超低頻電磁感應(yīng)監(jiān)測預(yù)警煤巖動力災(zāi)害系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種超低頻電磁感應(yīng)監(jiān)測預(yù)警煤巖動力災(zāi)害系統(tǒng)及方法，屬于礦山安全及監(jiān)測監(jiān)控領(lǐng)域。該方法是通過多個測點，遠距離實時監(jiān)測受載煤巖體產(chǎn)生的超低頻電磁感應(yīng)信號，根據(jù)信號強度及變化規(guī)律對煤巖動力災(zāi)害危險性進行預(yù)警。在選定測點處安裝監(jiān)測主機和天線，并將天線的有效接收方向?qū)时槐O(jiān)測煤巖體，天線接收的信號由監(jiān)測主機進行調(diào)理、采集、處理、分析和存儲、顯示，通過通訊接口、監(jiān)測分站，將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，實現(xiàn)24小時不間斷監(jiān)測。監(jiān)測主機和監(jiān)測中心對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，判定是否有危險性。本系統(tǒng)安裝及移動方便，監(jiān)測、分析及預(yù)警自動化程度高?？蓱?yīng)用于沖擊地壓、煤與瓦斯突出、煤與瓦斯壓出和突水等監(jiān)測預(yù)警。
【專利說明】超低頻電磁感應(yīng)監(jiān)測預(yù)警煤巖動力災(zāi)害系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用超低頻電磁感應(yīng)信號監(jiān)測預(yù)警煤礦煤巖動力災(zāi)害的系統(tǒng)及 方法，屬礦山安全及監(jiān)測監(jiān)控領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 煤礦常見的煤巖動力災(zāi)害現(xiàn)象主要包括煤（巖）與瓦斯（甲烷或二氧化碳）突 出、沖擊礦壓（又稱沖擊地壓或礦震）、頂板塌陷和突水等。隨著煤礦采掘深度及開采強度 的加大，礦井瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動力災(zāi)害日益嚴重且復雜，災(zāi)害危險性明顯增大， 同時原來一些沒有動力災(zāi)害或征兆不明顯的礦井現(xiàn)在也逐漸顯現(xiàn)，嚴重威脅著井下工人的 生命安全和礦井的正常生產(chǎn)。
[0003] 我國目前對于煤巖動力災(zāi)害的監(jiān)測可大體分為靜態(tài)法和動態(tài)法兩類。靜態(tài)法主要 通過打鉆，觀測鉆孔中一些物理指標來實現(xiàn)的，包括鉆屑倍率法、鉆孔瓦斯涌出初速度法、 鉆屑瓦斯解吸指標法及其它綜合指標法。這些指標的測定需占用一定的作業(yè)時間和空間， 工程量較大，作業(yè)時間也較長，對生產(chǎn)有一定的影響；操作過程中的安全性差，在打鉆時易 誘發(fā)動力災(zāi)害；預(yù)測的準確性較低，易受人工及煤體分布不均勻的影響。
[0004] 動態(tài)法預(yù)測主要通過連續(xù)監(jiān)測聲發(fā)射、微震、瓦斯涌出量等信號進行分析預(yù)測，與 靜態(tài)法相比優(yōu)勢明顯，具有信號連續(xù)性好，監(jiān)測過程對生產(chǎn)影響小等特點。但也有各自的 局限性，如監(jiān)測區(qū)域小、規(guī)律性不明顯等，目前還無法滿足工作面對煤巖動力災(zāi)害預(yù)測的需 要。
[0005] 近些年來，煤巖電磁輻射特性及其應(yīng)用研究方面取得了較大的進展。發(fā)明專利"預(yù) 測含氣煤巖砼災(zāi)害的方法及裝置"（ZL98111185.8)、實用新型專利"煤巖動力災(zāi)害電磁輻 射監(jiān)測裝置"（專利號為ZL01272808. X)等通過非接觸監(jiān)測受載煤巖體變形破裂時產(chǎn)生的 電磁輻射信號及其變化規(guī)律，預(yù)報煤與瓦斯突出和沖擊地壓等煤巖動力災(zāi)害的危險性，發(fā) 明專利"煤巖動力災(zāi)害實時監(jiān)測預(yù)報裝置及預(yù)報方法，專利號為ZL200410065793. 1"，其主 要用途是對煤巖動力災(zāi)害進行連續(xù)實時監(jiān)測和預(yù)警。這些專利已經(jīng)在很多礦井開始使用， 并取得了良好效果。但由于采集的電磁信號主要集中在3- 3000kHz，該頻段信號有效傳播 距離較短，對于厚煤層沖擊、高位堅硬頂板斷裂誘發(fā)沖擊、實施超深孔卸壓爆破措施后的沖 擊及遠距離的煤炮或震動等無法有效監(jiān)測，且受到機電設(shè)備等發(fā)出的電磁干擾信號影響較 大。