CN110307038B - 全数字矿山动力灾害综合监测预警系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统及方法，所述系统包括：数字微震传感器用于获取微震信号；数字地音传感器用于获取地音信号；智能灾害源分析仪对接收到的所述微震信号和所述地音信号进行实时分析和处理；数据处理监控中心基于分析和处理过的信号数据进行信号数据后期分析，基于后期分析的信号数据进行辅助决策和实时智能预警。本发明实施例将微震监测技术和地音监测技术结合，融合传感技术、微电子技术、数字信号处理技术与计算机通信技术等研制一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，实现矿山动力灾害实时综合监测及预警。
Description
技术领域
本发明涉及矿山动力灾害监测技术领域，尤其涉及一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统及方法。
背景技术
近年来煤矿冲击矿压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害,已成为煤矿开采特别是深部开采矿井的主要灾害，因此，冲击地压、煤与瓦斯突出等监测预报与治理已经成为煤矿生产安全面临的主要问题，亟待找到有效的解决途径。
长期的防治工作和科学研究表明，采矿活动引起的震动现象可分为2种：一种是震动比较强烈的、震动频率通常小于150Hz事件，属于微震(简称MS)范畴，它是随着煤岩体被逐渐加压，其内在微缺陷被压裂、扩展或闭合，当裂纹扩展到一定规模、煤岩体受载强度接近其破坏强度时，开始出现大范围裂隙贯通并产生破坏的现象；另一种是震动能量比较弱的，一般为0～103J，震动频率高，通常大于150Hz而小于3 000Hz的事件，则视为地音(简称AE)现象，实验室又称声发射现象。实际应用结果表明，要提高冲击地压防治效果，对于冲击地压的监测，不仅仅需要对高尺度效应煤岩体的最终断裂(微震现象)进行监测，更需要对低尺度效应的煤岩体微裂隙扩展(地音现象)进行精细化监测，通过对煤岩体中能量从集聚至释放整个过程的完全监测来分析矿山动力灾害的活动规律，从而实现对矿山动力灾害危险性评价和预警。
实际应用结果表明任何一个单一的监测指标都不具有完全预测预报意义，只有在各项监测指标的趋势、极限值、关键区域的矿压显现及短时的辅助监测结果均达到一致性时，才能做出科学、准确的冲击危险性预测预报。
微震和地音综合监测技术在国外特别是波兰、南非、美国、加拿大、俄罗斯和澳大利亚等国的矿山，已作为矿山安全管理的重要措施，而在我国才刚起步，目前尚处于实验研究阶段。
目前，煤矿对于动力灾害源的监测，普遍采取的模式是位于煤矿井下的数据采集仪采集数据，传输到地面的监控中心，然后由数据处理主机和专业人员对数据进行分析、处理。由于煤矿井下的地质条件随着开采行为的继续在不断变化，一旦出现矿山动力灾害的预兆，如果不立即停止开采行为，可能会引发动力灾害事故，且造成人员伤亡。
发明内容
本发明实施例提供一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统及方法，用以解决现有技术中无法实时采集矿山动力源综合数据的缺陷，实现矿山动力灾害实时综合监测和预警。
本发明实施例提供一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，包括数据处理监控中心和若干个数据分析子系统；所述数据分析子系统包括数字微震传感器、数字地音传感器和智能灾害源分析仪；
数字微震传感器设置于待监测矿山地表以下目标位置，与智能灾害源分析仪连接，用于获取微震信号，将所述微震信号发送给所述智能灾害源分析仪；
数字地音传感器设置于待监测矿山地表以下目标位置，与智能灾害源分析仪连接，用于获取地音信号，将所述地音信号发送给所述智能灾害源分析仪；
智能灾害源分析仪分别与数字微震传感器、数字地音传感器和数据处理监控中心连接，用于对接收到的所述微震信号和所述地音信号进行实时分析和处理，将经分析和处理过的信号数据发送给数据处理监控中心；
数据处理监控中心基于分析和处理过的信号数据进行信号数据后期分析，基于后期分析的信号数据进行辅助决策和实时智能预警。
进一步地，所述数字微震传感器包括微震传感器、采集电路、通信电路和微处理器；
微震传感器与采集电路连接；
微处理器分别与采集电路和通信电路连接。
进一步地，所述数字地音传感器包括地音传感器、采集电路、通信电路和微处理器；
