CN107883918A - 露天铁矿矿山开采中的下部采空区稳定性监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的涉及一种露天铁矿山开采中的下部采空区稳定性监测装置，包括用于采集、发送信号的信号采集系统；信号接收、分析和处理系统，其特征在于：所述的信号采集系统为前端监测单元，包括多个结构相同一体化测头，通过电力线与一体化测头连接的多个结构相同数据采集仪和多个结构相同无线信号发射单元以及设置在露天矿坑制高点的无线中继站，所述的信号接收、分析和处理系统包括信号接收控制器，与信号接收控制器连接的远端监测中心PC主机和数据库服务器。本发明的优点是：通过多个一体化测头及信号采集、传输、转换、发射与接收技术的应用，有效地提高了仪器的信号接收能力，形成多通道高灵敏度的监测系统，消除了安全隐患。
Description
技术领域
本发明涉及矿采中安全测量监测技术领域，尤其涉及一种露天铁矿山开采中的下部采空区稳定性监测装置。
背景技术
我国地下开采转露天开采的铁矿矿山中，大多存在原矿区开采时，开采秩序初始较为混乱，非法、无规划的乱采滥挖现象普遍存在，使其留下了大量的不明下部采空区，随着露天开采浅部矿产资源逐渐耗尽，露天铁矿矿山开采不断走向深部，致使铁矿矿山转露天开采后的开采条件恶化，安全隐患严重，成为了影响铁矿矿山安全生产最主要的危害源，制约了铁矿矿山的可持续发展与矿产资源的安全高效回收。露天开采随着生产规模的不断发展扩大，越来越多的露天矿生产台阶临近采空区，且采空区多年来受自重、风化与爆破振动等影响作用，岩层稳固性下降，随着露天矿临近这些下部采空区，使得露天矿这些下部采空区普遍存在地应力低、长期存在爆破及机械震动，受岩体条件的各向异性及人工扰动的影响等特点，露天矿区坑底内的地压活动更加剧烈与频繁，露天坑底下部采空区开裂、变形与坍塌事故随时可能发生，它们对露天铁矿矿山开采的安全生产构成了严重威胁和影响，其稳定性的实时监测势在必行。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种露天铁矿山开采中的下部采空区稳定性监测装置，为露天开采提供实时、客观、稳定的监测数据。
本发明的目的通过下述技术方案来实现的：
本发明的一种露天铁矿山开采中的下部采空区稳定性监测装置，包括用于采集、发送信号的信号采集系统；信号接收、分析和处理系统，其特征在于：所述的信号采集系统为前端监测单元，包括多个结构相同一体化测头，通过电力线与一体化测头连接的多个结构相同数据采集仪和多个结构相同无线信号发射单元以及设置在露天矿坑制高点的无线中继站，所述的信号接收、分析和处理系统包括信号接收控制器，与信号接收控制器连接的远端监测中心PC主机和数据库服务器。
所述的多个结构相同一体化测头包括一体化测头Ⅰ、一体化测头Ⅱ、一体化测头Ⅲ和一体化测头N，所述的多个结构相同的无线信号发射单元由无线信号发射控制器Ⅰ、无线信号发射控制器Ⅱ、无线信号发射控制器Ⅲ和无线信号发射控制器N组成，且每一个无线信号发射控制器通过电力线顺次连接有一个数据采集仪和一个一体化测头，其中，所述发射控制器Ⅰ顺次连接有数据采集仪Ⅰ和一体化测头Ⅰ，所述发射控制器Ⅱ顺次连接有数据采集仪Ⅱ和一体化测头Ⅱ，所述发射控制器Ⅲ顺次连接有数据采集仪Ⅲ和一体化测头Ⅲ，所述发射控制器N顺次连接有数据采集仪N和一体化测头N。
所述一体化测头Ⅰ包括位于露天矿区坑内底部，且埋入地表下面的地埋管和测头壳体，所述的测头壳体通过支撑件对中支撑在地埋管内，在设置在测头壳体内上下两端的倾斜微震传感器和沉降微震传感器，以及填充在倾斜微震传感器和沉降微震传感器之间的环氧树脂所组成，所述的测头壳体端口采用封头封口，在封头设置的电缆接口，在露天矿区坑内底部地表上面，与一体化测头Ⅰ对应的位置均设有射控制器箱体，所述的发射控制器Ⅰ和数据采集仪Ⅰ均置于射控制器箱体内，所述的倾斜微震传感器和沉降微震传感器通过通讯电缆引线分别与无线信号发射控制器Ⅰ电性连接。
