CN112859158B

CN112859158B - 一种基于主动震源携波的透地通讯方法及系统

Info

Publication number: CN112859158B
Application number: CN202110127701.1A
Authority: CN
Inventors: 董陇军; 唐正
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2021-01-29
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2022-04-29
Anticipated expiration: 2041-01-29
Also published as: CN112859158A

Abstract

本发明公开了一种基于主动震源携波的透地通讯方法及系统，其中透地通讯方法为：步骤1，将地表调度中心作为地表一级台站，在地表一级台站对调度指令进行编码；根据得到的信息编码驱动本台站的主动震源释放地震波，实现调制得到调度指令已调信号；得到的调度指令已调信号基于地震波传递至次级各台站；步骤2，当次级各台站的微震监测传感器接收到调度指令已调信号时，对其进行解调和解码得到调度指令，并在当前中段内对调度指令进行扩散；步骤3，若次级各台站均不是目标中段台站，则次级各台站均继续执行：对通讯重新编码调制并以不同频率的地震波传递，直到目标中段台站最终得到调度指令。本发明可以借助微震/地声监测系统实现透地通讯。

Description

一种基于主动震源携波的透地通讯方法及系统

技术领域

本发明属于岩体微震监测技术领域及通信技术领域，涉及一种主动震源携波的透地通讯方法及系统。

背景技术

随着浅部资源的逐年减少和枯竭，国内外矿产资源的开采正向深部发展，处于高应力状态下的岩体易受爆破等工程扰动的影响，使其应力状态发生变化整体进入不稳定状态，而岩体中储存的弹性势能在岩体发生非弹性变形的过程中以地震波的形势释放，严重的还会导致岩体工程大面积垮塌，极大地影响资源可持续开采。微震监测技术作为一种可以实时采集岩体内部发射出携带震源信息的地震波的地压监测手段，通过定位、反演等技术手段间接获取岩体的破裂信息和其赋存环境的稳定性状况，及时安排潜在失稳区域工作人员撤离和布置调控措施。因此，微震监测技术已成为深部资源开采中有效的监测手段之一。

目前国内开采深度超1000m的矿井逐年增多，浅部至深部的转化同样带来了挑战，其中深部开采中的异常区域探测以及透地通讯问题并没有得到很好的解决。其一，不同矿山根据其开采金属的成矿特征、稀有度、赋存条件进行的开拓工程不尽相同，这导致在大规模生产铁、铜金属的矿山已经步入现代无轨化运输模型，打孔、回采利用凿岩台车的矿山比比皆是，相反对于矿脉较薄、赋存条件较为复杂的金等稀有金属矿山仍然采用的是有轨运输，不仅影响了出矿生产能力，同时也限制了先进探测、采掘及支护设备的应用；其二，现有通讯系统仅支持单向通讯例如美国、澳大利亚等国家配备的PED系统，只能将信息从井上传递至井下，无法得知井下开采进度、失稳区域垮塌现状甚至是遇难人员位置信息，难以做出针对性的施工组织或救援疏散方案，再加之井下通讯网络布设比较困难且会对施工产生干扰，现有通讯方式位置固定难以有效传递给具体工作人员，使得管理人员调度工作难以开展。

透地通讯技术的缺乏导致救援进展缓慢，直到钻孔打通后才能进行通讯，地下矿山应急救援技术的核心是透地通讯。

因此，研发一种适用于矿山异常区域等复杂开采环境的主动震源携波透地通讯的方法及设备是非常有必要的。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种基于主动震源携波的透地通讯方法及系统，可以借助已有微震监测系统实现透地通讯。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于主动震源携波的透地通讯方法，包括以下步骤：

步骤1，将地表调度中心作为地表一级台站，在地表一级台站对调度指令进行编码；根据得到的信息编码驱动本台站的主动震源释放地震波，实现调制得到调度指令已调信号；得到的调度指令已调信号基于地震波传递至次级各台站；

步骤2，当次级各台站的微震监测传感器接收到调度指令已调信号时，对其进行解调和解码得到调度指令，并在当前中段内对调度指令进行扩散；

步骤3，若次级各台站均不是目标中段台站，则次级各台站均继续执行：首先，对得到的调度指令再次编码；然后，根据再次编码得到的信息编码驱动次级台站的主动震源释放地震波，实现调制得到调度指令已调信号；得到的调度指令已调信号基于地震波传递至下一级台站；将下一级台站作为新的次级台站，重复步骤2和步骤3，直到目标中段台站接收到调度指令已调信号，并最终解调解码得到调度指令；

