CN110320551A - 矿井工作面全波场数据采集系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种矿井工作面全波场数据采集系统及方法，所述系统包括微机电传感单元，用于获取沿着矿井工作面顶底板传播的体波和沿煤层中传播的槽波，将所述体波和所述槽波转化为差分信号的模拟量，将转化后的体波和槽波发送给所述全波数据采集单元；所述全波数据采集单元将转化为模拟量的体波和槽波转化为数字信号；智能控制分析仪基于转化为数字信号的体波和槽波，生成并展示矿井工作面全波图形。通过高精度的模数转换器转换为数字信号后输出到高性能智能控制分析仪，提高了数据的精度。

Description

矿井工作面全波场数据采集系统及方法

技术领域

本发明涉及地球物理勘探科学与工程技术领域，尤其涉及一种矿井工作面全波场数据采集系统及方法。

背景技术

煤炭是我国的主体能源，煤矿生产安全备受全社会关注。我国煤炭资源赋存地质条件差、隐蔽致灾地质因素多，迫切需要超前精细查明隐蔽地质异常体的分布。目前，地面地质勘探只能控制落差≥30m的断层，煤矿采区三维地震勘探在适宜条件下仅能控制落差≥5m的断层、直径≥20m的陷落柱等，矿井物探的探测深度、精度与可靠性及时效性等也不能完全满足煤矿生产的需求。

传统的传感器多采用动圈式检波器，其抗干扰能力弱，灵敏度低，没有智能功能，并且多数为单方向或者双方向的检波器。随着高分辨率勘探的深入，对地震数据采集质量提出了新的要求，特别是宽频、高保真、高信噪比的低成本采集要求越来越迫切。

发明内容

本发明实施例提供一种矿井工作面全波场数据采集系统及方法，用以解决现有技术中数据传输过程中的丢包错包问题，提升了数据传输的速度和可靠性，且可以控制整个采集系统，为致灾因子的检测提供了智能化平台，保障了煤矿的安全生产，具有广泛的应用前景。

本发明实施例提供一种矿井工作面全波场数据采集系统，包括：多个微机电传感单元、全波数据采集单元和智能控制分析仪；

所述各微机电传感单元与全波数据采集单元连接，用于获取沿着矿井工作面顶底板传播的体波和沿煤层中传播的槽波，将所述体波和所述槽波转化为差分信号的模拟量，将转化后的体波和槽波发送给所述全波数据采集单元；

所述全波数据采集单元将转化为模拟量的体波和槽波转化为数字信号，并将转化为数字信号的体波和槽波发送给智能控制分析仪；

智能控制分析仪基于转化为数字信号的体波和槽波，生成并展示矿井工作面全波图形。

进一步地，微机电传感单元由三分量微机电传感器、信号调理模块、封装载体组成；

三分量微机电传感器以笛卡尔坐标安装于封装载体上；

三分量微机电传感器与信号调理模块连接。

进一步地，多个三分量微机电传感器所组成的阵列获取来自矿井工作面的震动信号，经信号调理后通过屏蔽电缆传输到全波数据采集单元。

进一步地，各全波数据采集单元同步将转化为模拟量的体波和槽波转化为数字信号；将转化为数字信号的体波和槽波通过传输线传输到交换机，交换机再将来自全波数据采集单元的数字信号转发到智能控制分析仪。

进一步地，所述微机电传感单元的封装载体上安装有三块在空间上相互垂直的微机电传感器。

进一步地，各所述全波数据采集单元拥有唯一的IP地址和端口号，通过TCP/IP协议与智能控制分析仪通信，将转化为数字信号的体波和槽波发送给智能控制分析仪。

进一步地，所述三分量微机电传感器安装在传感器封装载体上，所述传感器封装载体基于拼接式工作面耦合尾椎固定在矿井工作面上。

本发明实施例提供一种矿井工作面全波场数据采集方法，包括：

获取沿着矿井工作面顶底板传播的体波和沿煤层中传播的槽波，将所述体波和所述槽波转化为差分信号的模拟量；

将转化为模拟量的体波和槽波转化为数字信号；

基于转化为数字信号的体波和槽波，生成并展示矿井工作面全波图形。

本发明实施例提供的矿井工作面全波场数据采集系统及方法，通过三个方向微机电传感器响应沿着工作面顶底板传播的体波和沿煤层中传播的槽波，然后将模拟信号差分输入到全波数据采集单元，极大限度地抑制了环境噪声及其他干扰源的影响，通过高精度的模数转换器转换为数字信号输出到高性能智能控制分析仪，提高了数据的精度。

