CN217305563U - 一种互联式矿井突水灾害微地震监测系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种互联式矿井突水灾害微地震监测系统，包括：矿井监控中心和采集子系统；采集子系统有多个，多个采集子系统并联于矿井监控中心；且多个采集子系统对应设置于多个矿井中；采集子系统包括：数字采集终端、矿井采集分站、通讯适配器、第一时钟同步器、第二时钟同步器和第三时钟同步器；数字采集终端通过现场总线与矿井采集分站电连接，矿井采集分站通过通讯适配器与矿井监控中心通讯连接；第一时钟同步器与数字采集终端通讯连接，第二时钟同步器与矿井采集分站通讯连接，第三时钟同步器与矿井监控中心通讯连接；其中，数字采集终端并联多个不同类型的采集传感器，采集传感器位于矿井的微地震测量点。

Description

一种互联式矿井突水灾害微地震监测系统
技术领域
本申请涉及矿山安全技术领域，特别涉及一种互联式矿井突水灾害微地震监测系统。
背景技术
“水、火、瓦斯、粉尘、顶板”灾害是煤矿开采过程中众所周知的五大灾害，其中，水害是煤矿工程地质条件、水文地质条件以及采动人为干扰共同作用的结果，矿井突水事故也是制约煤炭资源开发的重要因素。
矿井突水灾害孕育需要实时、长期的进行监测，而现有常规监测方法将单个矿井作为一个相对独立的工作模式，微地震数据处理都在本矿井完成，监测数据存储在每个矿井的采集分站中，通过人工定期下井将采集分站终端数据进行提取。因而，对矿井的数据监测不能及时、有效的反应矿井的实时状态，且增大了人员的安全风险。
因而，亟需提供一种针对上述现有技术不足的技术方案。
发明内容
本申请的目的在于提供一种互联式矿井突水灾害微地震监测系统，以解决或缓解上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本申请提供一种互联式矿井突水灾害微地震监测系统，包括：矿井监控中心和采集子系统；所述采集子系统有多个，多个所述采集子系统并联于所述矿井监控中心；且多个所述采集子系统对应设置于多个所述矿井中；所述采集子系统包括：数字采集终端、矿井采集分站、通讯适配器、第一时钟同步器、第二时钟同步器和第三时钟同步器；所述数字采集终端通过现场总线与所述矿井采集分站电连接，所述矿井采集分站通过所述通讯适配器与所述矿井监控中心通讯连接；所述第一时钟同步器与所述数字采集终端通讯连接，所述第二时钟同步器与所述矿井采集分站通讯连接，所述第三时钟同步器与所述矿井监控中心通讯连接；其中，所述数字采集终端并联多个不同类型的采集传感器，所述采集传感器位于所述矿井的微地震测量点。
优选的，所述数字采集终端的双路供电通讯一体的现场总线接口串联所述微地震测量点布设的所述采集传感器。
优选的，所述采集传感器镶嵌于孔深范围在[4，20]米的岩层中，并与位于孔外的所述数字采集终端通讯连接。
优选的，所述采集传感器至少包括：三轴检波器、单轴检波器、姿态传感器和矿压传感器中的一种。
优选的，所述三轴检波器、所述单轴检波器、所述矿压传感器分别通过低通滤波器与所述数字采集终端通讯连接，其中，所述低通滤波器与所述数字采集终端之间设置有AD转换器。
优选的，所述三轴检波器位于所述微地震测量点的水平钻孔或上斜钻孔中，其中，所述上斜钻孔的钻孔倾角范围为[0°，30°]。
优选的，所述单轴检波器位于所述微地震测量点的下斜钻孔中，其中，所述下斜钻孔的钻孔倾角范围为[-15°，-30°]。
优选的，所述矿井监控中心、矿井采集分站按照预设时间间隔读取所述第三、一时钟同步器的时间戳信息；所述矿井采集分站周期性读取所述第二时钟同步器的时间戳信息，并发送至所述数字采集终端。
优选的，所述预设时间间隔的范围为[1，10]秒。
有益效果：
本申请实提供的互联式矿井突水灾害微地震监测统中，将多个采集子系统并联于矿井监控中心，每个采集子系统对应一个矿井设置；每个采集子系统包括：数字采集终端、矿井采集分站、通信适配器、第一时钟同步器、第二时钟同步器和第三时钟同步器；数字采集终端通过现场总线与矿井采集分站电连接，矿井采集分站通过通讯适配器与矿井监控中心通讯连接；第一时钟同步器与数字采集终端通讯连接，第二时钟同步器与矿井采集分站通讯连接，第三时钟同步器与矿井监控中心通讯连接；数字采集终端并联多个不同类型的采集传感器，采集传感器位于矿井的微地震测量点。
籍此，一方面，通过在每个矿井中分别设置一套采集子系统，各个矿井的采集子系统并联于地面的矿井监控中心，每个矿井中采集子系统在矿井的微地震测量点的采集数据实时汇总至地面的矿井监控中心，使多个矿井成为一个整体，实现对矿山整体的微地震监测；另一方面，避免人工定期下井从矿井采集分站中提取数据，提高了数据传输的实时性，有利于根据监测数据对矿井的突水灾害作出及时应对。
此外，通过与矿井监控中心、矿井采集分站相配套的第三时钟同步器、第二时钟同步器进行时钟同步，实现矿井监控中心与每个矿井采集分站的时钟同步，确定矿井之间的数据时间精准一致，提高不同矿井之间监测数据质量；通过与矿井采集分站、数字采集终端相配套的第二时钟同步器、第一时钟同步器之间的时钟同步，确定同一矿井内不同位置的采集传感器的监测数据时间精准一致，提高同一矿井内的监测数据质量。籍此，通过不同矿井之间、同一矿井之间的监测数据的时间校准，提高对矿山微地震监测岩层断裂或导水通道的发育动态精确预测及判断。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为根据本申请的一些实施例提供的一种互联式矿井突水灾害微地震监测技术的场景示意图；
图2为根据本申请的一些实施例提供的一种互联式矿井突水灾害微地震监测系统的结构示意图；
图3为根据本申请的一些实施例提供的数字采集终端与采集传感器的连接示意图；
图4为根据本申请的一些实施例提供的一种数字采集终端的电路原理图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
目前，在多种应用地球物理方法被引入到矿井突水灾害监测领域后，有效地提高了捕捉突水活动本质信息和感知远区突水活动的能力。而微地震监测能够对岩体微破裂三维空间进行检测，检测结果能够很好的表征岩体破坏及其引起的相关灾害的形成、发展、孕育、演变过程。具体的，作为超前探测隐形断层的一种有效手段，微地震监测能够提前200米探测捕捉由于扰动影响而造成的隐形断层活化产生的微破裂信号，给出震动后的各种信息。
在采用微地震监测技术对矿井突水灾害进行监测时，需要对矿井突水灾害孕育进行实时、长期监测，然而，现有的监测方法通常是将每个矿井作为一个独立的工作环境，微地震数据是在各个矿井内部进行处理的，难以形成对整个矿山整体的监测，由于监测数据缺乏实时性，导致对矿山进行微地震监测的延迟、滞后，极大的影响了矿山微地震监测的准确性。
为此，申请人提出了一种互联式矿井突水灾害微地震监测系统，通过在每个矿井中均布置一套采集子系统，每个矿井的采集子系统通过矿井现有通讯网络与地面的矿井监控中心(远程监控或云计算)相结合，实现监测矿井岩体在采动应力和水压力共同作用下岩体破裂形成导水通道的前兆信息，并实时上传至矿井监控中心进行处理；以便根据震源情况确定破裂尺度和性质，具有不损伤岩体、劳动强度小、时间和空间连续的优势；进一步还可以根据震源情况分析破裂尺度、强度和性质等优点，为评价范围内的突水灾害隐患提供依据。