其中，不同台站的主动震源所释放的地震波，频率均不同；

进一步的，若有台站接收不到上一级台站的主动震源释放传递的地震波，或者接收到的地震波不能达到预设条件，则利用该两级台站所在中段的微震监测传感器以及主动震源和/或被动震源，对该两级台站所在中段之间的区域进行波速场结构反演；然后根据反演结果调整上一级台站的主动震源的能量和频率，使之释放的地震波能被其下一级台站接收且接收到的地震波达到预设条件。

进一步的，透地通讯方法还包括：步骤4，当矿区内层作业区域有紧急警报需要发送到地表调度中心时，将紧急警报由当前台站反向传送至地表调度中心，具体包括：

步骤4.1，调整各级台站的主动震源的冲击测点方向；

步骤4.2，在有紧急警报发送的台站对紧急警报进行编码；根据得到的信息编码驱动本台站的主动震源释放地震波，实现调制得到紧急警报已调信号；得到的紧急警报已调信号基于地震波传递至上一级各台站；

步骤4.3，当上一级台站的微震监测传感器接收到紧急警报已调信号时，对其进行解调和解码得到紧急警报，并在当前中段内对紧急警报进行扩散；

步骤4.4，判断各上一级台站是否为地表一级台站，若均不是，则将每个上一级台站均作为当前台站并继续执行：首先，对得到的紧急警报再次编码；然后，根据再次编码得到的信息编码驱动本台站的主动震源释放地震波，实现调制得到紧急警报已调信号；得到的紧急警报已调信号基于地震波传递至上一级各台站；重复步骤4.3和步骤4.4，直到地表一级台站接收到紧急警报已调信号，并最终解调解码得到紧急警报。

进一步的，所述编码具体采用二进制编码；所述调制具体为：使用信息编码以数字调制移幅键控的形式控制主动震源所释放的地震波。

进一步的，主动震源释放地震波的形式包括冲击测点产生地震波的压电陶瓷、机械振动、CO₂相变或电磁振动。

进一步的，次级台站在解调解码得到调度指令后，通过智能设备在当前中段内对调度指令进行显示和扩散。

一种基于主动震源携波的透地通讯系统，包括：地表调度中心的地表一级台站和地表内层分布设置的多级台站，每个台站均包括发射模块和接收模块；

所述发射模块包括文本信息提取模块、文本信息编码模块、自适应调制模块、主动震源模块；所述文本信息提取模块，用于从通讯指令载体中提取出通讯指令文本信息，并以文字为单位、指令为批次的形式将通讯指令文本信息发送给文本信息编码模块；

所述文本信息编码模块，用于：对通讯指令文本信息进行编码得到信息编码；

所述自适应调制模块，用于：根据信息编码驱动本台站的主动震源模块释放地震波，实现调制得到通讯指令已调信号；

其中，不同台站的主动震源所释放的地震波，频率均不同；

所述接收模块包括微震监测传感器、自适应解调解码模块和自适应译码模块；

所述微震监测传感器，用于：采集地震波形式传递的通讯指令已调信号；

所述自适应解调解码模块，用于：对微震监测传感器采集到的通讯指令已调信号进行解调和解码处理，得到文本信息；

所述自适应译码模块，用于：按照指令间的间隔，将解码得到的文本信息组成指令，完成译码得到通讯指令；

所述通讯指令为地表调度中心的调度指令，由地表一级台站按传递优先级，经中间优先级的台站逐级发送至目标中段的台站；

若有台站接收不到上一级台站的主动震源释放传递的地震波，或者接收到的地震波不能达到预设条件，则上一级台站中的智能设备用于：利用该两级台站所在中段的微震监测传感器以及主动震源和/或被动震源，对该两级台站所在中段之间的区域进行波速场结构反演；然后根据反演结果调整本台站的主动震源的能量和频率，使之释放的地震波能被其下一级台站接收且接收到的地震波达到预设条件。

进一步的，所述通讯指令还可以为矿区内层作业区域的紧急警报，由紧急警报待发送的台站按传递优先级，经中间优先级的台站逐级发送至地表一级的台站。

进一步的，所述微震监测传感器还用于对地表内层进行微震监测，以将监测数据通过网络上传至地表调度中心；进一步的，若监测数据异常，且常规网络无法正常使用时，可作为紧急警报通过上述的基于主动震源携波的透地通讯系统上传至地表调度中心。

进一步的，所述接收模块还包括自适应抗干扰模块和自适应去噪模块，分别用于对微震监测传感器采集到的通讯指令已调信号先进行抗干扰和去噪处理，而后再发送给所述自适应解调解码模块进行解调。