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为本发明矿井工作面全波场数据采集系统实施例整体结构示意图；

图2为本发明矿井工作面全波场数据采集系统实施例具体结构示意图；

图3为本发明矿井工作面全波场数据采集系统中微电机传感器实施例具体结构示意图；

图4为本发明矿井工作面全波场数据采集系统中微机电传感器封装载体实施例具体结构示意图；

图5为本发明矿井工作面全波场数据采集系统中微电机传感单元耦合尾椎实施例具体结构示意图；

图6为本发明矿井工作面全波场数据采集方法实施例整体流程示意图。

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，提供一种矿井工作面全波场数据采集系统。如图1所示，所述矿井工作面全波场数据采集系统，包括：多个微机电传感单元00、全波数据采集单元10和智能控制分析仪20；

所述各微机电传感单元00与全波数据采集单元10连接，用于获取沿着矿井工作面顶底板传播的体波和沿煤层中传播的槽波，将所述体波和所述槽波转化为差分信号的模拟量，将转化后的体波和槽波发送给所述全波数据采集单元10；

所述全波数据采集单元10将转化为模拟量的体波和槽波转化为数字信号，并将转化为数字信号的体波和槽波发送给智能控制分析仪20；

智能控制分析仪20基于转化为数字信号的体波和槽波，生成并展示矿井工作面全波图形。

其中全波数据采集单元具有高精度、宽频带的数据采集、存储和数据传输功能，全波数据采集单元是集成在一块电路板上的完整计算机系统，有唯一的IP地址和端口号，按照设计的程序工作，用于控制数据采集的点数、采集的频率、采集的道数以及数据的读取、存储和数据传输工作，全波数据采集单元可根据需求进行增加；智能控制分析仪为一内置监控、通讯、显示、存储、格式转换、预处理、多波解析与层析成像、智能识别软件的高性能嵌入式系统，智能控制分析仪与各个全波数据采集单元通过TCP/IP协议通信，通过识别IP地址和端口号可以和任何的全波数据采集单元进行通信，所有的数据和命令都通过光纤进行传输，智能控制分析仪采集的控制与数据处理由配套开发的软件来完成，智能控制分析仪(简称主机)通过友好的人机界面和通信接口向各个全波数据采集单元发布命令，全波数据采集单元按照发布的命令控制各微机电传感单元工作，各微机电传感单元将接收到的波形信号转化为差分信号的模拟量，通过屏蔽电缆传输给全波数据采集单元，将差分模拟信号转化为数字信号，并对数据进行初步的处理，再经由交换机传输给智能控制分析仪，主机在主视窗口中显示接收数据的波形图，并以自定义的格式存储，同时还可对数据进行标准格式的转化。

智能控制分析仪内置的软件主要包括：实时监控模块、TCP/IP网络通信模块、记录储存模块、预处理模块、数据处理模块、多波解析和可视化模块；智能控制分析仪的功能一方面通过TCP/IP协议和全波数据采集单元通信，向各个全波数据采集单元发布命令，控制数据采集的点数、采集频率和采集道数，接收来自全波数据采集单元的数据，并且可以对数据进行格式转化；另一方面就是进行数据预处理和数据处理，将其处理的成果实现可视化。

全波数据采集单元是将模数转换、采集控制、存储和通信电路集成于一体；有唯一的IP地址和端口号，全波数据采集单元可以按照要求采集来自微机电传感单元的模拟信号，将模拟信号转换为数字信号后以自定义的格式存储和传输，在硬件保持不变的情况下，可以通过软件设置采集道数，既可以应用于矿井工作面全波场数据采集，也可以用于常规勘探的单分量和双分量数据采集。全波数据采集单元与微机电传感单元通过屏蔽电缆连接，微机电传感是差分量输出，有效地屏蔽了外来干扰。

智能控制分析仪通过TCP/IP协议与全波数据采集单元实现双工通信，既可以进行数据传输，又可以实时发布命令，由于每个全波数据采集单元有唯一的IP地址和端口号，因此智能控制分析仪可以对任意的全波数据采集单元进行通信。