所述数据采集仪Ⅰ包括数据采集STM32F4微控制器，分别与数据采集STM32F4微控制器连接的时钟/复位电路Ⅰ、电源模块Ⅰ、存储器Ⅰ、FPGA控制电路和无线信号发射控制器Ⅰ，所述FPGA控制电路还分别与A/D转换器Ⅰ、A/D转换器Ⅱ和信号调理前置放大电路Ⅱ相连接，所述A/D转换器Ⅰ、信号调理前置放大电路Ⅰ和倾斜微震传感器顺次相连接，所述信号调理前置放大电路Ⅱ与沉降微震传感器顺次相连接。
所述的无线信号发射控制器Ⅰ包括发射STM32F微控制器，分别与发射STM32F微控制器连接的时钟/复位电路Ⅱ、存储器Ⅱ、电源模块Ⅱ、驱动电路，所述驱动电路、发射主电路、无线发射板顺次相连接，所述电源模块Ⅱ分别与驱动电路、发射主电路相连接。
所述接收控制器核心器件的接收STM32F微控制器分别与时钟/复位电路Ⅲ、存储器Ⅲ、电源模块Ⅲ、FPGA译码及时序控制、远端监控中心PC主机相连接，所述FPGA译码及时序控制、接收主电路、无线接收板顺次相连接。
本发明的优点是：通过多个一体化测头中的倾斜微震传感器和沉降微震传感器及信号采集、传输、转换、发射与接收技术的应用，有效地提高了仪器的信号接收能力，同时多个一体化测头的设置扩大了有效监测区域，使露天铁矿山开采中的下部采空区都得到了有效监测，远端监测中心PC主机和数据库服务器实现了监测数据的自动接收、数据处理分析、结果输出、数据维护管理，形成多通道高灵敏度的监测系统；可得出下部采空区稳定性的变化趋势，确定采空区的初步位置与深度，可以实现对采空区进行连续监测，为露天开采提供实时、客观、稳定的监测数据，消除了地下采空区给露天生产带来的安全隐患。
附图说明
图1为本发明的现场安装结构示意图。
图2是本发明的组成结构示意框图。
图3是本发明的前端监测单元结构示意图。
图4是本发明的前端监测单元硬件组成结构示意框图。
图5是本发明的接收控制器硬件组成结构示意框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明的一种露天铁矿山开采中的下部采空区稳定性监测装置，包括用于采集、发送信号的信号采集系统；信号接收、分析和处理系统，其特征在于：所述的信号采集系统为前端监测单元，包括多个结构相同一体化测头1，通过电力线与一体化测头1连接的多个结构相同数据采集仪2和多个结构相同无线信号发射单元3以及设置在露天矿坑制高点的无线中继站4，所述的信号接收、分析和处理系统包括信号接收控制器6，与信号接收控制器6连接的远端监测中心PC主机7和数据库服务器，实现数据的上传通信, 便于远程管理和控制，图中5为边坡。
如图2所示，本发明所述的多个结构相同一体化测头包括一体化测头Ⅰ、一体化测头Ⅱ、一体化测头Ⅲ和一体化测头N，所述的多个结构相同的无线信号发射单元由无线信号发射控制器Ⅰ、无线信号发射控制器Ⅱ、无线信号发射控制器Ⅲ和无线信号发射控制器N组成，且每一个无线信号发射控制器通过电力线顺次连接有一个数据采集仪和一个一体化测头，其中，所述发射控制器Ⅰ顺次连接有数据采集仪Ⅰ和一体化测头Ⅰ，所述发射控制器Ⅱ顺次连接有数据采集仪Ⅱ和一体化测头Ⅱ，所述发射控制器Ⅲ顺次连接有数据采集仪Ⅲ和一体化测头Ⅲ，所述发射控制器N顺次连接有数据采集仪N和一体化测头N。
其中发射控制器Ⅰ发指令给数据采集仪Ⅰ，使得一体化测头Ⅰ完成沉降和倾斜的数据采集监测。
如图3所示，所述一体化测头Ⅰ包括位于露天矿区坑内底部8，且埋入地表下面的地埋管19和测头壳体15，所述的测头壳体15通过支撑件13对中支撑在地埋管19内，在设置在测头壳体15内上下两端的倾斜微震传感器12和沉降微震传感器14，以及填充在倾斜微震传感器12和沉降微震传感器14之间的环氧树脂16所组成，所述的测头壳体端口采用封头11封口，在封头11设置的电缆接口17，在露天矿区坑内底部地表上面，与一体化测头Ⅰ对应的位置均设有射控制器箱体9，所述的发射控制器Ⅰ和数据采集仪Ⅰ均置于射控制器箱体内，所述的倾斜微震传感器12和沉降微震传感器14通过通讯电缆18引线分别与无线信号发射控制器Ⅰ电性连接。本发明的一体化测头Ⅱ、一体化测头Ⅲ和一体化测头N均与一体化测头Ⅰ结构相同，且与发射控制器Ⅱ和数据采集仪Ⅱ、发射控制器Ⅲ和数据采集仪Ⅲ及发射控制器N和数据采集仪N的连接方式相同。