如图1-图4所示，该互联式矿井突水灾害微地震监测系统包括：矿井监控中心和采集子系统，所述采集子系统有多个，多个所述采集子系统并联于所述矿井监控中心；且多个所述采集子系统对应设置于多个所述矿井中；所述采集子系统包括：数字采集终端、矿井采集分站、通讯适配器、第一时钟同步器、第二时钟同步器和第三时钟同步器。所述数字采集终端通过现场总线与所述矿井采集分站电连接，所述矿井采集分站通过所述通讯适配器与所述矿井监控中心通讯连接；所述矿井采集分站接收矿井监控中心的指令，并管理矿井监测现场所连接的数字采集终端，将采集的现场数据发送至所述矿井监控中心；所述第一时钟同步器与所述数字采集终端通讯连接，所述第二时钟同步器与所述矿井采集分站通讯连接，所述第三时钟同步器与所述矿井监控中心通讯连接；其中，所述数字采集终端并联多个不同类型的采集传感器，所述采集传感器位于所述矿井的微地震测量点。
在本申请实施例中，矿井采集分站采用现场总线与数字采集终端联系，向数字采集终端发送指令，以使采集传感器开始对矿井进行数据采集或者停止对矿井进行数据采集；而且，矿井采集分站接收数字采集终端反馈的采集信号，并通过通讯适配器发送给矿井监控中心。具体的，矿井采集分站利用矿井已有的通讯网络，通过通讯适配器将数字采集终端发送的数据发送给地面的矿井监控中心。
在此，矿井监控中心可以采用中心主服务器形态，也可以采用云端服务器形态。由地面的矿井监控中心将采集到的多个矿井的数据进行处理，根据处理结果对矿山的进行微地震预测。
通过与矿井监控中心、矿井采集分站、数字采集终端相配套的第三时钟同步器、第二时钟同步器、第一时钟同步器对采集传感器的采集数据进行时钟同步，有效提高矿山的不同矿井之间、同一矿井的不同微地震测量点之间的数据的时钟同步精度，使根据采集的数据做出的预测更加准确。
在本申请实施例中，数字采集终端的双路供电通讯一体的现场总线接口串联所述采集传感器。也就是说，数字采集终端采用双路通讯和供电一体的现场总线接口，比如，数字采集终端的P1接口连接矿井采集分站，P2接口连接下一个数字采集终端，籍此，在保证实时响应、安全的前提下，可以串联多个数字采集终端，实现对数字采集终端的灵活扩展，有效延伸矿井的微地震测量观测点。需要说明的是，数字采集终端的P1接口也可以连接其它的数字采集终端，对应的，P2接口连接矿井采集分站。
进一步的，数字采集终端的P1接口、P2接口还可以连接外部触发信号，实现多个数字采集终端的时钟同步功能。比如，通过现场总线设置采集参数，向准备采集数据的数字采集终端发送脉冲触发信号，指示所有数字采集终端同步开始进行数据采集。
在本申请实施例中，不同类型的采集传感器镶嵌于孔深范围在[4，20]米的岩层中。具体的，在确定的微地震测量点的岩层钻[4，20]米的深孔，将采集传感器镶嵌在孔中，并采用石膏填充，使采集传感器与岩层紧密耦合。籍此，以有效消除数据采集过程中受到的环境因素干扰，减少数据采集噪声，提高数据采集精度和准确度。
在本申请实施例中，所述采集传感器至少包括：三轴检波器、单轴检波器、姿态传感器和矿压传感器中的一种。进一步的，三轴检波器、单轴检波器和矿压传感器分别通过低通滤波器与数字采集终端通讯连接，且在低通滤波器和数字采集终端之间设置有AD转换器。
具体的，数字采集终端的中央控制器(ADC芯片(U4芯片))输入信号AIN0～AIN9端口，AIN0～AIN9端口和AINCOM组合可采集10路单端输入，两两组合可输入5路差分输入信号，如：AIN0和AIN1组合输入1路差分信号等。在此，数字采集终端的ADC芯片设置ADS_CS为高电平片选ADC芯片，并通过ADS_SCLK、ADS_DIN设置ADC参数，比如，设置采样频率、采样通道或者采样方式等。