由于井下工作环境复杂，全波数据采集单元自带数据存储的功能，可以将采集到的数据不进行实时传输，以避免网络拥塞，等待网络状态好的时候进行传输；同时由于采用TCP/IP协议进行传输，可以实现在数据包出现乱包、丢包的情况下，自动发起重传功能，提高了数据的稳定性和可靠性。

需要说明的是，本发明实施例在基于传统探测技术和探测装备在探测深度、精度与可靠性及时效性不能满足煤矿安全生产的基础上，发明了矿井工作面全波场数据采集系统。该发明通过微机电传感单元接收到沿着工作面顶底板传播的体波和沿煤层中传播的槽波，然后转化为差分信号的模拟量，通过屏蔽电缆传送到全波数据采集单元中，在全波数据采集单元中转化为数字信号，最终基于TCP/IP协议传输到智能控制分析仪，并在智能控制分析仪中显示出所接收到全波的图形。系统采用基于TCP/IP协议的传输方式，避免了数据传输过程中的丢包、错包问题，提升了数据传输的速度和可靠性，且智能控制分析仪可以控制分布于不同位置的多个全波数据采集单元，为致灾因子的检测提供了智能化平台，保障了煤矿的安全生产，具有广泛的应用前景。

在本发明上述实施例的基础上，提供一种矿井工作面全波场数据采集系统，微机电传感单元由三分量微机电传感器、电源模块、信号调理模块、封装载体组成；

三分量微机电传感器以笛卡尔坐标安装于封装载体内；

三分量微机电传感器与信号调理模块连接。

需要说明的是，其中微机电传感器将检测质量块作为电容的移动极板，采用悬臂梁、固支梁或挠性轴结构支撑质量块，再在相对方向上加一块固定极板，质量块在有加速度时上下运动，产生的力绕梁的固定端形成一个力矩，力矩使质量块发生位移，导致电容极板间距发生变化，使电容大小改变，通过检测电容的变化，就可以得到输入加速度的情况，进而得到地震波的数据。

微机电传感单元由三分量微机电传感器、电源模块、信号调理模块、封装载体组成，三分量传感器以笛卡尔坐标封装于载体内，具有宽频、高灵敏度与非线性响应好的特征，可接收分辨不同传播路径的P波、S波及它们在低速煤层中干涉叠加形成的槽波。

分布于工作面的微机电传感器阵列感应来自工作面的震动信号，经信号调理后由屏蔽电缆传输到各采集单元，各采集单元同步采集得到的数据通过传输线传输到交换机，交换机再将来自不同采集单元的数据转发到智能控制分析仪，由智能分析仪进行显示、存储、格式转换及数据处理，交换机可根据采集范围的不同灵活配置，交换机具有光信号和电信号传输接口；整个系统具有高性能、低功耗、抗干扰、高保真及可扩充的特点，能按照设计的观测系统对煤岩层中纵波、横波及瑞利型、拉夫型槽波进行全波场接收，现场实时显示并监控数据质量，能够适时进行处理分析，并利用解析数据进行层析成像，根据异常的属性分布特征，综合分析智能识别隐蔽地质因素类型与性质，为煤矿安全高效开采提供支撑。

在本发明任一上述实施例的基础上，提供一种矿井工作面全波场数据采集系统，各全波数据采集单元同步将转化为模拟量的体波和槽波转化为数字信号；将转化为数字信号的体波和槽波通过传输线传输到交换机，交换机再将来自全波数据采集单元的数字信号转发到智能控制分析仪。

需要说明的是，分布于工作面的三分量微机电传感器阵列感应来自工作面的震动信号，经信号调理由屏蔽电缆传输到各采集单元，各采集单元同步采集得到的数据通过传输线传输到交换机，交换机再将来自不同采集单元的数据转发到智能控制分析仪，由智能分析仪进行显示、存储、格式转换及数据处理，交换机可根据采集范围的不同灵活配置；整个系统具有高性能、低功耗、抗干扰、高保真及可扩充的特点，能按照设计的观测系统对煤岩层中纵波、横波及瑞利型、拉夫型槽波进行全波场接收，现场实时显示并监控数据质量，能够适时进行处理分析，并利用解析数据进行层析成像，根据异常的属性分布特征，智能识别隐蔽地质因素类型与性质，为煤矿安全高效开采提供支撑。

