一種可攜式礦山動力災害監測裝置的製作方法

2023-07-18 15:10:06

本實用新型涉及礦山安全監測設備技術領域，具體地說是一種可攜式礦山動力災害監測裝置。

背景技術：

礦山動力災害主要包括衝擊地壓（巖爆）、煤與瓦斯突出、頂板垮落、突水等，是國內外礦山特別是煤礦開採過程中常見的工程誘發災害，約佔我國礦山事故次數的80%，對礦山安全和高效生產造成嚴重影響。

礦山動力災害具有發生時間不確定、災害過程瞬間發生和破壞力強三大特點。災害過程中常伴隨礦井瓦斯湧出異常，誘發瓦斯爆炸事故，造成群死群傷。2014年我國國有重點煤礦1404處，其中煤與瓦斯突出礦井274個，衝擊地壓礦井142個。隨著我國能源需求和開採量的不斷增加，未來我國大部分礦井將進入深部開採階段，深部開採瓦斯壓力、地應力增大，礦山動力災害更加嚴重，預防的難度將更大。通過先進的監測預警技術來對災害發生前的前兆信號時-空演化規律進行趨勢特徵分析，能夠為災害預警提供重要參考數據和決策基礎，將是未來礦山動力災害防治的重要組成部分。

隨著礦山開採深度的不斷加大，礦山動力災害將愈加嚴重。據資料統計表明，「十一五」期間，我國煤礦重、特大瓦斯突出事故的起數和死亡人數分別佔40%和28.5%。從煤礦重特大事故可以看出，煤與瓦斯突出事故的比例逐年上升，遏制煤與瓦斯突出、衝擊地壓等礦山動力災害事故是今後減少礦山特別是煤礦重特大事故的重中之重。

礦山巖體或煤巖體受採掘擾動或地殼應力等外部作用而發生微破裂萌生、發展、貫通直至失穩。研究發現，在這一演化過程中，礦山巖體或煤巖體中天然儲存的和外加力場作用的能量將以各種形式被釋放，如電磁能、聲能、應力波、熱能、彈性能等。基於此，研究人員發現，電磁、聲發射、微震、電荷感應多指標監測技術可廣泛應用於巖爆、衝擊地壓、煤與瓦斯突出等礦山動力災害的監測預警。

目前，傳統的監測方式是通過向煤體打鑽測試鑽屑量、瓦斯參數、單一地球物理信號監測等方法進行測試，這些測試方法具有工程量大、預測作業時間長的缺點，同時，測得的預測信息量少、準確率低，還時常出現低指標發生及高指標不發生災害的情況，更容易漏報、誤報，造成嚴重後果，而且打預測鑽孔時擾動煤體，常誘發衝擊或突出事故，具有很大的危險性。

近年來，煤巖體電磁、聲發射、微震、電荷感應等地球物理信號特性及其應用研究方面取得了較大進展，發明專利「預測含氣煤巖體砼災害的方法及裝置」（ZL981111858）通過非接觸監測受載煤巖體變形破裂時產生的電磁輻射信號及其變化規律，預測預報衝擊地壓和煤與瓦斯突出等煤巖體動力災害的危險性，但其只能進行單通道電磁信號的監測，監測區域很小，抗幹擾能力差，屬於很初級的應用。

實用新型專利「煤巖體動力災害電磁輻射監測裝置」（ZL01272808X）也只能進行單通道電磁信號的監測，還需要外接隔爆電源才能工作，安裝繁瑣且勞動強度大，也存在抗幹擾能力差問題，同時分析預警功能較弱，無法通過系統給快速對區域動態變化進行預警、超限預警、預警級別判斷、自動報表並提供數據。

發明專利「煤巖動力災害實時監測預報裝置及預報方法」（ZL200410065793.1）公開的技術方案可以連續不間斷的進行遠程監測，並可與KJ煤礦安全監測系統相連，但是其只能進行單通道的電磁輻射信號監測，無法同步記錄電磁、聲發射等其它地球物理信號；另一方面，裝置電路設計採用的均是早期晶片，信號實時處理能力和存儲能力差，且也存在單一電磁輻射信號抗幹擾能力弱的問題。