地音传感器与采集电路连接；
微处理器分别与采集电路和通信电路连接。
进一步地，所述系统还包括交换机；
所述数据处理监控中心基于交换机与各智能灾害源分析仪连接。
进一步地，所述数据处理监控中心通过发送GPS授时信号实现对各智能灾害源分析仪进行同步控制。
进一步地，所述微震信号为0-150Hz。
进一步地，所述地音信号为150-3000Hz。
本发明实施例提供一种全数字矿山动力灾害综合监测预警方法，包括以下步骤：
采集待监测矿山地表以下目标位置的微震信号和地音信号；
对接收到的所述微震信号和所述地音信号进行实时分析和处理，将经分析和处理过的信号数据发送给数据处理监控中心；
基于分析和处理过的信号数据进行信号数据后期分析，基于后期分析的信号数据进行辅助决策和实时智能预警。
本发明实施例提供的全数字矿山动力灾害综合监测预警系统及方法，将微震监测技术和地音监测技术结合，融合传感技术、微电子技术、数字信号处理技术与计算机通信技术等研制一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，实现矿山动力灾害实时综合监测及预警。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明全数字矿山动力灾害综合监测预警系统实施例结构图；
图2为本发明全数字矿山动力灾害综合监测预警系统中数字传感器实施例结构图；
图3为本发明全数字矿山动力灾害综合监测预警系统中智能灾害源分析仪实施例结构图；
图4为本发明全数字矿山动力灾害综合监测预警方法实施例流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为解决现有技术中的至少一个技术问题，本发明实施例提供一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统。如图1所示，所述系统整体上包括数据处理监控中心10和若干个数据分析子系统11；所述数据分析子系统11包括数字微震传感器111、数字地音传感器112和智能灾害源分析仪113；
数字微震传感器111设置于待监测矿山地表以下目标位置，与智能灾害源分析仪113连接，用于获取微震信号，将所述微震信号发送给所述智能灾害源分析仪113；
数字地音传感器112设置于监测矿山地表以下目标位置，与智能灾害源分析仪113连接，用于获取地音信号，将所述地音信号发送给所述智能灾害源分析仪113；
智能灾害源分析仪113分别与数字微震传感器111、数字地音传感器112和数据处理监控中心10连接，用于对接收到的所述微震信号和所述地音信号进行实时分析和处理，将经分析和处理过的信号数据发送给数据处理监控中心10；
数据处理监控中心10基于分析和处理过的信号数据进行信号数据后期分析，基于后期分析的信号数据进行辅助决策和实时智能预警。
需要说明的是，针对矿山动力灾害监测的特点，本发明实施例将微震监测技术和地音监测技术结合，融合传感技术、微电子技术、数字信号处理技术与计算机通信技术等研制一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统。
其中，系统硬件部分主要由数字微震传感器、数字地音传感器、智能灾害源分析仪、数据处理监控中心、网络交换机等构成。本方面实施例首先从前端信号接收的微震传感器、地音传感器的数字化入手，实现不同频段、不同量级信号(0-150Hz的低频段微震信号、150-3000Hz的地音信号)的可靠接收和直接数字化，通过建立井下灾害源分析仪，实现对数字传感器采集的信号进行实时分析和处理，位于地面的数据处理中心用于对位于井下的各灾害源分析仪进行控制、数据后期分析，辅助决策，实时智能预警。
进一步的，由于监测系统数据传输量大，可以采用基于以太网的光纤通信技术实现系统控制与数据传输，整个系统自组成一个通信网络，其中智能灾害源分析仪可与若干数字传感器(包括数字微震传感器和数字地音传感器)构成一个相对独立的子系统，而分布于不同监测区域的子系统又可通过地面交换机与数据处理监控中心进行通信，从而构成一个完整的全数字矿山动力灾害综合监测预警系统。在由智能灾害源分析仪与数字传感器构成的数据分析子系统中，数字传感器的数量可根据需要方便地增加或减少，同时数据分析子系统的数量也可根据监测区域的需要方便地增加或减少，各数据分析子系统之间通过数据处理监控中心发来的GPS授时信号实现同步控制，图3为本发明全数字矿山动力灾害综合监测预警系统中智能灾害源分析仪实施例结构图。