在本发明任一上述具体实施例的基础上，提供一种矿井工作面全波场数据采集系统，其特征在于，所述三分量微机电传感器的搭载台上安装有三块在空间上相互垂直的微机电传感器。

需要说明的是，三分量微机电传感器载体上安装有三块在空间上相互垂直的微机电传感器，实现了真正的三分量微机电传感器。三分量传感器以笛卡尔坐标封装于载体内，具有宽频、高灵敏度与非线性响应好的特征，可接收分辨不同传播路径的P波、S波及它们在低速煤层中干涉叠加形成的槽波。

在本发明任一上述具体实施例的基础上，提供一种矿井工作面全波场数据采集系统，各所述全波数据采集单元拥有唯一的IP地址和端口号，通过TCP/IP协议与智能控制分析仪通信，将转化为数字信号的体波和槽波发送给智能控制分析仪。

在本发明任一上述具体实施例的基础上，提供一种矿井工作面全波场数据采集系统，所述三分量微机电传感器安装在传感器封装载体内，所述传感器封装载体基于拼接式工作面耦合尾椎固定在矿井工作面上。

在本发明任一上述具体实施例的基础上，结合图2、3、4和5对本发明实施例一种矿井工作面全波场数据采集系统进行详细的说明。

如图2所示，本发明实施例包括微机电传感器1、微电机传感器载体5、防爆封装外壳6、拼接式工作面耦合尾椎7、屏蔽电缆14、全波数据采集单元10、光纤19、智能控制分析仪20和交换机21。全波数据采集单元10进一步包括全波数据采集单元的数据输入通道16、全波数据采集单元的数据转换器17和全波数据采集单元的数据输出通道18。

如图3所示，1为微机电传感器，2为微机电传感器电源，3为微机电传感器的信号输出端。

如图4所示，5为微电机传感器载体、6为防爆封装外壳、8为耦合尾椎螺丝、9为耦合尾椎螺母、12为耦合尾椎椎尖。

根据矿井工作面的特点以及探测对象的特征，对拼接式工作面耦合尾椎7先进行处理，如图5所示，拼接式工作面耦合尾椎7是可拼接的，根据所测煤岩层的特征对拼接式尾椎主体13进行拼接，拼接式尾椎主体13长50cm，多个拼接式尾椎主体13的拼接可将尾椎深入煤岩层，并且尾椎上有耦合尾椎锤击条10，在遇到坚硬的煤岩层时可利用锤击方便尾椎进入煤岩层。8为耦合尾椎螺丝、9为耦合尾椎螺母、10为耦合尾椎锤击条、11为耦合尾椎内嵌螺母、12为耦合尾椎椎尖。

所述微机电传感器1安装在三分量微机电传感器载体5上，三个微机电传感器相互垂直，再封装于防爆外壳内构成三分量微电机传感单元6，并在防爆外壳封装的三分量微电机传单元6的底面安装拼接式工作面耦合尾椎7。

所述微机电传感器1设置有微机电传感器电源输入端口2和微机电传感器的信号输出端口3，分别用于微机电传感器供电输入和数据输出。

所述全波数据采集单元15设置有全波数据采集单元的数据输入通道16、全波数据采集单元的数据输出通道18、全波数据采集单元的数据转换器17三个部分。

所述全波数据采集单元的数据输入通道16通过屏蔽电缆14分别与三个相互垂直方向的微机电传感器的信号输出端口3相连接。

所述全波数据采集单元的数据输出通道18通过光纤19和和交换机21与智能控制分析仪20通信。

所述全波数据采集单元15将转换后的数字信号经光纤19传输给智能控制分析仪20，主要作用是通过智能控制分析仪20进行分析和波形显示；所述全波数据采集单元15是将数据采集、模数转换、系统控制和通信电路集成于一体，有唯一的IP地址和端口号，通过TCP/IP协议和智能控制分析仪通信。

下面对本发明实施例矿井工作面全波场数据采集系统实施步骤进行说明。

首先以智能化、一体化的设计思路完成装备电气部分的组成结构，即把地震信号的采集控制和模数转换放到系统的最前端形成全波数据采集单元15，其内部有两个接口：即全波数据采集单元的数据输入接口16、全波数据采集单元的数据输出接口18，分别用于接收三分量微电机传感单元6传输来的数据，经过全波数据采集单元的数据转器17的处理，将模拟信号转化为数字信号，通过数据输出接口18把数据经由光纤19和交换机21传输给智能控制分析仪20。