實用新型專利「一種移動式多通道電磁輻射監測系統」（ZL200720127916.9）公開的技術方案能夠通過多個電磁輻射天線同時對多個測點的電磁輻射信號進行監測，擴大了監測面積，但是由於其信號只有電磁輻射一種，所以其抗幹擾能力較弱；同時，採用傳統放大器進行信號放大，整機功耗高，儀器體積大且笨重，移動性差。

實用新型專利「一種在線式雙通道聲電監測裝置」（ZL201420067217.X）公開的技術方案雖然實現了電磁和聲發射信號的同步監測，但是只能進行在線式工作，並且需要外界隔爆電源供電，安裝繁瑣且勞動強度大，不能進行可攜式、多信號、多區域的移動式同步監測；裝置內部無電池組供電，外部斷電將直接導致無法測試及數據丟失，且存儲採用的是USB存儲方式，存在讀寫速度慢、使用壽命短等問題。

基於上述陳述，利用電磁、聲發射、微震、電荷感應四種信號的可攜式、多區域、多尺度同步監測預警礦山動力災害（如衝擊地壓、煤與瓦斯突出等）時-空演化過程中的地球物理信號，設計一種可攜式礦山動力災害監測裝置。

技術實現要素：

本實用新型的技術任務是解決現有技術的不足，提供一種可攜式礦山動力災害監測裝置，實現多個測點或區域的同步監測，其適用於金屬礦山巖爆、煤礦衝擊地壓和煤與瓦斯突出等礦山動力災害的監測預警。

本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是：

一種可攜式礦山動力災害監測裝置，該裝置包括數據採集結構，對採集的數據進行調理、轉換、統計計算、存儲和顯示的監測主機，以及對處理後數據進行後期分析並預警的計算機。其中：

數據採集結構包括安裝在監測區域的電磁感應傳感器、低頻聲波傳感器、低頻拾震傳感器和電荷感應傳感器，用於監測礦山巖體或煤巖體受載非勻速變形破裂過程中產生的電磁信號、聲發射信號、微震信號、電荷感應信號；

監測主機包括依次連接的放大器、A/D轉換器和內嵌分析處理程序的處理器，上述電磁感應傳感器、低頻聲波傳感器、低頻拾震傳感器和電荷感應傳感器分別通過匹配電阻一一相對連接於放大器的輸入端；監測主機還包括分別連接於處理器輸出端的數據存儲器、USB通訊接口、顯示器、充電接口，以及給監測主機提供電能的電池組；

計算機連接於監測主機的USB通訊接口，計算機包含有SQL資料庫與數據分析軟體，數據分析軟體根據USB通訊接口傳送的數據完成區域動態趨勢圖形、區域趨勢預警、超限預警、報警級別、自動報表數據處理。

在上述結構的基礎上，所涉及監測主機還包括不鏽鋼外殼，上述匹配電阻、放大器、A/D轉換器、內嵌分析處理程序的處理器、充電接口、電池組分別位於不鏽鋼外殼內部，上述數據存儲器、USB通訊接口和顯示器分別位於不鏽鋼外殼外側。

在上述結構的基礎上，所涉及監測主機的數量為至少兩臺，每臺監測主機的處理器輸出端連接有同步埠，至少兩臺監測主機的同步埠之間通過電纜並聯連接，且每個同步埠的電纜採用三通接線盒進行分線。

在上述結構的基礎上，所涉及電磁感應傳感器的監測頻率範圍為1 kHz -500 kHz,低頻聲波傳感器監測的聲波頻率範圍為0.5 kHz-20 kHz，低頻拾震傳感器監測的微震波頻率範圍為0.1Hz-300Hz；電磁感應傳感器有效監測範圍不小於30米，低頻聲波傳感器有效監測範圍不小於100米，低頻拾震傳感器有效監測範圍不小於1000米，電荷感應傳感器有效監測範圍不小於10米。

