CN204677236U - 一种实时监测矿井塌方系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种实时监测矿井塌方系统，属于矿山监测设备技术领域。该系统由安装在地面安全中心的上位机和若干实时监测簇组成，每一个簇包括一个簇头网关和若干簇员塌方监测器，网关接收塌方检测器的ZigBee信号，并采用有线方式与安装在地面安全中心的上位机通信。本实用新型提供实时监测矿井塌方系统，该监测系统不仅可以有效的监测矿井中是否有塌方产生，而且可以监测出塌方的具体地理信息以及保证塌方信息可以被有效的传递到地面安全中心中。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种实时监测矿井塌方系统，属于矿山监测设备技术领域。
背景技术
塌方是矿井在自然力作用下，出现的塌陷下坠的自然现象。冒顶是采掘空间内或者井下其他工作地点顶板岩层的坠落。在矿井施工中，塌方和冒顶是没有本质区别的。所以在矿井中，这类非人为出现的塌陷、坠落的自然现象经常被联系在一起描述。塌方是矿井施工中最常出现的重大地质灾害，约占各类重大地质灾害的90%以上。例如，我国的成昆线、大秦线、衡广线等，因塌方造成的停工约占总工期的1/4-1/3。因此，塌方是矿井施工中出现最多最大的地质灾害。如何对产生塌方的地域进行实时报警，为救援团队提供更多、更准确的信息（如塌方发生的时间、地理位置等等），成为人们日益关注的问题。
在大量研读国内外有关监测矿井塌方方面的文献之后，发现虽然在理论研究矿井塌方方面成果比较多，但现也存在一些缺陷。例如在专利名称为：矿井塌方报警器（申请号：201220163608.2）中，利用形状记忆合金的电阻特性，连续监测矿井是否有塌方的产生。其监测原理如下：把形状记忆合金铺设于矿井表面。在没有塌方产生时，形状记忆合金呈现母相状态，其电阻值为零，或者为一个接近零的数值；当有塌方产生时，由于形状记忆合金受到塌方位移压力作用而发生相变，其电阻值会变为一个大于零的数。所以可以通过监测形状记忆合金的电阻值是否为零，判断是否有塌方的产生。但由于该方案要把形状记忆合金贯穿整个矿井，当某个地区发生塌方时，就会造成形状记忆合金的电阻发生变化，虽然能监测出是否有塌方的产生，但是监测不出塌方的具体地理位置，不能为后续的救援提供详细信息；并且矿井的巷道是随着生产不断延伸的，如果想要监测新巷道塌方产生情况，需要再次铺设新的形状记忆合金，而且该套方案的链接方式全部是有线链接，线路复杂，在矿井下施工不变，造价较高，易扩展性差，不合适监测大规模矿井的塌方情况。
在专利名为：一种矿山安全报警器（申请号：201220639899.8）中发明了一种矿山塌方报警器。虽然报警器在发生塌方时，会发出报警（声音、灯光），但是报警器只会在的岩石坠落过程中发出报警，一旦报警器坠落到地面，就可能被砸毁，致使报警器无法继续报警。而且该种报警器之间不能相互通信，塌方信息不能被有效传递到地面安全中心中，进而造成更大的安全隐患。
发明内容
为了有效克服现有的监测矿井塌方技术不能提供塌方的具体地理位置信息，以及塌方信息不能被有效的传递到地面安全中心中等缺陷，本实用新型提供实时监测矿井塌方系统，该监测系统不仅可以有效的监测矿井中是否有塌方产生，而且可以监测出塌方的具体地理信息以及保证塌方信息可以被有效的传递到地面安全中心中，本实用新型通过以下技术方案实现。