具体实施时要根据矿井工作面的特点以及探测对象的特征，对拼接式工作面耦合尾椎7先进行处理，拼接成合适的长度。

具体实施还要根据矿井工作面以及客户要求进行串联或者并联多个防爆外壳封装的三分量微电机传感单元6，分布于不同位置的全波数据采集单元15分别通过光纤19连接到交换机21的端口上，交换机21的一个端口与智能控制分析仪20连接。

智能控制分析仪20内置控制、通讯、和数据处理等功能的集成一体化的软件，操作开始前，要在命令窗口对各全波数据采集单元15发布命令，包括设置采集参数、采集数据、发送数据等命令，命令发送完后，进入侦听状态；接收到来自不同IP地址和端口号数据后，智能控制分析仪20又可通过软件数据处理模块对数据进行处理，把同样IP地址同样端口号的数据进行归类，最后通过软件可视化模块成图。

由于井下工作环境复杂，全波数据采集单元15又自带数据存储的功能，可以将采集到的数据不进行实时传输，以避免网络拥塞，等待网络状态好的时候进行传输；同时由于采用TCP/IP协议进行传输，可以实现在数据包出现乱包、丢包的情况下，自动发起重传功能，提高了数据的稳定性和可靠性。

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矿井工作面全波场数据采集方法，如图6所示，包括以下步骤：

步骤S1，获取沿着矿井工作面顶底板传播的体波和沿煤层中传播的槽波，将所述体波和所述槽波转化为差分信号的模拟量；

步骤S2，将转化为模拟量的体波和槽波转化为数字信号；

步骤S3，基于转化为数字信号的体波和槽波，生成并展示矿井工作面全波图形。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

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，包括若干指令用以控制一台电子设备(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 (8)

1.一种矿井工作面全波场数据采集系统，其特征在于，包括：多个微机电传感单元、全波数据采集单元和智能控制分析仪；

所述各微机电传感单元与全波数据采集单元连接，用于获取沿着矿井工作面顶底板传播的体波和沿煤层中传播的槽波，将所述体波和所述槽波转化为差分信号的模拟量，将转化后的体波和槽波发送给所述全波数据采集单元；

所述全波数据采集单元将转化为模拟量的体波和槽波转化为数字信号，并将转化为数字信号的体波和槽波发送给智能控制分析仪；

智能控制分析仪基于转化为数字信号的体波和槽波，生成并展示矿井工作面全波图形。

2.根据权利要求1所述的矿井工作面全波场数据采集系统，其特征在于，微机电传感单元由三分量微机电传感器、信号调理模块、封装载体组成；

三分量微机电传感器以笛卡尔坐标安装于封装载体内；

三分量微机电传感器与信号调理模块连接。

3.根据权利要求2所述的矿井工作面全波场数据采集系统，其特征在于，多个三分量微机电传感器所组成的阵列获取来自矿井工作面的震动信号，经信号调理后通过屏蔽电缆传输到全波数据采集单元。

4.根据权利要求3所述的矿井工作面全波场数据采集系统，其特征在于，各全波数据采集单元同步将转化为模拟量的体波和槽波转化为数字信号；将转化为数字信号的体波和槽波通过传输线传输到交换机，交换机再将来自各全波数据采集单元的数字信号转发到智能控制分析仪。

5.根据权利要求2所述的矿井工作面全波场数据采集系统，其特征在于，所述微机电传感单元的载体上安装有三块在空间上相互垂直的微机电传感器。

6.根据权利要求1所述的矿井工作面全波场数据采集系统，其特征在于，各所述全波数据采集单元拥有唯一的IP地址和端口号，通过TCP/IP协议与智能控制分析仪通信，将转化为数字信号的体波和槽波发送给智能控制分析仪。

7.根据权利要求2所述的矿井工作面全波场数据采集方法，其特征在于，所述三分量微机电传感器安装在传感器封装载体上，所述传感器封装载体基于拼接式工作面耦合尾椎固定在矿井工作面上。

8.一种矿井工作面全波场数据采集方法，其特征在于，包括：

获取沿着矿井工作面顶底板传播的体波和沿煤层中传播的槽波，将所述体波和所述槽波转化为差分信号的模拟量；

将转化为模拟量的体波和槽波转化为数字信号；

基于转化为数字信号的体波和槽波，生成并展示矿井工作面全波图形。