在上述結構的基礎上，所涉及放大器和A/D轉換器的數量分別等於電磁感應傳感器、低頻聲波傳感器、低頻拾震傳感器、電荷感應傳感器的數量和，且一個傳感器的輸出端連接於一個放大器的輸入端；放大器為二級放大器，放大器採用AD8421晶片；A/D轉換器採用AD9221晶片。

在上述結構的基礎上，所涉及A/D轉換器採用AD9221晶片，處理器為STM32處理器。

在上述結構的基礎上，所涉及數據存儲器採用W25Q64型flash晶片，USB通訊接口採用CH341晶片，充電接口採用4芯防水航空接頭。

在上述結構的基礎上，所涉及電池組採用2組錳酸鋰聚合物鋰離子電池串聯連接，單組輸出電壓3.7V, 2組串聯組成錳酸鋰聚合物鋰離子電池組輸出電壓為7.4V。

本實用新型的一種可攜式礦山動力災害監測裝置與現有技術相比所產生的有益效果是：

1）本實用新型能夠靈活的監測在多個測點或區域，並同步監測電磁、聲發射、微震、電荷感應信號，完成監測數據的自動計算、顯示、存儲，操作方便，在監測完成後，還能通過在地面與計算機通訊，將數據導入計算機的數據分析軟體中，實現數據的深化分析，並進行礦山動力災害的分級預警；

2）本實用新型的監測主機採用不鏽鋼外殼，小巧靈活，堅固耐用，防塵、防潮、防水、抗衝擊，能夠完全屏蔽外部幹擾信號，測試更加安全穩定，遠優於常規的塑料外殼、鐵殼；

3）本實用新型其自動化程度高，無需再進行傳統打鑽作業，大大降低了工人勞動強度，作業安全度更高，抗幹擾能力更強，可滿足現代礦山安全建設的需要，適用於金屬礦山巖爆、煤礦衝擊地壓、煤與瓦斯突出等礦山動力災害監測預警，也可進行隧道或大型混凝土結構的穩定性評價。

附圖說明

圖1是本實用新型的裝置結構連接示意圖；

圖2是本實用新型在綜採工作面安裝布點監測示意圖；

圖3是本實用新型的電磁、聲發射、微震、電荷感應數據採集處理過程示意圖；

圖4是本實用新型的工作流程圖。

圖中各標號表示：

1、電磁感應傳感器，2、低頻聲波傳感器，3、低頻拾震傳感器，

4、電荷感應傳感器，5、匹配電阻，6、一級放大器，7、二級放大器，

8、A/D轉換器，9、STM32處理器，10、數據存儲器，11、USB通訊接口，

12、顯示器，13、充電接口，14、同步埠，

15、錳酸鋰聚合物鋰離子電池組；

DQD表示電磁信號強度值，DMC表示電磁信號脈衝值，

DSJ表示電磁信號事件數，DNL表示電磁信號能量值，

SFZ表示聲發射信號幅值，SZL表示聲發射信號振鈴值，

SSJ表示聲發射信號事件數，SNL表示聲發射信號能量值，

WNL表示微震信號能量值，WSJ表示微震信號事件數，

DFZ表示電荷感應信號幅值。

具體實施方式

下面結合圖1-4，對本實用新型的一種可攜式礦山動力災害監測裝置作以下詳細說明。

如圖1、2、3所示，本實用新型的一種可攜式礦山動力災害監測裝置，該裝置包括數據採集結構，對採集的數據進行調理、轉換、統計計算、存儲和顯示的監測主機，以及對處理後數據進行後期分析並預警的計算機。其中：

數據採集結構包括安裝在監測區域的電磁感應傳感器1、低頻聲波傳感器2、低頻拾震傳感器3和電荷感應傳感器4，用於監測礦山巖體或煤巖體受載非勻速變形破裂過程中產生的電磁信號、聲發射信號、微震信號、電荷感應信號；

