用超声波测速传感器或微波雷达，通过RS485接口连接通信分站(106)；如所选用的传感器没有RS485接口，需增加通信转换装置。
9.掘进机控制器(109)，掘进机的控制单元，一般采用可编程控制器，通过RS485接口或工业现场总线连接通信分站(106)，向通信分站(106)发送包括掘进机相对位置、截割部角度、运行状态、喷雾状态等状态数据。
10.甲烷浓度传感器(110)，用于采集空气中甲烷浓度，采用全量程矿用甲烷浓度传感器，通过RS485接口或工业现场总线连接通信分站(106)。
11.气压传感器(111)，用于采集环境空气压力，采用矿用防爆气压浓度传感器，通过RS485接口或工业现场总线连接通信分站(106)。
12.声音传感器(112)，用于采集工作面的声音数据，由于掘进工作面设备较多噪音较大，应采用具有滤波功能的设备，可滤除部分掘进机、刮板运输机等设备的噪音干扰，通过RS485接口或工业现场总线连接通信分站(106)。
13.振动传感器(113)，用于采集工作面的振动数据，采用矿用防爆振动传感器，通过RS485接口或工业现场总线连接通信分站(106)。
14.风速传感器(114)，安装于巷道中，用于采集巷道中风速，可采用机械式矿用风速传感器，也可采用超声波风速风向一体式传感器，通过RS485接口或工业现场总线连接通信分站(106)。
15.风向传感器(115)，安装于巷道中，用于采集巷道中风向，可采用机械式矿用风向传感器，也可采用超声波风速风向一体式传感器，通过RS485接口或工业现场总线连接通信分站(106)。
16.定位分站(116)，负责对定位卡及其它无线通信设备提供无线通信网络接入服务，
并作为定位装置的参考定位节点为其提供定位服务，通过通信线缆连接井下交换机。
17.定位卡(117)，系统用于监测井下人员和设备的位置，通过定位分站(112)实现定位和无线通信。
图2为基于测距和测速的掘进工作面灾害报警系统的实施示例2中，与实施示例1的区别在于增加了掘进面监测报警装置(118)和巷道监测报警装置(119)，掘进面监测报警装置(118)直接通过RS485接口或工业现场总线接收掘进工作面的测距装置、测速装置、掘进机控制器、甲烷浓度传感器、气压传感器、声音传感器、振动传感器采集的数据；巷道监测报警装置(119)直接通过RS485接口或工业现场总线接收巷道内的测距装置、测速装置采集的数据，并分别监测数据和设备状态，如数据值、数据变化及设备状态满足报警条件，则向监控报警服务器(102)发出灾害预警数据；监控报警服务器(102)根据定位分站采集的人员和设备位置数据对灾害预警数据进行进一步处理判定，如满足报警条件，则向监控终端(103)发出灾害报警数据。
掘进机测距及测速装置安装位置和监测方向参考图3，安装位置在截割部和铲板部之间，多个测距及测速装置监测方向呈扇形，监测范围包括掘进机旁的人行道。
图4为巷道测距及测速装置安装示意图，如图所示在巷道顶部不同位置可安装多个测距及测速装置。
所述灾害报警系统的灾害监测报警流程如图5示，包括：
1.(401)监控报警服务器(102)定时向存储服务器(101)发送数据采集指令，采集灾害监测所需的由测距装置和测距装置提供的距离、速度数据。
2.(402)监控报警服务器(102)根据是否能正常采集距离、速度数据判定测距或测速装置是否工作异常，如果工作异常则执行(408),否则执行(403)。
3.(403)监控报警服务器(102)对距离、速度数据进行判定，如数据异常则进入预警状态并执行(404)，否则返回(401)。
4.(404)根据测距、测速装置编号判定装置所属区域，如在掘进工作面则需执行(405)，否则直接执行(406)。
5.(405)根据所采集的掘进机相对位置、截割部角度、运行状态、喷雾状态等掘进机状态数据判定是否由掘进机干扰引发距离或速度数据异常，如果由掘进机引发，则清除预警并返回(401)，否则执行(407)。
6.(406)根据所采集的井下人员及移动设备位置数据判定是否由井下人员及设备移动干扰引发距离或速度数据异常，如果是则清除预警并返回(401)，否则执行(407)。
7.(407)根据所采集的风向传感器数据判定是否发生风向反转，如果是则执行(410)，否则执行(408)。
8.(408)判定所采集的气压或风速数据是否异常，如果是则执行(410)，否则执行(409)。
