KR20220022141A - 광산 갱내 미소 진동 실시간 모니터링 방법 - Google Patents

광산 갱내 미소 진동 실시간 모니터링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광산 갱내 미소 진동 실시간 모니터링 방법에 관한 것이다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광산 갱내 미소 진동 실시간 모니터링 방법은 제 1 파형 취득부가 미소 진동 센서로부터 수집된 진동 데이터가 미소 진동 후보인지 여부를 판정하는 단계; 및 미소 진동 후보라고 판정한 진동 데이터에 대하여, 제 2 파형 취득부가 미소 진동인지 여부를 판정하는 단계를 포함한다.

Description

광산 갱내 미소 진동 실시간 모니터링 방법{METHOD FOR MONITORING MICROSEISMIC IN MINE IN REAL TIME}
본 발명은 광산 갱내 미소 진동 실시간 모니터링 방법에 관한 것이다.
광산 붕괴의 전조 증상으로 암반 손상 미소 진동이 발생한다. 다만, 광산 내 미소진동은 발파, 천공작업, 분쇄작업, 야적작업 등에 의한 진동과 구분되어 모니터링 되어야 한다.
따라서, 광산 내에서의 다른 진동과 구분되는 미소진동의 특성을 정확히 규명하고 그 규명된 특성에 기반하여 미소진동을 신뢰성이 있게 모니터링할 수 있는 기술 개발이 필요하다.
한국등록특허 제1020176600000호는 수신된 신호의 지속시간, 오름시간, 최대진폭, 상대진폭, 주파수 대역, 최대주파수 및 에너지로 이루어진 신호특성 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 신호특성을 암반손상에 의한 미소진동과 그 외의 송신원에 의한 미소진동을 분류하고, 암반손상에 의한 미소진동만을 모니터링함으로써 정확한 지반구조물의 파괴징후의 사전인지가 가능하게 하는 송신원별 신호 특성 추출을 통한 암반손상에 의한 미소진동 모니터링 방법을 개시한다.
도 4a 내지 도 4o는 발파, 천공, 부석제거, 위험신호(암반손상에 의한 미소진동), 전기잡음 등에 대한 대표파형을 나타낸다.
도 6은 암반 손상에 의한 미소진동으로 분류된 부석제거 신호를 나타낸다. 도 6에서 부석제거에 대한 진동 신호는 도 4j 내지 도 4l에 나타난 암반손상에 의한 미소진동와 지속시간, 오름시간, 최대진폭, 상대진폭, 주파수 대역, 최대주파수 및 에너지 면에서 매우 유사함을 알 수 있다.
따라서, 일반적인 암반 손상에 의한 미소진동과 신호 특성이 유사한 진동 신호를 암반 손상에 의한 미소진동과 구분하게 하는 기술 개발이 필요하다.
1. 한국등록특허 제1020176600000호 (송신원별 신호 특성 추출을 통한 암반손상에 의한 미소진동 모니터링 방법)
본 발명은 신뢰성이 높게 광산 갱내 미소 진동을 모니터링할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광산 갱내 미소 진동 실시간 모니터링 방법은 제 1 파형 취득부가 미소 진동 센서로부터 수집된 진동 데이터가 미소 진동 후보인지 여부를 판정하는 단계; 및 미소 진동 후보라고 판정한 진동 데이터에 대하여, 제 2 파형 취득부가 미소 진동인지 여부를 판정하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 제 1 파형 취득부는 제 1 타임 도메인에서의 진동 데이터를 이용해 미소 진동 후보인지 여부를 판정하고, 상기 제 2 파형 취득부는 제 2 타임 도메인에서의 진동 데이터를 이용해 미소 진동인지 여부를 판정하며, 상기 제 2 타임 도메인은 상기 제 1 타임 도메인 대비 기 설정된 배수를 가지는 구간일 수 있다.
그리고, 상기 제 2 파형 취득부는 종속 진동을 이용해 상기 제 2 타임 도메인에서의 진동 데이터가 미소 진동인지 여부를 판정할 수 있다.
본 발명은 종속 진동이란 속성을 추가하여 미소 진동을 판정하는 것에 의해, 보다 신뢰성이 높게 미소 진동을 다른 진동과 구분할 수 있다.