與目前監(jiān)測頻段相比，超低頻、特低頻電磁感應(yīng)信號的傳播距離更遠，但還缺乏相應(yīng)的 礦用監(jiān)測設(shè)備及方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 技術(shù)問題：本發(fā)明是針對需求及現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供一種監(jiān)測距離遠，受 機電設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾影響小，抗干擾能力強的超低頻電磁感應(yīng)監(jiān)測預(yù)警煤巖動力災(zāi)害 系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)及方法能夠?qū)γ簬r動力災(zāi)害進行有效、非接觸、遠距離、大范圍、連續(xù)不 間斷、遠程監(jiān)測預(yù)警，設(shè)備安裝及操作方便，對生產(chǎn)無影響，費用低。
[0007] 技術(shù)方案：本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：該系統(tǒng)包括超低頻天線、監(jiān)測主機、監(jiān)測 分站和監(jiān)測中心；超低頻天線和監(jiān)測主機連接，監(jiān)測主機通過監(jiān)測分站與監(jiān)測中心連接； 所述的監(jiān)測主機包括信號調(diào)理器、單片機、電源、通訊接口，電源為監(jiān)測主機供電，超低頻天 線與信號調(diào)理器的輸入端連接，信號調(diào)理器的輸出端與單片機的輸入端連接，單片機的輸 出端與通訊接口連接；通訊接口與監(jiān)測分站連接；所述的超低頻天線與監(jiān)測主機連接構(gòu)成 監(jiān)測器，監(jiān)測器為多個布置在井下監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，均與監(jiān)測分站連接。
[0008] 超低頻天線為超低頻電磁感應(yīng)天線，超低頻天線和監(jiān)測主機的主頻帶為30? 1000Hz。
[0009] 超低頻電磁感應(yīng)監(jiān)測煤巖動力災(zāi)害的預(yù)警方法為：包括：臨界值法和動態(tài)趨勢法 對煤巖動力災(zāi)害進行預(yù)警。在使用該系統(tǒng)監(jiān)測煤巖動力災(zāi)害時，將天線有效接收方向?qū)?煤巖體的被監(jiān)測區(qū)域，并固定好天線，天線與被測區(qū)域的距離不大于30米為宜。將超低頻 電磁感應(yīng)天線與監(jiān)測主機輸入端連接，將監(jiān)測主機信號輸出端與礦井監(jiān)測分站聯(lián)接，通電 后，通過防塵防水觸摸式鍵盤上的按鍵進行人機對話，輸入門限值、預(yù)警臨界值等參數(shù)，即 可進行測試及實時預(yù)警。監(jiān)測主機既可在外部電源供電的情況下單獨工作，也可作為一個 傳感器與煤礦監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運行。
[0010] 所述的臨界值法是在監(jiān)測主機內(nèi)和監(jiān)測中心設(shè)置有信號強度E和脈沖數(shù)N的預(yù)警 臨界值，當信號強度E和脈沖數(shù)N超過其相應(yīng)的預(yù)警臨界值，發(fā)出警報。所述的動態(tài)趨勢法 是監(jiān)測中心對各測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行空間規(guī)律和時間規(guī)律分析，并根據(jù)相應(yīng)臨界值對煤巖 動力災(zāi)害進行預(yù)警，該方法包含時間預(yù)警和空間預(yù)警，具體如下：
[0011] 時間預(yù)警：分析監(jiān)測數(shù)據(jù)及其變化趨勢，當超過其相應(yīng)的臨界值時，判定有煤巖動 力災(zāi)害危險性；
[0012] 空間預(yù)警：分析多個測點監(jiān)測數(shù)據(jù)，當被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)兩個以上測點監(jiān)測值或變化 趨勢超過其相應(yīng)的臨界值時，則判定這些測點所覆蓋區(qū)域具有煤巖動力災(zāi)害危險性。