本发明实施例提供一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，包括数据处理监控中心和若干个数据分析子系统；所述数据分析子系统包括数字微震传感器、数字地音传感器和智能灾害源分析仪；数字微震传感器设置于待监测矿山地表以下目标位置，与智能灾害源分析仪连接，用于获取微震信号，将所述微震信号发送给所述智能灾害源分析仪；数字地音传感器设置于待监测矿山地表以下目标位置，与智能灾害源分析仪连接，用于获取地音信号，将所述地音信号发送给所述智能灾害源分析仪；智能灾害源分析仪分别与数字微震传感器、数字地音传感器和数据处理监控中心连接，用于对接收到的所述微振信号和所述地音信号进行实时分析和处理，将经分析和处理过的信号数据发送给数据处理监控中心；数据处理监控中心基于分析和处理过的信号数据进行信号数据后期分析，基于后期分析的信号数据进行辅助决策和实时智能预警。本发明实施例将微震监测技术和地音监测技术结合，融合传感技术、微电子技术、数字信号处理技术与计算机通信技术等研制一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，实现矿山动力灾害实时综合监测。
在本发明上述实施例的基础上，提供一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，所述数字微震传感器包括微震传感器、采集电路、通信电路和微处理器；微震传感器与采集电路连接；微处理器分别与采集电路和通信电路连接。
需要说明的是，针对矿山动力灾害监测的特点，拟将微震监测技术和地音监测技术结合，构成一个多参量综合预警系统。基于传感器一体化的设计思想，分别针对微震信号的不同特点，研制集传感器、采集电路、通信电路、微处理器等于一体的低功耗数字传感器。数字传感器的主要功能是实现动力源信号的拾取、采集、存储和数字化输出，其硬件主要由传感器(包括微震传感器、地音传感器)、信号调理电路、模数转换电路、微处理器、存储卡和通信接口等组成，数字传感器的结构如图2所示。
在本发明任意上述具体实施例的基础上，提供一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，所述系统还包括交换机；所述数据处理监控中心基于交换机与各智能灾害源分析仪连接。
需要说明的是，由于监测系统数据传输量大，拟采用基于以太网的光纤通信技术实现系统控制与数据传输，整个系统自组成一个通信网络，其中智能灾害源分析仪可与若干数字传感器构成一个相对独立的子系统，而分布于不同监测区域的子系统又可通过地面交换机与控制处理中心进行通信，从而构成一个完整的监测系统。在由灾害源分析仪与数字传感器构成的子系统中，数字传感器的数量可根据需要方便地增加或减少，同时子系统的数量也可根据监测区域的需要方便地增加或减少，各子系统之间通过地面控制处理中心发来的GPS授时信号实现同步控制。
本发明实施例将微震监测技术和地音监测技术结合，融合传感技术、微电子技术、数字信号处理技术与计算机通信技术等研制一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，实现矿山动力灾害实时综合监测。
在本发明任意上述具体实施例的基础上，提供全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，所述数据处理监控中心通过发送GPS授时信号实现对各智能灾害源分析仪进行同步控制。
需要说明的是，微震是指由岩石破裂或流体扰动产生微小的震动。广义上的微震可以分为两大类：工程生产上的微震(microseism)和自然产生的微地震(microearthquake)。前者震级一般在－2至2之间。这类微震是由人为生产施工导致岩石破裂产生的。如油田压裂微震监测技术，矿山安全生产微震监测预警系统、水电站大坝微震监测系统等等。后者是由天然应力场的变化引起岩石破裂或者岩浆、雨水等流体扰动引起孔压变化产生的。
长期的矿山动力灾害防治工作和科学研究表明，采矿活动引起的震动现象可分为2种：一种是震动比较强烈的、震动频率通常小于150Hz事件，属于微震(简称MS)范畴，它是随着煤岩体被逐渐加压，其内在微缺陷被压裂、扩展或闭合，当裂纹扩展到一定规模、煤岩体受载强度接近其破坏强度时，开始出现大范围裂隙贯通并产生破坏的现象；另一种是震动能量比较弱的，一般为0～103J，震动频率高，通常大于150Hz而小于3 000Hz的事件，则视为地音(简称AE)现象，实验室又称声发射现象。