그리고, 미세진동후보에 해당하는 경우에 한해 제 2 타임 도메인 상에서 미소 진동을 진단하는 것에 의해 미소 진동 판정을 위한 신호 처리 시간을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광산 갱내 미소 진동 실시간 모니터링 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 모니터링 장치의 기능블록도이다.
도 3은 도 1의 모니터링 장치가 미소 진동을 판정하는 프로세스에 대한 플로우차트이다.
도 4a 내지 도 4o는 다양한 진동 파형군에서 대표가 되는 파형을 나타낸다.
도 5a 내지 도 5d는 미소 진동의 속성을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 암반 손상에 의한 미소진동 및 그와 매우 유사한 부석 제거에 의한 진동 신호를 나타낸다.
도 7은 종속진동을 이용해 미소진동을 판정하는 방법을 설명하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광산 갱내 미소 진동 실시간 모니터링 시스템(이하, “모니터링 시스템”이라고 칭한다.)에 대하여 설명한다.
먼저, 모니터링 시스템의 구조에 대하여 설명한다.
도 1을 참조하면, 모니터링 시스템은 센서 네트워크 형태로 구성될 수 있다. 모니터링 시스템은 복수의 미소진동센서(1a, 1b, ..., 1n, 이하, '1'로 통칭함), 모니터링 장치(10) 및 통신망(20)을 포함할 수 있다. 미소진동센서(1)는 진동데이터를 통신망(20)을 통해 모니터링 장치(10)로 전송할 수 있다. 여기서, 통신망(20)은 유선망, 무선망, 유무선망이 혼합된 형태로 구현될 수 있으며, 적용되는 통신표준에 제한이 없을 수 있다.
도 2를 참조하면, 모니터링 장치(10)는 진동 데이터 취득부(11), 제 1 파형 분석부(12), 제 2 파형 분석부(13) 및 통신부(14)를 포함할 수 있다. 통신부(14)는 모니터링 장치(10)와 미소진동센서(1) 간의 통신을 지원할 수 있다.
이하, 모니터링 장치(10) 내의 각각의 구성의 동작에 대하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 진동 데이터 취득부(11)가 진동 데이터를 복수의 미소진동센서(1)로부터 수집할 수 있다(S1).
제 1 파형 분석부(12)는 기 설정된 주기(예를 들어, 0.05 mesc) 마다 제 1 구간(예를 들어, 0.1 msec) 동안의 진동 데이터를 누적하는 것에 의해 제 1 타임 도메인에서 진동 정보를 획득할 수 있다(S2). 이와 달리, 제 1 파형 분석부(12)는 기 설정된 기준값을 초과한 진동이 감지된 때 트리거되어, 제 1 구간 동안의 진동 데이터를 누적하는 것에 의해 제 1 타임 도메인에서 진동 정보를 획득할 수 있다.
그리고, 제 1 파형 분석부(12)는 그 제 1 타임 도메인에 대한 진동 데이터를 해석하는 것에 의해, 그 진동 데이터가 암반 손상에 의한 미소 진동 후보에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다.
미소진동 모니터링 시스템 설치 후 안정화를 거쳐 지속적으로 진동 파형을 추출하고 그 파형에 대한 분류가 이루어질 수 있다. 그리고, 그 분류된 파형군에서 대표되는 파형이 도 4에서와 같이 선정될 수 있다. 도 4a 내지 도 4c는 발파에 대한 대표 파형이고, 도 4d 내지 도 4f는 천공에 대한 대표 파형이고, 도 4g 내지 도 4i는 부석제거에 대한 대표 파형이고, 도 4j 내지 도 4l는 암반손상관련 미소진동 대표 파형이고, 도 4m 내지 도 4o는 전기잡음에 대한 대표파형을 나타낸다.
암반 손상에 의한 미소진동 신호는 다음과 같은 6가지 속성으로 특성화될 수 있다.
속성 특징
지속시간(duration) 최초로 제 1 임계값을 넘는 지점부터 마지막으로 검출 한계를 넘는 지점까지의 시간
오름시간(rising time) 최초로 제 1 임계값을 넘는 지점부터 최대 진폭까지 도달하는데 걸린 시간
최대진폭(maximum amplitude) 전체 신호 중 진폭의 최대값
상대진폭(realtive amplitude) (최대진폭/진폭 절대값의 총합)으로 첨도의 기준을 나타낼 수 있는 지표
의사에너지(pseudo energy) 신호의 총 면적, 진폭에 시간 간격을 곱한 값들의 합으로 근사하여 사용
의사주파수(pseudo energy) 지속 시간 내에서 검출 한계보다 커지는 빈도수를 지속 시간으로 나누어 준값
도 5a를 참고하면, 지속 시간은 신호가 제 1 임계값을 넘은 첫 지점부터 마지막으로 제 1 임계값을 넘은 점이 나타난 지점까지의 시간 간격을 의미한다.
