一種煤礦井下地音監測裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種煤礦井下地音監測裝置，該裝置包括：主機、轉換器、總線、至少一個分機以及地音探頭；其中，所述主機，用于向所述至少一個分機發送命令和設置參數；所述至少一個分機，用于接收所述主機的命令和參數，并執行所述主機的命令；所述地音探頭，用于監測地音信號，并將所述地音信號發送給所述至少一個分機；所述總線，用于所述主機與所述至少一個分機進行通信；所述轉換器，用于實現所述總線與所述主機串口的通信接口。本實用新型能夠根據煤巖體聲發射活動的變化規律和特征來實現煤與瓦斯突出的預測預報。
【專利說明】
一種煤礦井下地音監測裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及聲波速度測量技術領域，尤其涉及一種煤礦井下地音監測裝置.。
【背景技術】
[0002]煤礦的沖擊地壓、頂板大面積來壓、煤與瓦斯突出等現象嚴重地影響著煤礦的安全生產。目前，我國煤礦普遍采用動態儀觀測頂板下沉速度和使用壓力表測量支柱載荷等方法實現對頂板來壓的預測，這些方法雖實施比較方便，但由于需要配備較多的人力，實現連續預測，困難較大且繁瑣，信息量少，因而制約了頂板監測技術的發展。因此，開展非接觸式連續預測方法技術的研究就顯得十分必要，也是今后的發展趨勢。
[0003]礦井動力災害包括煤(巖石)與瓦斯突出、沖擊地壓、頂板大面積來壓等，這些動力災害的發生都有一個從量變到質變的準備過程，即煤巖體從微小破裂到破壞的過程。因為煤巖體是一種非均質體，其中存在各種微裂隙、孔隙等，以致煤巖體在受外力作用時就會在這些缺陷部位產生應力集中，發生突發性破裂，使積聚在煤巖體中的能量得以釋放，且以彈性波的形式向外傳播。這就是煤巖體在地應力、瓦斯壓力及采掘作用等影響下產生的聲發射現象，也稱為地音。地音信號地多少、大小等指標的變化反映了煤巖體受力的情況。顯然，聲發射活動的特征提供了礦井動力災害的前兆信息。因此通過對煤巖體聲發射頻度和能率(單位時間內的能量總和)等參數的統計分析，了解聲發射在突出(或沖擊地壓)前的活動規律及特征，并通過現場試驗研究，找到采用聲發射參數預測預報突出(或沖擊地壓)危險的差別指標及其臨界值，從而可以實現地音監測技術對礦井動力災害的預測預報。
[0004]地音監測就是利用專門的監測裝置，對井下煤巖體受力過程的聲學效應進行動態連續監測的技術。因而監測裝置、地音探頭的性能與設置、工作參數測定與配置、數據整理與危險判據等構成了地音監測技術的關鍵環節。
[0005]目前我國煤礦正在推廣使用波蘭研制的SAK-3型地音監測裝置，其結構圖如圖1所示，在此不再贅述。首先，該監測裝置屬于模擬式聲發射儀。信號處理裝置通過門檻比較器、放大、積分等模擬電路輸出聲發射信號的模擬參量，然后通過后續電路的A/D轉換和計數器轉換成數字參量，從而提取聲發射信號的參數，然后用計算機來處理;其次，SAK-3裝置各傳感器的信號通過電纜集中到信號處理裝置進行數據處理與分析，儀器體積大、線路多、易損壞、維護難;并且，SAK-3的地音探頭直接埋設在煤體中，需要打孔安裝，工作量較大。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型所要解決的技術問題在解決現有技術的不足，提供一種煤礦井下地音監測裝置。首先，基于DSP的地音監測裝置屬于數字式聲發射儀。地音探頭輸出的模擬地音信號經A/D轉換成數字信號后，由DSP計算得到聲發射信號參數，然后交由地面PC主機處理。相比現有技術中的模擬式地音監測裝置，該裝置具有很高的信噪比、良好的抗干擾能力、寬的動態范圍、可靠性高，不易受到溫度等環境因素的影響，適宜在煤礦井下惡劣環境中的使用。同時對地音信號的處理比模擬裝置更加容易，而且數字化后的地音信號保留了更多的AE信息，為地音信號分析和特征提取提供了更大的開發潛力。