本发明实施例将微震监测技术和地音监测技术结合，融合传感技术、微电子技术、数字信号处理技术与计算机通信技术等研制一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统。
在本发明任意上述具体实施例的基础上，提供全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，所述微震信号为0-150Hz。
在本发明任意上述具体实施例的基础上，提供全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，所述地音信号为150-3000Hz。
需要说明的是，地音是采空区地层压力改变所产生的微弱地音(岩石破裂声)。本发明实施例将微震监测技术和地音监测技术结合，融合传感技术、微电子技术、数字信号处理技术与计算机通信技术等研制一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，实现矿山动力灾害实时综合监测及预警。
为解决现有技术中的至少一个问题，提供一种全数字矿山动力灾害综合监测预警方法，如图4所示，整体上包括以下步骤：
步骤S1，采集待监测矿山地表以下目标位置的微震信号和地音信号；
步骤S2，对接收到的所述微振信号和所述地音信号进行实时分析和处理，将经分析和处理过的信号数据发送给数据处理监控中心；
步骤S3，基于分析和处理过的信号数据进行信号数据后期分析，基于后期分析的信号数据进行辅助决策和实时智能预警。
需要说明的是，针对矿山动力灾害监测的特点，本发明实施例将微震监测技术和地音监测技术结合，融合传感技术、微电子技术、数字信号处理技术与计算机通信技术等研制一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统。
其中，系统硬件部分主要由数字微震传感器、数字地音传感器、智能灾害源分析仪、数据处理监控中心、网络交换机等构成。本方面实施例首先从前端信号接收的微震传感器、地音传感器的数字化入手，实现不同频段、不同量级信号的(0-150Hz的低频段微震信号、150-3000Hz的地音信号)的可靠接收和直接数字化，通过建立井下灾害源分析仪，实现对数字传感器采集的信号进行实时分析和处理，位于地面的数据处理中心用于对位于井下的各灾害源分析仪进行控制、数据后期分析，辅助决策，实时智能预警。
进一步的，由于监测系统数据传输量大，可以采用基于以太网的光纤通信技术实现系统控制与数据传输，整个系统自组成一个通信网络，其中智能灾害源分析仪可与若干数字传感器(包括数字微震传感器和数字地音传感器)构成一个相对独立的子系统，而分布于不同监测区域的子系统又可通过地面交换机与数据处理监控中心进行通信，从而构成一个完整的全数字矿山动力灾害综合监测预警系统。在由智能灾害源分析仪与数字传感器构成的数据分析子系统中，数字传感器的数量可根据需要方便地增加或减少，同时数据分析子系统的数量也可根据监测区域的需要方便地增加或减少，各数据分析子系统之间通过数据处理监控中心发来的GPS授时信号实现同步控制。
本发明实施例提供一种全数字矿山动力灾害综合监测预警方法，包括以下步骤：采集待监测矿山地表以下目标位置的微震信号和地音信号；对接收到的所述微震信号和所述地音信号进行实时分析和处理，将经分析和处理过的信号数据发送给数据处理监控中心；数据处理监控中心基于分析和处理过的信号数据进行信号数据后期分析，基于后期分析的信号数据进行辅助决策和实时智能预警。本发明实施例将微震监测技术和地音监测技术结合，融合传感技术、微电子技术、数字信号处理技术与计算机通信技术等研制一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，实现矿山动力灾害实时综合监测及预警。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是便携式计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，其特征在于，包括数据处理监控中心和若干个数据分析子系统；所述数据分析子系统包括数字微震传感器、数字地音传感器和智能灾害源分析仪；
数字微震传感器设置于待监测矿山地表以下目标位置，与智能灾害源分析仪连接，用于获取微震信号，将所述微震信号发送给所述智能灾害源分析仪；
数字地音传感器设置于待监测矿山地表以下目标位置，与智能灾害源分析仪连接，用于获取地音信号，将所述地音信号发送给所述智能灾害源分析仪；
