一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的系统与方法，由固定于井下采掘地点附近巷道内或地表面的传感器、信号传输链路、数据控制中心来完成对地下采掘点的监测，传感器采集由地下采掘点爆破、岩石破裂、或工具冲击岩石发出的声波信号，附上精确的时间信息后发送到数据中心，数据中心对传感器发送来的信号进行分析，判定出各个传感器感应到声波峰值时所对应的一系列精确时间或声波峰值的值，计算出地下采掘点的三维坐标。

System and method for monitoring underground mining point of mine by sound wave

The invention discloses a method and system for monitoring the underground mining point by using sound waves, fixed on the nearby underground mining site in the tunnel or surface of the sensor, signal transmission, data link control center to complete the monitoring of underground mining point, the sensor to collect acoustic signals from underground mining point blasting, rock fracture a tool or shock rock, with accurate time information sent to the data center, the data center to analyze the sensor sends a signal to the judge, each sensor when the acoustic peak to be a series of precise time or acoustic peak value, calculate the 3D coordinates of the point of underground mining.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及矿井监控领域，特别是涉及一种利用声波对矿山地下采掘点进 行监测的系统与方法。
技术介绍
目前，小矿井特别是小矿井事故频繁，究其原因主要是乱采滥挖、越界开采、 缺乏有效监督、在顶板事故的预防方面没有最基本的监测手段所造成的。但现 在对矿山地下采掘点定位 一般采用光学测量的方法，欲确定地下采掘点的位置 必须由专业测量人员到井下用经绵仪进行导线测量。这虽然对于需要精确测量 的场合是必须的，但是在某些需要随时或者快速掌握井下釆掘工作面的大致位 置而不需要很精确定位的情况下，光学测量就太烦瑣了，有时是根本没法达到 的。顶板监测方面也是如此，工人只是简单地通过经验来判断顶板情况，而对 于顶板的来压无法预知，更没有一个量化的标准。
技术实现思路
根据现有技术的不足，本专利技术的目的是设计和专利技术一种无需专业测量人员进 行烦瑣复杂的测量工作或无需工人掌握操作复杂的仪器的情况下，上级领导和 现场工人也可以快速掌握井下采掘点的位置、顶板情况，甚至可以检测和预报 采掘点顶板下沉的系统与方法。为了解决上述问题，本专利技术提供了 一种利用声波对地下采掘点进行监测的方 法，由固定于井下采掘地点附近巷道内或地表面的传感器、信号传输链路、数据控制中心来完成对地下采掘点的监测，包括以下步骤(a )将至少三个用于检测声波的传感器固定于欲探测采掘点附近的巷道内 或地表面；(b )利用传统方法分别测量出各个传感器的精确三维坐标位置；(c) 各个传感器内的计时器保持精确同步；(d) 上述传感器分别将接收到的由地下采掘点爆破、岩石破裂、或工具沖击 岩石发出的声波信号附上精确的时间信息后发送到数据控制中心；(e )数据控制中心对传感器发送来的信号进行分析并综合处理，计算出地下 采掘点的位置或顶板断裂点的位置。本专利技术同时提供了 一种利用声波对地下采掘点进行监测的系统，包括固定 于井下釆掘地点附近巷道内或大地表面用于检测声波的传感器、信号传输链路、 数据控制中心，其特征是所述的传感器为集成了声波检波器、中央处理器、 电源、信号传输模块的嵌入式系统。如上所述的电源由光电池与蓄电池组成。如上所述的信号传输模块为无线信号传输模块。如上所述的声波;险波器为三轴振动传感器。 附图说明图l是本专利技术一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的系统示意图。图中 (101 ) —一 ( 106 )传感器；(107 )--监控主机(108 )—无线收发器；(109 ) 一地下采掘点。图2是本专利技术一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的传感器的电气原理 图。图中U01)--单片机；(202 )--数据存储器；(203 )--无线通讯模块；(204 ) --天线；(205 )—检波器；(206 )--程序储存器；(207 )—太阳能电池；(208 ) —蓄电池；(209 )--运算放大器；(210)—带通滤波器。 