[0007]其次，基于DSP的地音監測裝置采取化整為零的方式，各分機獨立采集相應通道的聲發射信號，計算聲發射參數，同時有選擇性地存儲聲發射波形數據以供定位，分機安放在傳感器附近，連線很短。同時，基于DSP的地音監測裝置擬將探頭直接安裝在所要監測區域的錨桿上，這樣將會很大地降低工作量。
[0008]本實用新型提供了一種煤礦井下地音監測裝置.，該包括:主機、轉換器、總線、至少一個分機以及地音探頭；其中，所述主機，用于向所述至少一個分機發送命令和設置參數;所述至少一個分機，用于接收所述主機的命令和參數，并執行所述主機的命令;所述地音探頭，用于監測地音信號，并將所述地音信號發送給所述至少一個分機;所述總線，用于所述主機與所述至少一個分機進行通信;所述轉換器，用于實現所述總線與所述主機串口的通信接口。
[0009]優選地，所述主機為PC機。
[0010]優選地，所述地音探頭采用壓電式加速度傳感器。
[0011]優選地，所述總線采用485總線進行數據通訊，并采用數字信號直接傳輸的基帶方式。
[0012]優選地，所述轉換器為RS232-485轉換器，實現了所述主機的RS232串口和所述485總線的通信接口。
[0013]優選地，所述分機包括數據采集部分、數據處理部分、485總線通信接口部分、片外存儲器部分以及譯碼部分。
[0014]優選地，所述數據處理部分由TMS320VC5410DSP完成。
[0015]優選地，所述數據采集部分采用了集成ADC和DAC于一體的TLC320AD50模擬接口電路，并通過DSP的多通道緩沖串口 McBSP與DSP相連。
[0016]優選地，所述485總線通信接口部分使用了MAX485接口芯片、AT89LV51單片機，單片機通過MAX485與總線通信，且通過DSP的主機接口 HPI與DSP相連以訪問DSP相關的存儲器及控制DSP的運行。
[0017]優選地，所述片外存儲器部分由64K的RAMIS61LV6416和256K的FLASH39VF400A組成;且所述譯碼部分使用了 EPM7128CPLD。
[0018]本實用新型提供出一種基于DSP的地音監測裝置;整個裝置由多道傳感器、井下分機、地面PC等幾大部分組成，井下分機和地面主機之間利用485總線進行通信，該裝置通過安裝在錨桿上的地音傳感器連續監測工作面前方，煤巖體聲發射活動的變化規律和特征來實現煤與瓦斯突出的預測預報。
【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1為現有技術中提供的一種SAK-3型地音監測裝置示意圖；
[0021]圖2為本實用新型實施例提供的一種煤礦井下地音監測裝置示意圖；
[0022]圖3為本實用新型實施例提供的一種煤礦井下地音監測裝置的分機結構示意圖。
【具體實施方式】
[0023]為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0024]本實用新型目的主要提供一種煤礦井下地音監測方法，通過安裝在錨桿上的地音傳感器，連續監測工作面前方的煤巖體聲發射活動的變化規律和特征，實現對礦井動力災害的預測預報。
[0025]為了達到本實用新型的目的，本實用新型實施例所提供了以下的運行模式，下面對此進行說明。
[0026]由于煤礦井下環境條件十分復雜，不同的礦井、作業場所、作業工序、動力災害其聲發射特征、噪音信號特征和水平、聲發射參數臨界值等可能不同，需要針對不同條件研究其聲發射或噪音信號特征，以便適當調整有關參數和處理方法，以提高聲發射預測的針對性和準確性，所以需要對監測的信號進行全波形分析。為此，在設計監測裝置時考慮了以下兩種運行模式:
[0027]—種是全波形采集模式;全波形采集模式運行時，井下分機將通過總線將其采集到的波形數據經緩沖后傳輸給地面主機，為地面進行地音信號的波形分析提供原始資料，分析AE波形特性、噪聲特征及水平、聲發射敏感參數等。
[0028]另一種是實時采樣處理模式;實時采樣處理模式是礦井動力災害實時預測預報時采用，也是主要的一種運行模式。運行時各井下分機采用聲發射信號特征參數的分析方法對采集的地音信號進行實時處理，得到AE參數(大事件、總事件、能量等)，同時有選擇性地保存一段聲發射波形數據以供主機定位聲發射源;主機在接收到備分機發送的AE參數和聲發射波形數據后，進行聲發射參數統計指標值分析和危險性的判識，根據危險性判識結果可進行實時報警，實現對工作面動力災害的實時預報功能;通過分析分機返回的聲發射波形數據進行聲發射源定位。