智能灾害源分析仪分别与数字微震传感器、数字地音传感器和数据处理监控中心连接，用于对接收到的所述微震信号和所述地音信号进行实时分析和处理，将经分析和处理过的信号数据发送给数据处理监控中心；
数据处理监控中心基于分析和处理过的信号数据进行信号数据后期分析，基于后期分析的信号数据进行辅助决策和实时智能预警；
所述综合监测预警系统针对微震信号的不同特点，研制集传感器、采集电路、通信电路和微处理器于一体的低功耗数字传感器；所述数字传感器的功能是实现动力源信号的拾取、采集、存储和数字化输出；
所述综合监测预警系统将微震监测技术和地音监测技术结合，融合了传感技术、微电子技术、数字信号处理技术与计算机通信技术；首先从前端信号接收的微震传感器和地音传感器的数字化入手，实现不同频段、不同量级信号的可靠接收和直接数字化，通过建立井下灾害源分析仪，实现对数字传感器采集的信号进行实时分析和处理，位于地面的数据处理监控中心用于对位于井下的各灾害源分析仪进行控制、数据后期分析，辅助决策，实时智能预警；
由于监测系统数据传输量大，采用基于以太网的光纤通信技术实现系统控制与数据传输，整个系统自组成一个通信网络，其中智能灾害源分析仪与若干数字传感器构成一个相对独立的数据分析子系统，而分布于不同监测区域的数据分析子系统又通过地面交换机与数据处理监控中心进行通信，从而构成一个完整的全数字矿山动力灾害综合监测预警系统；在由智能灾害源分析仪与数字传感器构成的数据分析子系统中，数字传感器的数量可根据需要方便地增加或减少，同时数据分析子系统的数量也可根据监测区域的需要方便地增加或减少，各数据分析子系统之间通过数据处理监控中心发来的GPS授时信号实现同步控制。
2.根据权利要求1所述的全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，其特征在于，所述数字微震传感器包括微震传感器、采集电路、通信电路和微处理器；
微震传感器与采集电路连接；
微处理器分别与采集电路和通信电路连接。
3.根据权利要求1所述的全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，其特征在于，所述数字地音传感器包括地音传感器、采集电路、通信电路和微处理器；
地音传感器与采集电路连接；
微处理器分别与采集电路和通信电路连接。
4.根据权利要求1所述的全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，其特征在于，所述微震信号为0-150Hz。
5.根据权利要求1所述的全数字矿山动力灾害综合监测预警系统，其特征在于，所述地音信号为150-3000Hz。
6.一种全数字矿山动力灾害综合监测预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集待监测矿山地表以下目标位置的微震信号和地音信号；
对接收到的所述微震信号和所述地音信号进行实时分析和处理，将经分析和处理过的信号数据发送给数据处理监控中心；
基于分析和处理过的信号数据进行信号数据后期分析，基于后期分析的信号数据进行辅助决策和实时智能预警；
针对微震信号的不同特点，研制集传感器、采集电路、通信电路和微处理器于一体的低功耗数字传感器；所述数字传感器的功能是实现动力源信号的拾取、采集、存储和数字化输出；
所述综合监测预警方法将微震监测技术和地音监测技术结合，融合了传感技术、微电子技术、数字信号处理技术与计算机通信技术；首先从前端信号接收的微震传感器和地音传感器的数字化入手，实现不同频段、不同量级信号的可靠接收和直接数字化，通过建立井下灾害源分析仪，实现对数字传感器采集的信号进行实时分析和处理，位于地面的数据处理监控中心用于对位于井下的各灾害源分析仪进行控制、数据后期分析，辅助决策，实时智能预警；
由于监测系统数据传输量大，采用基于以太网的光纤通信技术实现系统控制与数据传输，整个系统自组成一个通信网络，其中智能灾害源分析仪与若干数字传感器构成一个相对独立的数据分析子系统，而分布于不同监测区域的数据分析子系统又通过地面交换机与数据处理监控中心进行通信，从而构成一个完整的全数字矿山动力灾害综合监测预警系统；在由智能灾害源分析仪与数字传感器构成的数据分析子系统中，数字传感器的数量可根据需要方便地增加或减少，同时数据分析子系统的数量也可根据监测区域的需要方便地增加或减少，各数据分析子系统之间通过数据处理监控中心发来的GPS授时信号实现同步控制。
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