도 5b를 참고하면, 최대 진폭은 지속 시간 내 신호가 갖는 진폭 절댓값의 최댓값을 의미한다.
도 5c를 참고하면, 오름 시간은 신호가 제 1 임계값을 넘은 첫 지점부터 최대 진폭을 갖는 시점까지의 시간 간격을 의미한다.
상대 진폭은 진폭 절댓값의 총 합에 대한 최대 진폭의 비율로 신호의 첨도(Kurtosis)를 나타내는 기준으로 사용된다. 상대 진폭을 구하는 식은 다음과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, Ar은 상대진폭, Amax는 최대진폭, Ai는 지속시간 내의 진폭을 의미한다.
의사 에너지는 신호의 면적으로 진폭의 절댓값과 샘플 간격을 곱한 값들의 총 합으로 근사화한 값이다. 의사 에너지를 구하기 위한 식은 다음과 같다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, E는 의사에너지이며, Δt는 샘플 간격이다.
계산 시간을 줄이기 위해 푸리에 변환이 필요한 주파수 영역 속성들은 사용되지 않는다. 다만 신호의 가장 큰 특징 중 하나라고 할 수 있는 주파수 관련 정보를 완전히 제거하는 것보다 근사적으로라도 포함시키기 위해 의사 주파수(pseudo frequency)라는 새로운 속성을 정의한다. 의사주파수는 지속 시간 내에서 검출 한계보다 커지는 빈도수를 지속 시간으로 나눠준 값으로 대략적인 주파수 정보를 시간 영역에서 간편하게 얻을 수 있다는 장점이 있다. 도 5d에서 점은 의사주파수를 산출하기 위해 검출되는 지속 시간 내에서 제 1 임계값 보다 커지는 지점을 나타낸다.
제 1 파형 분석부(12)는 제 1 타임 도메인 상에서의 진동 데이터에서, 상기 6가지 속성(지속시간, 오름시간, 최대진폭, 상대진폭, 의사에너지, 의사주파수)을 추출할 수 있다.
제 1 파형 분석부(12)는 머신 러닝 기능이 탑재될 수 있다. 제 1 파형 분석부(12)는 랜덤 포레스트를 이용해 기계 학습이 될 수 있다. 제 1 파형 분석부(12)는 상기 6가지 속성에 대한 입력을 받는 머신 러닝 엔진에 의해 진동 데이터가 암반 손상에 의한 미소 진동 후보인지 여부를 판단할 수 있다(S3).
S3에서 암반 손상에 의한 미소진동 후보에 해당하지 않는 것으로 판단되면, S1 단계로 복귀할 수 있다.
S3에서 미소진동 후보에 해당하는 것으로 판단되면, 제 2 파형 분석부(13)가 제 2 구간(예를 들어, 0.2 내지 0.3 msec) 동안의 진동 데이터를 누적하는 것에 의해, 제 2 타임 도메인에서 진동 정보를 획득할 수 있다(S4). 이때, 제 2 구간(제 2 타임 도메인)의 시작점은 S2에서의 제 1 구간(제 1 타임 도메인)의 시작점과 동일할 수 있다. 제 2 구간(제 2 타임 도메인)은 제 1 구간(제 1 타임 도메인) 대비 기 설정된 배수(예를 들어, 2배 또는 3배)를 가지는 구간일 수 있다.
그리고, 제 2 파형 분석부(13)는 그 제 2 타임 도메인에 대한 진동 데이터를 해석하는 것에 의해, 암반 손상에 의한 미소 진동에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다.
최종적으로, 제 2 타임 도메인에서의 진동 데이터를 사용해 암반 손상에 의한 미소 진동 여부를 확정하기 위해, S3에서 사용된 미소진동 속성에 별도의 속성이 추가로 파악되어야 한다.