一种实时监测矿井塌方系统，该系统由安装在地面安全中心的上位机和若干实时监测簇组成，每一个簇包括一个簇头网关和若干簇员塌方监测器，网关包括绝缘外壳Ⅱ4、螺丝孔Ⅱ5和置于绝缘外壳Ⅱ4内部的电路板Ⅱ，每个塌方监测器包括绝缘外壳Ⅰ1、螺丝孔Ⅰ2和置于绝缘外壳Ⅰ内部的电路板Ⅰ，网关中电路板Ⅱ包括微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、以太网MAC控制器DM9000AEP和包含备用锂电池的供电系统Ⅰ，ZigBeeCC2530无线通信模块、以太网MAC控制器DM9000AEP与微型处理器STM32F103ZET6信号连接，包含备用锂电池的供电系统Ⅰ为微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、以太网MAC控制器DM9000AEP提供电源，网关中ZigBeeCC2530无线通信模块网关的天线Ⅱ6位于绝缘外壳Ⅱ4的外部，塌方监测器中的电路板Ⅰ包括微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、重力加速度传感器ADXL335和包含备用锂电池的供电系统Ⅱ，微型处理器STM32F103ZET6与ZigBeeCC2530无线通信模块、重力加速度传感器ADXL335信号连接，包含备用锂电池的供电系统Ⅱ为微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、重力加速度传感器ADXL335提供电源，塌方监测器中的ZigBeeCC2530无线通信模块塌方监测器的天线Ⅰ3位于绝缘外壳Ⅰ1的外部，网关与安装在地面安全中心的上位机有线通讯。
所述每一个簇中一个网关能最多管理254个塌方监测器。
上述网关可以直接与该簇的塌方监测器通信，不需要其它的该簇的其它塌方监测器转发信息。塌方监测器会自行加入到一个簇中，并且每个塌方监测器只能加入到一个簇中。塌方监测器与网关之间的通信使用ZigBee无线通信。当把网关和塌方监测器固定到矿井巷道的顶板并上电之后，塌方监测器会自动完成上述加入簇的过程，加入簇的过程也称为组网过程。由于ZigBeeCC2530具有快速组网的特性，完成上述组网过程只需要30毫秒的时间。由于矿井中不同的区域，发生塌方的几率也不近相同，并且ZigBee的短距通信大概的10m~100m之间，如果增大发生功率，通信半径可以达到1Km m~3Km之间，所以塌方监测器与网关安放的位置可以根据矿井的实际情况合理布置。
实时监测矿井塌方系统的原理如下：首先将监测系统固定到矿井行道的顶板上，塌方监测仪器利用其重力加速度传感器ADXL335监测是否有塌方的产生。当没有塌方产生的时候，塌方监测器的重力加速度传感器ADXL335测量到的加速度值为零；当有塌方产生时，重力加速度传感器ADXL335测量到的加速度值为大于零的一个数值。为了保证塌方能被实时的监测到，塌方监测仪器中的微型处理器STM32F103ZET6会每隔1毫秒自动读取一次重力加速度传感器ADXL335的测量值，并对读取到重力加速度传感器ADXL335的测量值进行判决，判断是否有塌方的产生。本实用新型利用ZigBeeCC2530无线通信模块的低功耗、反应快的特点，当塌方监测器在监测到有塌方产生时，塌方监测仪器的微型处理器STM32F103ZET6会在0.2秒时间内激活ZigBeeCC2530模块并用ZigBeeCC2530模块把塌方信息（塌方的时间、地点等信息）传递到该簇的网关中。当网关的ZigBeeCC2530模块接受塌方监测器发出无线ZigBee信号时，会将接受到的信号发送给网关中的微型处理器STM32F103ZET6，微处理器会将接受到的ZigBee信号转换成符合TCP/IP协议的信号，并将转换后的信号发送给以太网MAC控制器DM9000AEP，以太网MAC控制器DM9000AEP会将接受的信号以有线方式发送到安装在地面安全中心的上位机，上位机以图形界面的方式，实时显示矿井下方是否的塌方产生情况。
设定微处理器在0.2秒的时间内，把信息传递出去的原因如下：根据《矿山工人安全生产必读》一书规定，巷道最低高度 不得少于1.6米，又因为矿井塌方掉落的岩石是做自由落体运动，根据自由落体公式（代表重力加速度），可算出岩石从顶板掉落到地面的时间为0.56秒。为了在塌方产生后，确保仪器在没有损坏之前把信息传递出去，塌方监测器在监测到有塌方产生时，微型处理器STM32F103ZET6必须在0.56秒的时间内，激活ZigBeeCC2530模块并把信息传递到该簇的网关中。又为防止其他意外情况的产生，本实用新型所设计的塌方监测器会在0.2秒的时间内，完成激活ZigBeeCC2530模块并把信息传递到该簇网关中，以此保证塌方监测器在没有被下落的岩石损坏之前，把塌方的相关信息发送的网关中。