如图4所示，本发明所述数据采集仪Ⅰ包括数据采集STM32F微控制器，分别与数据采集STM32F微控制器连接的时钟/复位电路Ⅰ、电源模块Ⅰ、存储器Ⅰ、FPGA控制电路和无线信号发射控制器Ⅰ，所述FPGA控制电路还分别与A/D转换器Ⅰ、A/D转换器Ⅱ和信号调理前置放大电路Ⅱ相连接，所述A/D转换器Ⅰ106、信号调理前置放大电路Ⅰ和倾斜微震传感器14顺次相连接，所述信号调理前置放大电路Ⅱ与沉降微震传感器12顺次相连接。
所述的无线信号发射控制器Ⅰ包括发射STM32F微控制器，分别与发射STM32F微控制器连接的时钟/复位电路Ⅱ、存储器Ⅱ、电源模块Ⅱ、驱动电路，所述驱动电路、发射主电路、无线发射板顺次相连接，所述电源模块Ⅱ分别与驱动电路、发射主电路相连接。
本发明所述倾斜微震传感器12和沉降微震传感器14将微震信号转换成电信号，分别经过信号调理前置放大电路Ⅰ、信号调理前置放大电路Ⅱ的前级预处理实现信号的滤波调理、前置放大，在经过A/D转换器Ⅰ、A/D转换器Ⅱ分别将电信号转换成数字信号输入FPGA控制电路，所述FPGA控制电路通过时钟/复位电路Ⅰ的时序、电压比较产生的编码、将数字信号输入数据采集STM32F微控制器进行数据增益还原，从而获得原始微震信号，并对微震信号进行分析处理后传输至发射STM32F4微控制器, 所述存储器Ⅰ用于数据采集STM32F4微控制器操作新建文件、存储微震数据。
所述发射STM32F4微控制器实时采集发射电压、发射电流模拟量，捕获当前发射频率和占空比，时钟/复位电路Ⅱ以时钟脉冲为时钟基准，根据设定的频率，产生同步控制信号；驱动电路接收同步控制信号，经驱动电路变换成驱动信号，将该驱动信号作为激励信号源，经过电平隔离后发送到发射主电路的功率逆变放大器中，产生功率足够大的信号并输出，实现将直流电压信号逆变为脉冲宽度调制ＰＷＭ电流信号后并由无线发射板无线发射出去，所述存储器Ⅱ用于发射STM32F微控制器操作新建文件、存储微震数据。
如图5所示，本发明所述接收控制器核心器件的接收STM32F微控制器分别与时钟/复位电路Ⅲ、存储器Ⅲ、电源模块Ⅲ、FPGA译码及时序控制、远端监控中心PC主机相连接，所述FPGA译码及时序控制、接收主电路、无线接收板顺次相连接。图中标号5为边坡。
无线接收板接收无线发射板无线发射的电流信号，通过前端处理后，输送给接收主电路，由接收主电路进行低通滤波调理，滤波调理后的信号进行前置放大，以避免饱和现象，然后进行浮点分段放大，时钟/复位电路Ⅲ以时钟脉冲为时钟基准，FPGA译码及时序控制对采集的信号进行译码及时序控制整理负责产生控制序列，恢复为原始信号，然后发送给接收STM32F微控制器，可实现频率选择、波形占空比、电流发射次数等的控制，恢复为原始信号由接收STM32F微控制器发送给远端监控中心PC主机，所述存储器Ⅲ42用于接收STM32F4微控制器操作新建文件、存储微震数据。
所述发射控制器Ⅱ、发射控制器Ⅲ、发射控制器N结构原理均与发射控制器Ⅰ相同，所述数据采集仪Ⅱ、数据采集仪Ⅲ、数据采集仪N结构原理均与数据采集仪Ⅰ相同，所述一体化测头Ⅱ、一体化测头Ⅲ、一体化测头N结构原理均与一体化测头Ⅰ相同，各自的相互连接关系均相同，在此未做相关重复介绍。
当坑底内岩体在受地应力作用产生应变、变形、开裂甚至失稳诱发围岩震动，以球形波的方式往外传播至倾斜微震传感器12和沉降微震传感器14位置时，使两个传感器内部高精度振动锤切割永久磁铁的磁感线，形成模拟信号，各个传感器的模拟信号通过通讯电缆18输送至数据采集仪Ⅰ-N，经模数转换至数字信号，数字信号输送至发射控制器Ⅰ-N，发射控制器通过无线发射板无线发射、或经过无线中继站4中转后无线发射给地面的接收控制器6的无线接收板无线接收，接收控制器接收的数字信号由FPGA译码及时序控制后输送至远端监控中心PC7主机，远端监控中心PC主机7将接收到的一体化测头1采集到的地表下面的相关参数信号，存储在数据库服务器中，按照设定的时间段，将数