9.(409)判定所采集的声音或振动数据是否异常，如果是则执行(410)，否则清除预警并返回(401)。
10.(410)根据所采集的甲烷浓度数据判定甲烷浓度数据是否突然升高或超过设定阈值，
如果是则执行(411)，否则执行(412)。
11.(411)向监控终端(103)发出煤与瓦斯突出报警数据。
12.(412)向监控终端(103)发出冲击地压报警数据。
图6以距离数据监测为例，说明实施方案1中监控报警服务器(102)，和实施方案2中掘进面监测报警装置(118)、巷道监测报警装置(119)的数据处理过程。过程主要包括：
1.(501)接收距离数据。实施方案1中距离数据先由存储服务器(101)接收再转发至监控报警服务器(102)；实施方案2中距离数据由掘进面监测报警装置(118)和巷道监测报警装置(119)直接采集。
2.(502)根据测距装置的设备编号调取该测距装置的相对位置及其设定数据异常的数值阈值、数据异常持续时间阈值等预警判定相关数据。
3.(503)将接收的距离数据与调取的数值阈值进行比对。
4.(504)根据比对结果进行判定，如果距离数据超过阈值则执行(506)，否则执行(505)后返回(501)。
5.(505)清除数据异常标记。
6.(506)进行数据异常标记，并开始数据异常计时。
7.(507)判定数据异常的持续时间是否超过阈值。如果超过则执行(508)，否则返回(501)。
8.(508)进入预警状态。

Claims (9)

1.一种基于测距和测速的掘进工作面灾害报警系统，其特征在于：在掘进工作面掘进机上安装至少1个测距装置或测速装置，所述测距装置采集该装置到设定方向上障碍物的距离数据，用于监测煤或岩石异常，所述测速装置采集设定方向上的物体移动速度，用于监测掘进工作面异常高速运动物体；在矿井巷道内安装至少1个测距装置或测速装置，所述测距装置采集该装置到底板方向上障碍物的距离数据，用于监测巷道异常堆积物，所述测速装置采集巷道轴向的物体移动速度，用于监测巷道内异常高速运动物体；系统监测掘进工作面或巷道内的测距或测速装置所采集的数据，并采集监测包括一种或多种甲烷浓度、气压、风速、或风向的环境数据，并监测所有数据采集装置的故障状态；当系统监测到掘进工作面出现煤或岩石异常、或掘进工作面数据采集装置异常，或巷道出现异常堆积物，且所监测的气压、风速或风向数据异常，则发出掘进工作面煤与瓦斯突出或冲击地压报警。
2.如权利要求1所述灾害报警系统，其特征在于：所述测距装置包括一种或多种超声波测距传感器、微波雷达、激光测距传感器。
3.如权利要求1所述灾害报警系统，其特征在于：所述测速装置包括一种或多种超声波测速传感器、微波雷达、激光测速传感器。
4.如权利要求1所述灾害报警系统，其特征在于：系统所监测距离数据包括测距装置到掘进工作面前进方向的距离数据。
5.如权利要求1所述灾害报警系统，其特征在于：系统连接掘进机控制设备，采集并监测掘进机位置和工作状态数据，用于排除掘进机移动对系统所监测的距离或速度数据的干扰。
6.如权利要求1所述灾害报警系统，其特征在于：系统连接人员及设备定位系统，采集并监测人员和井下设备位置数据，用于排除人员或井下设备移动对系统所监测的距离或速度数据的干扰。
7.如权利要求1所述灾害报警系统，其特征在于：系统连接声音或振动数据采集装置，用于采集并监测掘进工作面的异常声音或振动。
8.如权利要求1所述灾害报警系统，其特征在于：系统发出掘进工作面煤与瓦斯突出报警的条件包括，当系统排除掘进机、人员或井下设备移动干扰，监测到至少一个所监测的距离数据持续小于设定阈值、或至少一个速度数据突然超过设定阈值、或至少一个掘进工作面数据采集装置故障，且巷道风向发生反转、或气压或风速超过设定阈值、或声音或振动数据超过设定阈值，且甲烷浓度数据突然升高或超过设定阈值。
9.如权利要求1所述灾害报警系统，其特征在于：系统发出冲击地压报警的条件包括，当系统排除掘进机、人员或井下设备移动干扰，监测到至少一个所监测的距离数据持续小于设定阈值、或至少一个速度数据突然超过设定阈值、或至少一个掘进工作面数据采集装置故障，且巷道风向发生反转、或气压或风速超过设定阈值、或声音数或振动数据超过设定阈值，且甲烷浓度数据正常。
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