AD转换器的数字信号采用SPI接口连接数字采集终端，即连接ADC芯片的的ADS_DRDY、ADS_DOUT、ADS_SCLK、ADS_DIN、ADS_CS、ADS_START引脚，实现数据通讯的模数转换。
当数字采集终端中ADS_START为高电平时，则ADC开始转换数据；当数字采集终端中ADS_START为低电平时，停止数据转换。若ADC芯片有转换完成的数据则拉高ADS_DRDY信号；当数字采集终端检测到转换完成信号，则通过ADS_DOUT、ADS_SCLK读取转换通道以及AD转换器完成的数据。
数字采集终端处理ADC转换的数据并通过双路现场总线发送至矿井采集分站。比如，现场总线采用CAN总线通讯接口，矿井采集分站通过数字采集终端的P1接口连接通讯适配器的通讯适配芯片(U2芯片)，并通过CAN0_TXD、CAN0_RXD连接至数字采集终端，数字采集终端智能选择CAN0_TXD、CAN0_RXD接口将采集的数据发送至矿井采集分站，由矿井采集分站发送至矿井监控中心。同样的，若矿井采集分支通过数字采集终端的P2接口连接接通讯适配器的通讯适配芯片(U3芯片)，并通过CAN1_TXD、CAN1_RXD连接至数字采集终端，数字采集终端智能选择对应的接口发送转换的数据。
在一具体的例子中，三轴检波器位于微地震测量点的水平钻孔或上斜钻孔中，其中，上斜钻孔的钻孔倾角范围为[0°，30°]。籍此，通过三轴检波器拾取三分量微地震模拟信号，并发送给数字采集终端，由数字采集终端将三分量微地震模拟信号转换为数字信号，并实时的传送至矿井采集分站。
在另一具体的例子中，单轴检波器位于微地震测量点的下斜钻孔中，其中，下斜钻孔的钻孔倾角范围为[-15°，-30°]。籍此，通过单轴检波器拾取单分量微地震模拟信号，并发送送给数字采集终端，由数字采集终端将单分量微地震模拟信号转换为数字信号，并实时的传送至矿井采集分站。
在另一具体的例子中，通过姿态传感器对数字采集终端的倾角和方位角等姿态数据进行采集，并实时发送至数字采集终端，由数字采集终端实时发送至矿井采集分站。
在一些可选实施例中，所述矿井监控中心向所述矿井采集分站按照预设时间间隔发送校时脉冲；所述矿井采集分站周期性读取所述第二时钟同步器的时间戳信息，并发送至所述数字采集终端。进一步的，预设时间间隔的范围为[1，10]秒。
在此，通过向第二时钟同步器、第三时钟同步器发送校时脉冲，对第二时钟同步器、第三时钟同步器进行时钟同步，提高不同矿井之间的数据采集的时间精度。由矿井采集分站周期性读取第二时钟同步器的时间戳信息并发送至数字采集终端，由数字采集终端根据第二时钟同步器的时间戳信息对第一时钟同步器进行时钟校对，提高同一矿井内部的数据采集的时间精度。
在本申请实施例中，矿井监控中心与矿井采集分站之间的时钟同步可采用无线方式，也可采用有线方式，比如，可采用GPS授时矿井监控中心与矿井采集分站进行时钟同步，也可以采用人为手动对矿井监控中心与矿井采集分站进行时钟同步。在矿井采集分站与数字采集终端之间通过有线连接方式——现场总线方式实现时钟同步。
本申请实施例通过在每个矿井中分别设置一套采集子系统，各个矿井的采集子系统并联于地面的矿井监控中心，每个矿井中采集子系统在矿井的微地震测量点的采集数据实时汇总至地面的矿井监控中心，使多个矿井成为一个整体，实现对矿山整体的微地震监测；避免人工定期下井从矿井采集分站中提取数据，提高了数据传输的实时性，避免了数据信息遗漏、误判等，使得对矿山的微地震监测的可靠性大幅度提高。