[0013] 有益效果，由于采用了上述方案，使得天線接收到的超低頻電磁感應(yīng)信號范圍更 大；信號可以通過監(jiān)測分站，將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，實現(xiàn)24小時不間斷監(jiān)測；監(jiān) 測中心對各測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以進行時間規(guī)律和空間規(guī)律分析；采用動態(tài)趨勢法和臨界值 法預(yù)警，當被測區(qū)域內(nèi)測點電磁感應(yīng)信號超過相應(yīng)的臨界值時，判定該區(qū)域有煤巖動力災(zāi) 害危險。
[0014] 優(yōu)點：實現(xiàn)了煤巖動力災(zāi)害實時、高效的預(yù)測預(yù)警，對大范圍區(qū)域性的動力災(zāi)害反 映更為靈敏。監(jiān)測距離更遠、覆蓋范圍更大、抗干擾能力更強，工作量更?。粶y試結(jié)果反映了 被測區(qū)域整體發(fā)生煤巖動力災(zāi)害的可能性，對煤礦生產(chǎn)過程中所遇到的各種動力災(zāi)害有較 好的預(yù)警效果，同時也可廣泛應(yīng)用于水利、隧道和地下工程。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015] 圖1是本發(fā)明的監(jiān)測流程圖。
[0016] 圖2是本發(fā)明的現(xiàn)場監(jiān)測儀器布置圖。
[0017] 圖3是本發(fā)明系統(tǒng)的構(gòu)成結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖中，1、超低頻天線；2、信號調(diào)理器；3、監(jiān)測主機；4、監(jiān)測分站；5、電源；6、通訊接 口；7監(jiān)測中心。

【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個實例作進一步的描述：
[0020] 本發(fā)明的超低頻電磁感應(yīng)監(jiān)測預(yù)警煤巖動力災(zāi)害系統(tǒng)，主要由超低頻天線1、監(jiān)測 主機3、監(jiān)測分站4和監(jiān)測中心7 ;超低頻天線1和監(jiān)測主機3連接，監(jiān)測主機3通過監(jiān)測分 站4與監(jiān)測中心7連接；所述的監(jiān)測主機3包括信號調(diào)理器2、單片機、電源5、通訊接口 6 構(gòu)成。電源5為監(jiān)測主機3供電，超低頻天線1與信號調(diào)理器2的輸入端連接，信號調(diào)理器 2的輸出端與單片機的輸入端連接，所述的超低頻天線1為超低頻電磁感應(yīng)天線，超低頻天 線1和監(jiān)測主機3的主頻帶為30?1000Hz。單片機的輸出端與通訊接口 6連接；通訊接 口 6與監(jiān)測分站4連接；所述的超低頻天線1與監(jiān)測主機3連接構(gòu)成監(jiān)測器，監(jiān)測器為多個 布置在井下監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，均與監(jiān)測分站連接。
[0021] 下面對部分組成分別予以說明，即：超低頻天線1、信號調(diào)理器2、監(jiān)測主機3、監(jiān)測 分站4、電源5、通訊接口 6和監(jiān)測中心7。
[0022] 1)超低頻天線
[0023] 這是本發(fā)明的核心內(nèi)容，該天線為超低頻電磁感應(yīng)天線，天線的通頻帶為30? 1000Hz，靈敏度高，具有定向特點。
[0024] 2)信號調(diào)理器
[0025] 主要用于把傳感器接收的信號進行放大，放大倍數(shù)可調(diào)節(jié)，其輸出直接送入單片 機的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。
[0026] 3)監(jiān)測主機
[0027] 由單片機、顯示器、數(shù)據(jù)存儲器、信號輸出電路、電源、按鍵等構(gòu)成，從而實現(xiàn)對超 低頻信號的采集、顯示、存儲和輸出。
[0028] 主要技術(shù)指標：
[0029] a)防爆型式：ExibI本質(zhì)安全型；
[0030] b)接收信號頻率：30Hz?1000Hz ;
[0031] c)靈敏度：優(yōu)于1 μ V，可適應(yīng)不同煤層及地質(zhì)條件；
[0032] d)采樣速率：1?10kHz可調(diào)，滿足不同需要；
[0033] e)記錄方式：監(jiān)測主機連續(xù)、自動處理，在本機生成記錄文件，同時實時輸出至地 面監(jiān)測中心記錄；
[0034] f)數(shù)據(jù)存儲：采用SD卡作為存儲設(shè)備，數(shù)據(jù)存儲容量大于4GB ;
[0035] g)操作方式：監(jiān)測儀可通過操作面板按鍵實現(xiàn)人機對話，可輸入的參數(shù)有：統(tǒng)計 時間長度、輸出信號及輸出幅度、輸出信號形式、預(yù)警臨界值。