本实用新型的有益效果是：（1）本系统能监测矿井是否有塌方产生，并在仪器没有损坏之前把塌方信息（塌方时间、地点等信息）传递到安装在地面安全中心的上位机中；如果想监测新开凿的巷道是否有塌方产生，只要把塌方监测器固定到新的巷道的顶板上即可；（2）由于本实用新型采用ZigBee无线通信技术，而ZigBee无线通信技术具有自组网的特性，所以新加入的塌方监测器能很快的加入到已建立的塌方监测系统中，不需要额外铺设线路，即本实用新型具有良好可扩展性。
附图说明
图1是本实用新型塌方监测器的俯视图；
图2是本实用新型塌方监测器的正视图；
图3是本实用新型网关的正视图；
图4是本实用新型网关的俯视图；
图5是本实用新型网关的电路板Ⅰ结构图；
图6是本实用新型塌方监测器的电路板Ⅱ结构图；
图7是本实用新型系统在矿井中布置的示意图；
图8是本实用新型安装在地面安全中心的上位机中的软件流程图。
图中：1-绝缘外壳Ⅰ，2-螺丝孔Ⅰ，3-塌方监测器的天线Ⅰ，4-绝缘外壳Ⅱ，5-螺丝孔Ⅱ，6-网关的天线Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本实用新型作进一步说明。
实施例1
如图1至8所示，该实时监测矿井塌方系统，该系统由安装在地面安全中心的上位机和若干实时监测簇组成，每一个簇包括一个簇头网关和若干簇员塌方监测器，网关包括绝缘外壳Ⅱ4、螺丝孔Ⅱ5和置于绝缘外壳Ⅱ4内部的电路板Ⅱ，每个塌方监测器包括绝缘外壳Ⅰ1、螺丝孔Ⅰ2和置于绝缘外壳Ⅰ内部的电路板Ⅰ，网关中电路板Ⅱ包括微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、以太网MAC控制器DM9000AEP和包含备用锂电池的供电系统Ⅰ，ZigBeeCC2530无线通信模块、以太网MAC控制器DM9000AEP与微型处理器STM32F103ZET6信号连接，包含备用锂电池的供电系统Ⅰ为微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、以太网MAC控制器DM9000AEP提供电源，网关中ZigBeeCC2530无线通信模块网关的天线Ⅱ6位于绝缘外壳Ⅱ4的外部，塌方监测器中的电路板Ⅰ包括微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、重力加速度传感器ADXL335和包含备用锂电池的供电系统Ⅱ，微型处理器STM32F103ZET6与ZigBeeCC2530无线通信模块、重力加速度传感器ADXL335信号连接，包含备用锂电池的供电系统Ⅱ为微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、重力加速度传感器ADXL335提供电源，塌方监测器中的ZigBeeCC2530无线通信模块塌方监测器的天线Ⅰ3位于绝缘外壳Ⅰ1的外部，网关与地面安全中心的上位机有线通讯。
其中每一个簇中一个网关能管理254个塌方监测器。
实施例2
如图1至8所示，该实时监测矿井塌方系统，该系统由安装在地面安全中心的上位机和若干实时监测簇组成，每一个簇包括一个簇头网关和若干簇员塌方监测器，网关包括绝缘外壳Ⅱ4、螺丝孔Ⅱ5和置于绝缘外壳Ⅱ4内部的电路板Ⅱ，每个塌方监测器包括绝缘外壳Ⅰ1、螺丝孔Ⅰ2和置于绝缘外壳Ⅰ内部的电路板Ⅰ，网关中电路板Ⅱ包括微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、以太网MAC控制器DM9000AEP和包含备用锂电池的供电系统Ⅰ，ZigBeeCC2530无线通信模块、以太网MAC控制器DM9000AEP与微型处理器STM32F103ZET6信号连接，包含备用锂电池的供电系统Ⅰ为微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、以太网MAC控制器DM9000AEP提供电源，网关中ZigBeeCC2530无线通信模块网关的天线Ⅱ6位于绝缘外壳Ⅱ4的外部，塌方监测器中的电路板Ⅰ包括微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、重力加速度传感器ADXL335和包含备用锂电池的供电系统Ⅱ，微型处理器STM32F103ZET6与ZigBeeCC2530无线通信模块、重力加速度传感器ADXL335信号连接，包含备用锂电池的供电系统Ⅱ为微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、重力加速度传感器ADXL335提供电源，塌方监测器中的ZigBeeCC2530无线通信模块塌方监测器的天线Ⅰ3位于绝缘外壳Ⅰ1的外部，网关与地面安全中心的上位机有线通讯。
其中每一个簇中一个网关能管理200个塌方监测器。
以上结合附图对本实用新型的具体实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (2)
1.一种实时监测矿井塌方系统，其特征在于：该系统由安装在地面安全中心的上位机和若干实时监测簇组成，每一个簇包括一个簇头网关和若干簇员塌方监测器，网关包括绝缘外壳Ⅱ（4）、螺丝孔Ⅱ（5）和置于绝缘外壳Ⅱ（4）内部的电路板Ⅱ，每个塌方监测器包括绝缘外壳Ⅰ（1）、螺丝孔Ⅰ（2）和置于绝缘外壳Ⅰ内部的电路板Ⅰ，网关中电路板Ⅱ包括微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、以太网MAC控制器DM9000AEP和包含备用锂电池的供电系统Ⅰ，ZigBeeCC2530无线通信模块、以太网MAC控制器DM9000AEP与微型处理器STM32F103ZET6信号连接，包含备用锂电池的供电系统Ⅰ为微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、以太网MAC控制器DM9000AEP提供电源，网关中ZigBeeCC2530无线通信模块网关的天线Ⅱ（6）位于绝缘外壳Ⅱ（4）的外部，塌方监测器中的电路板Ⅰ包括微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、重力加速度传感器ADXL335和包含备用锂电池的供电系统Ⅱ，微型处理器STM32F103ZET6与ZigBeeCC2530无线通信模块、重力加速度传感器ADXL335信号连接，包含备用锂电池的供电系统Ⅱ为微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、重力加速度传感器ADXL335提供电源，塌方监测器中的ZigBeeCC2530无线通信模块塌方监测器的天线Ⅰ（3）位于绝缘外壳Ⅰ（1）的外部，网关与安装在地面安全中心的上位机有线通讯。
2.根据权利要求1所述的实时监测矿井塌方系统，其特征在于：所述每一个簇中一个网关能最多管理254个塌方监测器。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN113153434A (zh) * | 2021-05-04 | 2021-07-23 | 四川诸哿优势智能科技有限责任公司 | 一种基于物联网的隧道塌方信息应急系统及塌方判定方法 |
| CN115308807A (zh) * | 2022-07-28 | 2022-11-08 | 安徽省昌昊矿山设计研究有限公司 | 一种矿山采空区坍塌安全检测保护设备及坍塌检测方法 |
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2015
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