在利用本申请的互联式矿井突水灾害微地震监测系统进行微地震监测时，首先，根据待监测矿井区域的地质条件和开采情况，确定监测系统的布置方案，比如，布置采集子系统的数量。然后，在确定的微地震测量点的岩层进行钻孔，埋设单轴检波器、三轴检波器、数字采集终端，架设矿井采集分站、通信适配器，并与矿井的通信网络连接，完成采集子系统的布置，确保各工作单元正常工作，设置各个数字采集终端的采集参数。
通过在矿井的巷道进行顶点爆破试验，采集微地震测量点的岩层地震波波速，以及，拾取岩体爆裂震动波能量，并将采集到的数据实时发送至矿井采集分站，由矿井采集分站实时发送至矿井监控中心。在此过程中，矿井监控中心的时钟同步器与矿井采集分站的时钟间隔[1，10]秒通过发送的同步脉冲进行一致性校准。籍此，利用互联网络将矿山的多个矿井之间的采集子系统连接起来，实时监测、处理、分析和预警多个矿山可能发生的矿山矿井突水灾害。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种互联式矿井突水灾害微地震监测系统，其特征在于，包括：矿井监控中心和采集子系统；
所述采集子系统有多个，多个所述采集子系统并联于所述矿井监控中心；且多个所述采集子系统对应设置于多个所述矿井中；所述采集子系统包括：数字采集终端、矿井采集分站、通讯适配器、第一时钟同步器、第二时钟同步器和第三时钟同步器；
所述数字采集终端通过现场总线与所述矿井采集分站电连接，所述矿井采集分站通过所述通讯适配器与所述矿井监控中心通讯连接；所述第一时钟同步器与所述数字采集终端通讯连接，所述第二时钟同步器与所述矿井采集分站通讯连接，所述第三时钟同步器与所述矿井监控中心通讯连接；其中，所述数字采集终端并联多个不同类型的采集传感器，所述采集传感器位于所述矿井的微地震测量点。
2.根据权利要求1所述的互联式矿井突水灾害微地震监测系统，其特征在于，所述数字采集终端的双路供电通讯一体的现场总线接口串联所述微地震测量点布设的所述采集传感器。
3.根据权利要求1所述的互联式矿井突水灾害微地震监测系统，其特征在于，所述采集传感器镶嵌于孔深范围在[4，20]米的岩层中，并与位于孔外的所述数字采集终端通讯连接。
4.根据权利要求1所述的互联式矿井突水灾害微地震监测系统，其特征在于，所述采集传感器至少包括：三轴检波器、单轴检波器、姿态传感器和矿压传感器中的一种。
5.根据权利要求4所述的互联式矿井突水灾害微地震监测系统，其特征在于，所述三轴检波器、所述单轴检波器、所述矿压传感器分别通过低通滤波器与所述数字采集终端通讯连接，其中，所述低通滤波器与所述数字采集终端之间设置有AD转换器。
6.根据权利要求4所述的互联式矿井突水灾害微地震监测系统，其特征在于，所述三轴检波器位于所述微地震测量点的水平钻孔或上斜钻孔中，其中，所述上斜钻孔的钻孔倾角范围为[0°，30°]。
7.根据权利要求4所述的互联式矿井突水灾害微地震监测系统，其特征在于，所述单轴检波器位于所述微地震测量点的下斜钻孔中，其中，所述下斜钻孔的钻孔倾角范围为[-15°，-30°]。
8.根据权利要求1-7任一所述的互联式矿井突水灾害微地震监测系统，其特征在于，所述矿井监控中心向所述矿井采集分站按照预设时间间隔发送时校时脉冲；所述矿井采集分站周期性读取所述第二时钟同步器的时间戳信息，并发送至所述数字采集终端。
9.根据权利要求8所述的互联式矿井突水灾害微地震监测系统，其特征在于，所述预设时间间隔的范围为[1，10]秒。
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