[0036] 4)監(jiān)測分站
[0037] 監(jiān)測分站為礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中的井下分站。
[0038] 5)電源
[0039] 本監(jiān)測器由外部電源供電，也可直接使用監(jiān)測分站提供的電源，工作電壓為12? 24VDC。通過三端式固定電源穩(wěn)壓器LM7805提供固定的+5V電源，供數(shù)字電路部分使用。通 過三端式固定電源穩(wěn)壓器LM7812提供固定的+12V電源，供信號調(diào)理器部分使用。
[0040] 6)通訊接口
[0041] 具有三種信號輸出方式，分別為RS485信號輸出，4?20mA信號輸出，200? 1000Hz信號輸出，可適應(yīng)不同的監(jiān)測系統(tǒng)要求，均可通過電纜與監(jiān)測分站進行聯(lián)接，實現(xiàn)測 試數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，每種輸出方式可輸出兩路信號。
[0042] 7)監(jiān)測中心
[0043] 監(jiān)測中心為礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中的地面監(jiān)測中心。
[0044] 如附圖2所示，信號的采集、轉(zhuǎn)換、處理、存儲、報警和輸出由監(jiān)測主機自動連續(xù)地 完成。由于超低頻天線1接收到的超低頻電磁感應(yīng)信號較弱，不能直接進行處理，經(jīng)監(jiān)測主 機3內(nèi)的信號調(diào)理器2調(diào)理后送入監(jiān)測主機3內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換器，直接進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并讀 出電磁感應(yīng)信號強度E和脈沖數(shù)N，存入數(shù)據(jù)存儲器，同時進行實時顯示，并通過通訊接口 6 輸出給監(jiān)測系統(tǒng)分站4,最終將數(shù)據(jù)傳送至地面監(jiān)測中心7,通過監(jiān)測中心7對超低頻電磁 感應(yīng)數(shù)據(jù)的實時圖、表、數(shù)據(jù)進行顯示，并按照所設(shè)臨界值進行預(yù)警。當監(jiān)測預(yù)警區(qū)域較大， 單天線監(jiān)測范圍無法覆蓋監(jiān)測區(qū)域時，可以通過布置多套監(jiān)測器（監(jiān)測天線和監(jiān)測主機）， 并聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對大范圍區(qū)域的監(jiān)測覆蓋。
[0045] 本發(fā)明的超低頻電磁感應(yīng)監(jiān)測煤巖動力災(zāi)害預(yù)警方法：包括：臨界值法和動態(tài)趨 勢法對煤巖動力災(zāi)害進行預(yù)警。在使用該系統(tǒng)監(jiān)測煤巖動力災(zāi)害時，將天線有效接收方向 對準煤巖體的被監(jiān)測區(qū)域，并固定好天線，天線與被測區(qū)域的距離不大于30米為宜。將超 低頻電磁感應(yīng)天線與監(jiān)測主機輸入端連接，將監(jiān)測主機信號輸出端與礦井監(jiān)測分站聯(lián)接， 通電后，通過防塵防水觸摸式鍵盤上的按鍵進行人機對話，輸入門限值、預(yù)警臨界值等參 數(shù)，即可進行測試及實時預(yù)警。監(jiān)測主機既可在外部電源供電的情況下單獨工作，也可作為 一個傳感器與煤礦監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運行。
[0046] 所述的臨界值法是在監(jiān)測主機內(nèi)和監(jiān)測中心設(shè)置有信號強度E和脈沖數(shù)N的預(yù)警 臨界值，當信號強度E和脈沖數(shù)N超過其相應(yīng)的預(yù)警臨界值，發(fā)出警報。所述的動態(tài)趨勢法 是監(jiān)測中心對各測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行空間規(guī)律和時間規(guī)律分析，并根據(jù)相應(yīng)臨界值對煤巖 動力災(zāi)害進行預(yù)警，該方法包含時間預(yù)警和空間預(yù)警，具體如下：
[0047] 時間預(yù)警：分析監(jiān)測數(shù)據(jù)及其變化趨勢，當超過其相應(yīng)的臨界值時，判定有煤巖動 力災(zāi)害危險性；