进一步的，每个台站还包括智能设备，用于对解码后的通讯指令进行显示和扩散。

进一步的，主动震源模块释放地震波的形式包括冲击测点产生地震波的压电陶瓷、机械振动、CO₂相变或电磁振动。

进一步的，所述智能设备还用于在当前中段内对接收到的调度指令进行显示和扩散。

有益效果

1、利用主动震源产生的地震波实现信息的传递，解决了电磁波传递信息易受电磁扰动影响导致信号丢失甚至传递不到的缺点；

2、传统声波通讯信号收集使用的一般是麦克风等接收器需要二次安装且易损坏、无法二次利用，本发明各台站的接收模块采用微震监测传感器，在开采深度较大的矿山中绝大数已配备微震监测系统，故而可以实现监测传感器的二次利用；

3、采用的是地震波携信息传递，一方面相较于传统电磁波传递信息的方式，节约了成本同时避免了电磁辐射对井下作业人员的伤害，另一方面本发明能同时将电磁波作为通讯源，适用性广，抗干扰能力强；

4、相较于PED等传统通讯系统，本发明提出的通讯方案不受电力、网络等不可抗力因素造成的影响，可实现双向通讯；

5、当相邻两级台站之间受地震波传播路径上的空气、岩体、矿石、水体、破碎带等异常区域地质影响，导致无法正常接收地震波信号进而透地通信受阻时，可以在利用主动震源产生地震波传递信息的同时，通过该两级台站所在中段之间区域的微波监测传感器以及主动震源和/或被动震源，对该区域进行波速场反演，则可以根据反演结果及时调整主动震源的能量及频率，使相邻两级台站之间的透地通信恢复正常，提高本发明基于主动震源携波的透地通讯的通信质量；

6、借助对异常区域的检测功能，能够以一种低成本的方式实现找矿、找水源、找破碎带等失稳区域等一系列探测工作，在发现异常区域后能第一时间通知井下人员集合作业或紧急疏散。

附图说明

图1为一种主动震源携波的透地通讯与探测方法及设备流程示意图；

图2为一种主动震源携波透地通讯方法及设备图；

图3为一种主动震源用于探测异常区域的方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。

实施例1：

随着浅部资源的逐年减少和枯竭，国内外矿产资源的开采正向深部发展，目前国内开采深度超1000m的矿井逐年增多，浅部至深部的转化同样带来了挑战，其中深部开采中的异常区域探测以及透地通讯问题并没有得到很好的解决。其一，不同矿山根据其开采金属的成矿特征、稀有度、赋存条件进行的开拓工程不尽相同，这导致在大规模生产铁、铜金属的矿山已经步入现代无轨化运输模型，打孔、回采利用凿岩台车的矿山比比皆是，相反对于矿脉较薄、赋存条件较为复杂的金等稀有金属矿山仍然采用的是有轨运输，不仅影响了出矿生产能力，同时也限制了先进探测、采掘及支护设备的应用；其二，井下通讯信号不佳、信息传递不到位一直以来影响着生产效率，电话线铺设困难且极易损坏，电话位置固定难以有效传递给具体工作人员，使得管理人员调度工作难以开展，再加之近些年兴起的电磁波信号传递方法局限性较大，在矿井这类电磁干扰较强、环境复杂的条件下难以排除噪音干扰，并且电辐射也会对矿井作业人员产生危害。

长期以来井下通讯作为左右矿井生产效率的一个重要难题，受限于矿井巷道长、井下信号未能覆盖、作业环境复杂难以通知到位等等，为了解决该问题，本实例提供了如图1所示的一种基于主动震源携波的透地通讯方法，应用于地表调度中心的地表一级台站和地表内层分布设置的多级台站构成的透地通信系统之间，且每个台站均包括发射模块和接收模块。具体包括以下步骤：

步骤1，将地表调度中心作为地表一级台站，在地表一级台站对调度指令进行二进制编码；根据得到的信息编码驱动本台站的主动震源释放地震波，实现调制得到调度指令已调信号；得到的调度指令已调信号基于地震波传递至次级各台站。

在具体实例中，地表调度中心将调度指令文本信息进行编码传递至计算机，并通过计算机输入控制主动震源释放的频率，主动震源类型包括但不仅限于实现对测点进行冲击的压电陶瓷、气动震源、CO₂相变、电磁振动以及电火花等等，本发明不作具体限制。