도 6은 실험에 의해 추출된 암반 손상에 의한 미소진동 및 그와 매우 유사한 부석 제거에 의한 진동 신호를 나타낸다. 도 6에서 T1은 제 1 타임 도메인에 대응하는 구간을 의미하며, T2는 제 2 타임 도메인에 대응하는 구간을 의미한다.
도 6을 통해 T1 구간에서 암반 손상에 의한 미소진동 및 그와 매우 유사한 부석 제거에 의한 진동 신호는 지속시간, 오름시간, 최대진폭, 상대진폭, 의사에너지 및 의사주파수에서 측면에서 매우 유사함을 알 수 있다. 따라서, 도 6의 진동 파형을 기준으로 암반 손상에 의한 미소진동 및 그와 매우 유사한 부석 제거에 의한 진동 신호는 구분이 용이하지 않을 수 있다.
다만, T2 구간을 기준으로 보면, T2' 영역에서 양 진동 파형은 상이한 형상을 가짐을 알 수 있다. T2' 구간에서 부석제거 진동 신호가 암반 손상에 의한 미소 진동 신호 보다 미세한 진동을 더 많이 가짐을 알 수 있다.
이 같은 파형 특성에 기초하여, 미소 진동을 규정하기 위한 속성으로 종속 진동을 정의할 수 있다.
도 7을 참조하면, 제 2 파형 분석부(13)는 제 2 타임 도메인(T2)에서 제 1 타임 도메인(T2)에 해당하는 구간을 제외한 구간(T2')에 대하여, 종속 진동의 개수를 판단할 수 있다. 종속 진동은 제 2 임계값(TH2)을 초과한 피크를 의미한다. 제 2 임계값(TH1)은 제 1 임계값(TH1) 보다 작은 값일 수 있다. 여기서, 제 1 임계값은 S3에서, 지속시간 및 오름시간 등을 판정하기 위해 사용된 임계값과 동일할 수 있다.
제 2 파형 분석부(13)는 제 2 타임 도메인(T2)에서 제 1 타임 도메인(T2)에 해당하는 구간을 제외한 구간(T2')에서의 종속 진동의 개수가 기 설정된 개수 이상인지 여부를 판단하는 것에 의해, S4에서 획득된 제 2 타임 도메인에서의 진동이 미소 진동인지 여부를 판단할 수 있다(S5).
S5에서 미소진동파형에 해당하지 않는 것으로 판단되면, 제 2 타임 도메인에서의 진동 데이터를 후보군 파형 저장 영역에 저장할 수 있다(S7).
이와 달리, S5에서 미소진동으로 판정되면, 제 2 타임 도메인에서의 진동 데이터를 미소진동파형 저장 영역에 저장할 수 있다(S6).
이와 같이, 종속 진동이란 속성을 추가하여 미소 진동을 판정하는 것에 의해, 보다 신뢰성이 높게 미소 진동을 다른 진동과 구분할 수 있다.
그리고, 미세진동후보에 해당하는 경우에 한해 제 2 타임 도메인 상에서 미소 진동을 진단하는 것에 의해 미소 진동 판정을 위한 신호 처리 시간을 최소화할 수 있다.
1a, 1b, ..., 1n : 미소진동센서
10 : 모니터링장치
11 : 진동 데이터 취득부
12 : 제 1 파형 분석부
13 : 제 2 파형 분석부
14 : 통신부
20 : 통신망

Claims (3)

  1. 제 1 파형 취득부가 미소 진동 센서로부터 수집된 진동 데이터가 미소 진동 후보인지 여부를 판정하는 단계; 및
    미소 진동 후보라고 판정한 진동 데이터에 대하여, 제 2 파형 취득부가 미소 진동인지 여부를 판정하는 단계를 포함하는 광산 갱내 미소 진동 실시간 모니터링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 파형 취득부는 제 1 타임 도메인에서의 진동 데이터를 이용해 미소 진동 후보인지 여부를 판정하고,
    상기 제 2 파형 취득부는 제 2 타임 도메인에서의 진동 데이터를 이용해 미소 진동인지 여부를 판정하며,
    상기 제 2 타임 도메인은 상기 제 1 타임 도메인 대비 기 설정된 배수를 가지는 구간인 것을 특징으로 하는 광산 갱내 미소 진동 실시간 모니터링 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 파형 취득부는 종속 진동을 이용해 상기 제 2 타임 도메인에서의 진동 데이터가 미소 진동인지 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 광산 갱내 미소 진동 실시간 모니터링 방법.
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