[0048] 空間預(yù)警：分析多個測點監(jiān)測數(shù)據(jù)，當被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)兩個以上測點監(jiān)測值或變化 趨勢超過其相應(yīng)的臨界值時，則判定這些測點所覆蓋區(qū)域具有煤巖動力災(zāi)害危險性。
[0049] 超低頻電磁感應(yīng)監(jiān)測預(yù)警煤巖動力災(zāi)害方法主要包含以下指標：
[0050] a)信號接收方式：遠距離、大范圍接收。采用超低頻帶、遠距離、大范圍高靈敏度、 定向電磁接收天線，受作業(yè)場所中工作機械及工作人員的干擾小。
[0051] b)信號處理方式：實時處理、實時顯不、實時輸出。
[0052] c)預(yù)警方式：采用臨界值法和動態(tài)趨勢法預(yù)警相結(jié)合的方法對煤巖動力災(zāi)害危 險性進行實時預(yù)警。
【權(quán)利要求】
1. 一種超低頻電磁感應(yīng)監(jiān)測預(yù)警煤巖動力災(zāi)害系統(tǒng)，其特征在于：該系統(tǒng)包括超低頻 天線、監(jiān)測主機、監(jiān)測分站和監(jiān)測中心；超低頻天線和監(jiān)測主機連接，監(jiān)測主機通過監(jiān)測分 站與監(jiān)測中心連接；所述的監(jiān)測主機包括信號調(diào)理器、單片機、電源、通訊接口，電源為監(jiān)測 主機供電，超低頻天線與信號調(diào)理器的輸入端連接，信號調(diào)理器的輸出端與單片機的輸入 端連接，單片機的輸出端與通訊接口連接；通訊接口與監(jiān)測分站連接；所述的超低頻天線 與監(jiān)測主機連接構(gòu)成監(jiān)測器，監(jiān)測器為多個布置在井下監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，均與監(jiān)測分站連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超低頻電磁感應(yīng)監(jiān)測預(yù)警煤巖動力災(zāi)害系統(tǒng)，其特征在于： 超低頻天線為超低頻電磁感應(yīng)天線，超低頻天線和監(jiān)測主機的主頻帶為30?1000Hz。
3. -種使用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的超低頻電磁感應(yīng)監(jiān)測煤巖動力災(zāi)害預(yù)警方法，其特 征在于：在選定測點處安裝監(jiān)測主機和天線，并將天線的有效接收方向?qū)时槐O(jiān)測煤巖體， 天線距被監(jiān)測區(qū)域的距離不大于30米；天線接收到的超低頻電磁感應(yīng)信號由監(jiān)測主機進 行調(diào)理、采集、處理、分析和存儲、顯示，并通過標準信號輸出接口、監(jiān)測分站和通訊接口或 環(huán)網(wǎng)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，實現(xiàn)24小時不間斷監(jiān)測，當單天線監(jiān)測范圍無法 覆蓋監(jiān)測區(qū)域時，通過布置多套監(jiān)測器（監(jiān)測天線和主機），并聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)對大范圍區(qū)域的監(jiān) 測覆蓋； 監(jiān)測主機和監(jiān)測中心設(shè)置有信號強度E和脈沖數(shù)N的預(yù)警臨界值，當信號強度E和脈 沖數(shù)N超過其相應(yīng)的預(yù)警臨界值，發(fā)出警報。監(jiān)測中心對各測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行空間規(guī)律 和時間規(guī)律分析，并根據(jù)相應(yīng)臨界值對煤巖動力災(zāi)害進行動態(tài)趨勢法預(yù)警，包含時間預(yù)警 和空間預(yù)警； 所述的時間預(yù)警：分析監(jiān)測數(shù)據(jù)及其變化趨勢，當超過其相應(yīng)的臨界值時，判定有煤巖 動力災(zāi)害危險性； 所述的空間預(yù)警：分析多個測點監(jiān)測數(shù)據(jù)，當被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)兩個以上測點監(jiān)測值或變 化趨勢超過其相應(yīng)的臨界值時，則判定這些測點所覆蓋區(qū)域具有煤巖動力災(zāi)害危險性。
【文檔編號】E21F17/18GK104088668SQ201410304759
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月30日
【發(fā)明者】王恩元, 賈慧霖, 何學秋 申請人:中國礦業(yè)大學