在更优的实施例中，调制通过使用信息编码以数字调制移幅键控的形式控制主动震源释放地震波信号实现，从而将调度指令加载至主动震源释放的地震波中进行传递。除了采用移幅键控的形式进行调制，在其它实施例中还可以：(1)将主动震源冲击测点的过程按照频率划分周期，定义在周期内冲击测点为二进制单位中的1，在周期内无冲击测点为二进制单位中的0；(2)控制主动震源冲击时的冲击力，通过地震波的振幅来达到在相同频率时间内传递两倍信息量；(3)控制主动震源冲击时的冲击力，通过地震波的振幅来达到在相同频率时间内传递两倍信息量。除了以上所述的调制方式，按照某一规则改变波形冲击频率、冲击力大小、地震波波形等方式来达到传递信息地方式均涵盖在本发明中。

步骤2，当次级各台站的微震监测传感器接收到调度指令已调信号时，对其进行解调和解码得到调度指令，并通过智能设备在当前中段内对调度指令进行扩散。

由于地震波的传播距离是有限的，调地表一级台站不一定能够将地震波形式的调度指令已调信号直接传递给目标中段的微震监测传感器，故而通过中间优先级的台站逐级接收和重新调制，方可最终传递至目标中段的微震监测传感器。其中，不同台站的主动震源所释放的地震波，频率均不同，避免信号相互干扰。

另外，根据通讯及探测对象传播距离、环境复杂情况以及生产作业所用通信频段等情况，台站可能接收不到上一级台站的主动震源释放传递的地震波，或者接收到的地震波不能达到预设条件(即通信条件，要求能从地震波形式的通讯指令已调信号中准确解调出通讯指令文本信息)，这样的话相当于相邻级台站不能满足正常通信条件，则有必要调整主动震源的能量及频率，因此，为提高本实施例基于主动震源携波的透地通讯方法的通信质量，在更优实施例中，若有台站接收不到上一级台站的主动震源释放传递的地震波，或者接收到的地震波不能达到预设条件，则利用该两级台站所在中段的微震监测传感器以及主动震源和/或被动震源，对该两级台站所在中段之间的矿山开采区域进行波速场结构反演；然后根据反演结果调整上一级台站的主动震源的能量和频率，使之释放的地震波能被其下一级台站接收且接收到的地震波达到预设通信条件。

其中，对矿山开采区域进行波速场结构反演的方法，可以采用任意现有技术实现，参考图3所示举例，包括以下步骤：

(1)基于初始速度结构模型计算主动震源或被动震源释放地震波的理论走时，其中T_ij为第i个微震监测传感器与第j个震源传播路径L_ij上的理论走时，并根据其与观测值T′_ij的差值求得走时残差ΔT_ij

ΔT_ij＝T_ij-T′_ij

(2)在主动震源反演过程中真实已知量为微震监测传感器的位置、主动震源的位置与触发微震监测传感器时间，构造构建震源参数、传播速度以及走时残差之间的残差方程组：

其中残差方程组中的各项分别为主动震源的位置坐标坐标可能产生的偏移误差，反演主动震源释放时刻产生的误差，速度结构差异引起的误差以及观测误差。

(3)将监测区域划分为D个网格，那么每个传播路径穿过网格的长度可以表示为L_D，那么第i个微震监测传感器接受到的第j个震源释放地震波的走时可以表示为：

T_ij＝∑L_D/V_D

进一步地，将残差方程组中的时间量转变为每个网格中的长度与速度量进行求解。

(4)构建目标函数如下：minG(X,Y,Z,L,T,V)，上述目标函数为非线性拟合问题，通过现有计算方式求解上述方程组，可求得监测区域内每个网格上的波速值，进而生成整个监测区域的波速场。

步骤4，当矿区内层作业区域有紧急警报需要发送到地表调度中心时，比如井下遇突发事件、紧急情况等，且电子设备、固话等通讯设备无法使用时，采集软件无线备用电源自动打开并开始工作，并将紧急警报由当前台站反向传送至地表调度中心，具体包括：

步骤4.1，各级台站的主动震源备用电源自动打开，各级台站的主动震源释放地震波的方向调整为向上一级台站传递直到到地表台站；

实施例2

本实施例提供一种基于主动震源携波的透地通讯系统，包括：地表调度中心的地表一级台站和地表内层分布设置的多级台站，每个台站均包括发射模块、接收模块和智能设备；不台站之间通过发射模块中的主动震源模块释放的地震波进行通信。

所述发射模块包括文本信息提取模块、文本信息编码模块、自适应调制模块、主动震源模块；文本信息编码模块、自适应调制模块、主动震源模块均通过数字信号进行传输，文本信息提取模块与外部接口之间根据对应的数据格式传输。其中：