監測主機包括四路依次連接的採用AD8421晶片的放大器、採用AD9221晶片的A/D轉換器8和內嵌分析處理程序的STM32處理器9，上述電磁感應傳感器1、低頻聲波傳感器2、低頻拾震傳感器3和電荷感應傳感器4分別通過匹配電阻5一一相對連接於放大器的輸入端，在電磁感應傳感器1、低頻聲波傳感器2、低頻拾震傳感器3和電荷感應傳感器4監測到電磁信號、聲發射信號、微震信號、電荷感應信號時，電磁感應傳感器1、低頻聲波傳感器2、低頻拾震傳感器3和電荷感應傳感器4的內部分別產生微弱電信號輸出，通過1KΩ以上的匹配電阻5後連接到放大器，信號經過放大器放大後進入A/D轉換器8進行模數轉換，A/D轉換器8的轉換速度快、採樣精度高，轉換後的數位訊號直接連接STM32處理器9進行處理，STM32處理器9除自身具有高速運算能力外，還內嵌分析處理程序，可以大大節省系統資源及使用外部程序存儲器的成本；監測主機還包括分別連接於處理器輸出端採用W25Q64型flash晶片的數據存儲器10、採用CH341晶片的USB通訊接口11、顯示器12、充電接口13，以及給監測主機提供電能的電池組；

計算機連接於監測主機的USB通訊接口11，計算機包含有SQL資料庫與數據分析軟體，數據分析軟體根據USB通訊接口11傳送的數據完成區域動態趨勢圖形、區域趨勢預警、超限預警、報警級別、自動報表數據處理。

監測主機還包括不鏽鋼外殼，上述匹配電阻5、放大器、A/D轉換器8、內嵌分析處理程序的STM32處理器9、充電接口13、電池組分別位於不鏽鋼外殼內部，上述數據存儲器10、USB通訊接口11和顯示器12分別位於不鏽鋼外殼外側。

監測主機的數量為至少兩臺，每臺監測主機的處理器輸出端連接有同步埠14，至少兩臺監測主機的同步埠14之間通過電纜並聯連接，且每個同步埠14的電纜採用三通接線盒進行分線。

電磁感應傳感器1的監測頻率範圍為1 kHz -500 kHz, 所述低頻聲波傳感器2監測的聲波頻率範圍為0.5 kHz-20 kHz，所述低頻拾震傳感器3監測的微震波頻率範圍為0.1Hz-300Hz。

另一方面，電磁感應傳感器1有效監測範圍不小於30米，低頻聲波傳感器2有效監測範圍不小於100米，低頻拾震傳感器3有效監測範圍不小於1000米，電荷感應傳感器4有效監測範圍不小於10米。

上述敘述中，需要補充說明的是：

1）放大器包括一級放大器6和二級放大器7，一級放大器6和二級放大器7的放大倍數均可在20倍-1000倍之間任意調整，總放大倍數為一級放大倍數和二級放大倍數的乘積；

2）數據存儲器10支持10萬次讀寫操作，比傳統U盤存儲更加穩定和耐用；

3）USB通訊接口11的最高通訊速率達2000000bit/S，是傳統RS232串口通訊最高速率20000bit/S的100倍以上；

4）顯示器12選用低功耗的液晶顯示器12，同時為編程方便和節省存儲器空間，選用每行16個字符共4行的液晶顯示器12，顯示器12和主板的連接通過排線及插座完成；

5）充電接口13採用4芯防水航空接頭，可在地面通過配套鋰離子充電器充電；

6）同步埠14可在多臺監測主機同時測試時通過電纜連接，利用脈衝觸發信號，實現多機同步監測；

7）電池組可以採用2組錳酸鋰聚合物鋰離子電池串聯連接，錳酸鋰聚合物鋰離子電池組15為隔爆本安型電池組，單組輸出電壓3.7V, 2組串聯組成錳酸鋰聚合物鋰離子電池組15(15)輸出電壓為7.4V,可重複充放電1000次以上，比常規鎳氫電池組體積更小，重量更輕，成本更低，續航及使用壽命更長。