据库中的相关参数由配套软件转化为波形信号变化曲线，继而从波形信号中处理、分析震源类型、发震时间、三维坐标及强度等参数，可得出下部采空区稳定性的变化趋势，确定采空区的初步位置与深度，然后根据确定采空区的初步位置与深度，采用钻探方法对采空区进行精确的定位，准确掌握采空区的面积和高度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种露天铁矿山开采中的下部采空区稳定性监测装置，包括用于采集、发送信号的信号采集系统；信号接收、分析和处理系统，其特征在于：所述的信号采集系统为前端监测单元，包括多个结构相同一体化测头，通过电力线与一体化测头连接的多个结构相同数据采集仪和多个结构相同无线信号发射单元以及设置在露天矿坑制高点的无线中继站，所述的信号接收、分析和处理系统包括信号接收控制器，与信号接收控制器连接的远端监测中心PC主机和数据库服务器。
2.根据权利要求1所述的露天铁矿山开采中的下部采空区稳定性监测装置 ，其特征在于：所述的多个结构相同一体化测头包括一体化测头Ⅰ、一体化测头Ⅱ、一体化测头Ⅲ和一体化测头N，所述的多个结构相同的无线信号发射单元由无线信号发射控制器Ⅰ、无线信号发射控制器Ⅱ、无线信号发射控制器Ⅲ和无线信号发射控制器N组成，且每一个无线信号发射控制器通过电力线顺次连接有一个数据采集仪和一个一体化测头，其中，所述发射控制器Ⅰ顺次连接有数据采集仪Ⅰ和一体化测头Ⅰ，所述发射控制器Ⅱ顺次连接有数据采集仪Ⅱ和一体化测头Ⅱ，所述发射控制器Ⅲ顺次连接有数据采集仪Ⅲ和一体化测头Ⅲ，所述发射控制器N顺次连接有数据采集仪N和一体化测头N。
3.根据权利要求2所述的露天铁矿山开采中的下部采空区稳定性监测装置 ，其特征在于：所述一体化测头Ⅰ包括位于露天矿区坑内底部，且埋入地表下面的地埋管和测头壳体，所述的测头壳体通过支撑件对中支撑在地埋管内，在设置在测头壳体内上下两端的倾斜微震传感器和沉降微震传感器，以及填充在倾斜微震传感器和沉降微震传感器之间的环氧树脂所组成，所述的测头壳体端口采用封头封口，在封头设置的电缆接口，在露天矿区坑内底部地表上面，与一体化测头Ⅰ对应的位置均设有射控制器箱体，所述的发射控制器Ⅰ和数据采集仪Ⅰ均置于射控制器箱体内，所述的倾斜微震传感器和沉降微震传感器通过通讯电缆引线分别与无线信号发射控制器Ⅰ电性连接。
4.根据权利要求1所述的露天铁矿山开采中的下部采空区稳定性监测装置，其特征在于：所述数据采集仪Ⅰ包括数据采集STM32F微控制器，分别与数据采集STM32F微控制器连接的时钟/复位电路Ⅰ、电源模块Ⅰ、存储器Ⅰ、FPGA控制电路和无线信号发射控制器Ⅰ，所述FPGA控制电路还分别与A/D转换器Ⅰ、A/D转换器Ⅱ和信号调理前置放大电路Ⅱ相连接，所述A/D转换器Ⅰ、信号调理前置放大电路Ⅰ和倾斜微震传感器顺次相连接，所述信号调理前置放大电路Ⅱ与沉降微震传感器14顺次相连接。
5.根据权利要求1所述的露天铁矿山开采中的下部采空区稳定性监测装置，其特征在于：所述的无线信号发射控制器Ⅰ包括发射STM32F微控制器，分别与发射STM32F微控制器连接的时钟/复位电路Ⅱ、存储器Ⅱ、电源模块Ⅱ、驱动电路，所述驱动电路、发射主电路、无线发射板顺次相连接，所述电源模块Ⅱ分别与驱动电路、发射主电路相连接。
6.根据权利要求1所述的露天铁矿山开采中的下部采空区稳定性监测装置 ，其特征在于：所述接收控制器核心器件的接收STM32F微控制器分别与时钟/复位电路Ⅲ、存储器Ⅲ、电源模块Ⅲ、FPGA译码及时序控制、远端监控中心PC主机相连接，所述FPGA译码及时序控制、接收主电路、无线接收板顺次相连接。
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2017
- 2017-12-08 CN CN201711289542.5A patent/CN107883918A/zh active Pending
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