所述文本信息提取模块，用于从通讯指令载体中提取出通讯指令文本信息，并以文字为单位、指令为批次的形式将通讯指令文本信息发送给文本信息编码模块；

其中，主动震源模块释放地震波的形式包括冲击测点产生地震波的压电陶瓷、机械振动、CO₂相变或电磁振动。

所述微震监测传感器，用于：采集地震波形式传递的通讯指令已调信号，实现两级台站之间通信；

所述自适应抗干扰模块和自适应去噪模块，分别用于对微震监测传感器采集到的通讯指令已调信号先进行抗干扰和去噪处理；

所述智能设备用于各台站对接收模块得到的通讯指令进行显示和扩散。

其中，所述通讯指令为地表调度中心的调度指令，由地表一级台站按传递优先级，经中间优先级的台站逐级发送至目标中段的台站；所述通讯指令还可以为矿区内层作业区域的紧急警报，由紧急警报待发送的台站按传递优先级，经中间优先级的台站逐级发送至地表一级的台站。

本实施例2的基于主动震源携波的透地通讯系统，其工作过程和原理与实施例1所述的基于主动震源携波的透地通讯方法相同，此处不再重复阐述。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims

1.一种基于主动震源携波的透地通讯方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤3，若次级各台站均不是目标中段台站，则次级各台站均继续执行：首先，对得到的调度指令再次编码；然后，根据再次编码得到的信息编码驱动本台站的主动震源释放地震波，实现调制得到调度指令已调信号；得到的调度指令已调信号基于地震波传递至下一级台站；将下一级台站作为新的次级台站，重复步骤2和步骤3，直到目标中段台站接收到调度指令已调信号，并最终解调解码得到调度指令；

其中，不同台站的主动震源所释放的地震波，频率均不同；

若有台站接收不到上一级台站的主动震源释放传递的地震波，或者接收到的地震波不能达到预设条件，则利用该两级台站所在中段的微震监测传感器以及主动震源和/或被动震源，对该两级台站所在中段之间的区域进行波速场结构反演；然后根据反演结果调整上一级台站的主动震源的能量和频率，使之释放的地震波能被其下一级台站接收且接收到的地震波达到预设条件；

步骤4，当矿区内层作业区域有紧急警报需要发送到地表调度中心时，将紧急警报由当前台站反向传送至地表调度中心，具体包括：

步骤4.1，调整各级台站的主动震源的冲击测点方向；

2.根据权利要求1所述的一种基于主动震源携波的透地通讯方法，其特征在于，所述编码具体采用二进制编码；所述调制具体为：使用信息编码以数字调制移幅键控的形式控制主动震源所释放的地震波。

3.根据权利要求1所述的一种基于主动震源携波的透地通讯方法，其特征在于，主动震源释放地震波的形式包括冲击测点产生地震波的压电陶瓷、机械振动、CO₂相变或电磁振动。

4.根据权利要求1所述的一种基于主动震源携波的透地通讯方法，其特征在于，次级台站在解调解码得到调度指令后，通过智能设备在当前中段内对调度指令进行显示和扩散。

5.一种基于主动震源携波的透地通讯系统，其特征在于，包括：地表调度中心的地表一级台站和地表内层分布设置的多级台站，每个台站均包括发射模块、接收模块和智能设备；

其中，不同台站的主动震源所释放的地震波，频率均不同；

若有台站接收不到上一级台站的主动震源释放传递的地震波，或者接收到的地震波不能达到预设条件，则上一级台站中的智能设备用于：利用该两级台站所在中段的微震监测传感器以及主动震源和/或被动震源，对该两级台站所在中段之间的区域进行波速场结构反演；然后根据反演结果调整本台站的主动震源的能量和频率，使之释放的地震波能被其下一级台站接收且接收到的地震波达到预设条件；

所述通讯指令还可以为矿区内层作业区域的紧急警报，由紧急警报待发送的台站按传递优先级，经中间优先级的台站逐级发送至地表一级的台站。

6.根据权利要求5所述的一种基于主动震源携波的透地通讯系统，其特征在于，所述接收模块还包括自适应抗干扰模块和自适应去噪模块，分别用于对微震监测传感器采集到的通讯指令已调信号先进行抗干扰和去噪处理，而后再发送给所述自适应解调解码模块进行解调和解码。

7.根据权利要求5所述的一种基于主动震源携波的透地通讯系统，其特征在于，主动震源模块释放地震波的形式包括冲击测点产生地震波的压电陶瓷、机械振动、CO₂相变或电磁振动。

8.根据权利要求5所述的一种基于主动震源携波的透地通讯系统，其特征在于，所述智能设备还用于在当前中段内对接收到的调度指令进行显示和扩散。