再結合圖4，本實用新型的一種可攜式礦山動力災害監測裝置的監測預警原理基於礦山巖體或煤巖體中天然存儲的能力以電磁、聲發射、微震、電荷感應的方式進行釋放，其工作過程包括以下步驟：

1）開始監測前，結合礦井綜採工作面實際情況，進行測點布置，確定的地點應便於安裝傳感器；

2）測點一般布置在綜採工作面的上巷和下巷，從工作面開始，每隔25米布置1處測點，每處測點有適合安裝低頻聲波傳感器2的錨杆，提前預製好安裝低頻拾震傳感器3的水泥臺和安裝電荷感應傳感器4的淺部鑽孔，鑽孔深度一般為0.5米；

3）將電磁感應傳感器1直接放在支架上垂直朝向被測礦山巖體或煤巖區域，低頻聲波傳感器2安裝固定在被測區域的礦山巖體或煤巖表面錨杆上或底板支柱上，低頻拾震傳感器3安裝固定在被測區域預製的水泥臺上，電荷感應傳感器4安裝固定在礦山巖體或煤巖表面淺部鑽孔中進行測試；

4）將電磁感應傳感器1、低頻聲波傳感器2、低頻拾震傳感器3和電荷感應傳感器4與監測主機連接，打開電源，在監測主機的控制面板上設置基本參數後開始測試，監測主機控制面板上可以設置的基本參數包括信號閥值、測試時間、報警值、測點清空、按鍵音開關；

5）礦山巖體或煤巖體在採動影響或應力荷載作用下發生非均勻變形、裂紋擴展，直至劇烈破壞，在這一演化過程期間，礦山巖體或煤巖體將產生電磁、聲發射、微震、電荷感應四種信號，被電磁感應傳感器1、低頻聲波傳感器2、低頻拾震傳感器3和電荷感應傳感器4同時接收後，由監測主機高速採集、轉換、處理、存儲和顯示，其中處理的數據包括

一個位置測試完成後轉入下一測點進行測試，每個位置的測試時間為2min-10min；

6）井下全部測點測試完成後，將裝置帶至地面通過USB通訊接口11與計算機連接，將指標數據上傳入計算機；計算機的數據分析軟體生成各個指標數據的曲線圖，同時根據曲線的不同變化趨勢和臨界預警值的關係自動給出分級預警提示，一級黃色預警表示弱危險，二級橙色預警表示危險，三級紅色預警表示強危險。

在工作過程中，監測主機的處理器進行統計計算的指標數據包括：電磁信號強度值DQD、電磁信號脈衝值DMC、電磁信號事件數DSJ、電磁信號能量值DNL、聲發射信號幅值SFZ、聲發射信號振鈴值SZL、聲發射信號事件數SSJ、聲發射信號能量值SNL、微震信號能量值WNL、微震信號事件數WSJ、電荷感應信號幅值DFZ。

在監測主機的控制面板設定信號閥值：

a）當電磁信號強度值DQD、聲發射信號幅值SFZ、微震信號能量值WNL低於設定的信號閥值時，處理器每秒統計計算電磁信號強度值DQD、聲發射信號幅值SFZ、微震信號能量值WNL、電荷感應信號幅值DFZ；

b）當電磁信號強度值DQD、聲發射信號幅值SFZ、微震信號能量值WNL高於設定的信號閥值時，處理器每秒統計計算電磁信號強度值DQD、電磁信號脈衝值DMC、電磁信號事件數DSJ、電磁信號能量值DNL、聲發射信號幅值SFZ、聲發射信號振鈴值SZL、聲發射信號事件數SSJ、聲發射信號能量值SNL、微震信號能量值WNL、微震信號事件數WSJ、電荷感應信號幅值DFZ。

綜上所述，以上內容僅用以說明本實用新型的技術方案，而非對本實用新型保護範圍的限制，儘管該具體實施方式部分對本實用新型作了詳細地說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術方案的實質和範圍。