具体实施例方式结合附图，本专利技术的一个较佳实施例将予以详细描述如下。然而，除了详细的描述之外，本专利技术还可以广泛地在其它实施例施行，且本专利技术的范围不受 其限定，而以权利要求所限定的专利范围为准。另外，不相关的细节部分也未完全绘出，以求图示的简洁。在图l中，传感器(101) - (106)分别布置于欲检测地下采掘点(109)附近不同地点的预先打好的钻孔内，然后利用传统测量法对各传感器的三维坐标 进行精确测量。正常工作时，各传感器将所检测到的声波以数字信号的方式通过无线收发器(108 )传输到监控主机(107 )。在图2中，传感器的全部电路由单片机(201)控制，其型号可选32位ARM9系 列高性能单片机s3c2410;单片机(201)上还扩展了外部程序储存器(206 )与 外部数据储存器(202 )。检波器(205 )埋设于距离地表一定的深度处(为了使 得各检波器接收到的声波平均波速达到最小的离散度，各检波器应位于一个平 面上，且该平面与地层平行)，声波信号经纟0一80Hz (爆破震动产生的声波频率 所处范围)的带通滤波器(210)进入运算放大器(209 )，以模拟量的形式传送 到中央处理器(201)的A/D转换接口上。模拟声波信号转换为数字信号后，结 合当前时间对上述数字信号重新编码，通过s3c2410的USB (通用串行总线)接 口发送出去。射频收发模块可选CC2400,并通过布置于地面的天线(204 )进行 收发。电源由蓄电池(208 )与布置于地面的光电池(207 )供给，白天蓄电池 和光电池共同供电，光线较好时光电池亦可对蓄电池进行充电，夜晚由蓄电池 单独供电。当地下采掘点发生大的震动(比如爆破)时，由于各传感器所处的三维坐标 都不相同，所以声波将在不同的时间到达各个传感器，又由于P波(纵波)波速 大于S波(横波)，所以传感器首先检测到的是P波，而S波将不予考虑。设起爆 时间为T。、声波的峰值到达传感器(101) - (106)的时间分别为L、 T2、 T3、 T4、6T5、 T6,声波在地层中传播的平均速度为V,地下采掘点的三维坐标为(x。，y。，z。)， 传感器(101 ) - ( 106)的三维坐标分别为(Xi,yi,Zi), (x2,y2，z2)……(x6, y6, z6)， 则对于传感器(101 ) - ( 105 ),有如下五元二次方程组,(:K厂x()"+(y厂y(02+ (z广z()f二2 (x广x(>) 2+ (y厂y》2+ (2=2 < (x广x(y+(y:厂y())2+(&—z())2二2 、(X5—x。)2+(y5—y。)2+ (z「z(')2=2在上面的方程组中，x。， yQ, z。， t。， v为未知数，而其余为已知数，解此方程组(由 于此过程为一纯数学问题，故此处略去具体细节)即可得到地下采掘点的坐标 (x。， y0, z。)。上述过程只取6个传感器中的其中5个测量结果进行了计算，得出一个地下采 掘点的坐标值，如果对6个传感器中的所有5个测量结果的组合进行计算，可以 有6种组合，得出6个计算结果。取这6个计算结果所对应的坐标点的重心，可得 到更为精确的(x。， y。， z。)的值。所有传感器的计时器通过信号传输链路保持同步。作为一种辅助测量手段，本实施例还可以通过声波的振幅与震源到传感器之 间距离的某次方成反比这一关系对前面的坐标计算结果进行验证。设震源的最 大振幅为A。、到达传感器(101) - (106)后衰减为Ai、 A2、 A3、 A4、 A5、 A6，则有 如下方程组<formula>formula see original document page 8</formula>其中k、 a为与声波在地层中传播衰减有关的常数，可预先通过实地试验 得到。在上式中，由于只有四个未知数，故一个四元方程组即可得出震源三维坐标 的值。对6个传感器中的其中4个测量结果进行组合并计算，可以有15种组合， 得出15个计算结果。取这15个计算结果所对应的坐标点的重心，可得到较为精 确的(x ， y。， z。)的值，亦可作为确定震源位置的参考坐标值。对波源位置的确定还可以用如下方法用三轴振动传感器作为检波器，则每 个传感器可同时检测到该检测点的P波在x，y, z三个轴方向的分量，设传感器 (本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用声波对矿山地下采掘点进行监测的方法，由固定于井下采掘地点附近巷道内或大地表面用于检测声波的传感器、信号传输链路、数据控制中心来完成地下采掘点的定位，其特征在于包括以下步骤：　（ａ）将数个用于检测声波的传感器固定于欲探测采掘点附 近的巷道内或地表面；　（ｂ）利用传统方法分别测量出各个传感器的精确三维坐标位置；　（ｃ）各个传感器内的计时器保持精确同步；　（ｄ）上述传感器分别将接收到的由地下采掘点爆破、岩石破裂、或工具冲击岩石发出的声波信号附上精确的时 间信息后发送到数据控制中心；　（ｅ）数据控制中心对传感器发送来的信号进行分析并综合处理，计算出地下采掘点的位置或顶板断裂点的位置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邸永春，
申请(专利权)人：邸永春，
类型：发明
国别省市：14[中国|山西]