[0029]首先對DSP做一些說明，DSP從字面上來說即為〃數字信號處理(Digital SignalProcessing)"，也就是將現實世界的模擬信號轉換成數字信號，再用數學的方法來處理此數字信號，得到相應的結果。經典的數字信號處理有時域的信號濾波(如IIR、FIR)和頻域的頻譜分析(如FFT)。本文所說的DSP是指〃數字信號處理器(Digital Signal Processor)"，它是一種特別適合于進行高速數字信號處理的微處理器，是解決實時處理要求的單片可編程微處理芯片。它使用靈活，用于實現信號處理任務時，與一般的微處理器相比，其速度更快，效率更高。其主要特點是:計算功能強大，具有高速輸入輸出接口以及高速的數據傳輸，常用于處理連續不間斷的實時信號。
[0030]DSP技術廣泛應用于智能儀表、機電控制、電子測量、網絡通訊、高速采集、語音處理、圖像處理、電動機控制、電力系統微機繼電保護、數碼相機、手機、硬盤驅動以及各種監測設備等多方面，幾乎所有需要計算或控制的地方都可以用到DSP芯片，現在的全數字式聲發射儀器中的硬件也要用到DSP芯片，用DSP控制高速數據采集和進行聲發射參數的提取。
[0031]圖2為本實用新型實施例提供的一種煤礦井下地音監測裝置示意圖。如圖2所示，一種煤礦井下地音監測裝置。包括PC主機、RS232-485轉換器、裝置485總線、N(N為大于O的整數)個分機以及地音探頭。
[0032]如圖中，裝置485總線中設置有兩個電阻，R1、R2，為保護電阻;在實際的應用中，根據具體的需要進行個數和電阻阻值的設置。
[0033]具體地，裝置主機為一臺PC機，通過RS232-485轉換器，實現了主機的RS232串口和裝置485總線的通信接口；主機和分機間采用主從式的通信方式，各分機的運行狀態都是受主機控制的。
[0034]分機采用AT89LV51單片機和TMS320VC5410DSP組成的雙CPU設計方案，充分發揮單片機的外圍接口控制能力和DSP的數據處理能力；其中，單片機負責與總線的通信，并控制DSP的運行模式;DSP負責米集和處理聲發射信號。
[0035]現對該裝置的主、分機做說明。各分機利用DSP強大的數據處理能力實現數據的實時采集與處理，分機與地面主機采用總線式的連接方式，裝置能夠在地面主機(微機)存儲、顯示、打印地音監測的主要參數:地音事件數(分級事件數，總事件數)、班累計能量、平均能量、地音事件的頻率、地音事件的能量、地音事件的延時、各通道之間信號的到時差以及地音發生位置等。
[0036]PC主機主要用來實現與井下分機的通信，向井下分機發送命令和設置參數;主機在接收到各分機發送的聲發射信號特征參數值后，進行聲發射參數統計指標值分析和危險性的判識，根據危險性判識結果可進行實時報警，實現對工作面動力災害的實時預報功能；分析適當的幾個分機返回的聲發射波形數據，進行聲發射源定位。井下分機主要用來實現與地面PC主機的通信，接收地面主機發送的命令和初始化參數，根據地面主機發送的命令執行相應的程序和返回相應的數據。
[0037]基于DSP的地音監測裝置的特點，下面具體從地音監測技術的三個關鍵環節，也就是監測環節、地音探頭環節以及參數配置與數據分析環節來進行說明。
[0038]檢測環節中監測裝置，首先，基于DSP的地音監測裝置屬于數字式聲發射儀。地音探頭輸出的模擬地音信號經A/D轉換成數字信號后，由DSP計算得到聲發射信號參數，然后交由地面PC主機處理。相比模擬式地音監測裝置，該裝置具有很高的信噪比、良好的抗干擾能力、寬的動態范圍、可靠性高，不易受到溫度等環境因素的影響，適宜在煤礦井下惡劣環境中的使用。同時對地音信號的處理比模擬裝置更加容易，而且數字化后的地音信號保留了更多的AE信息，為地音信號分析和特征提取提供了更大的開發潛力。
[0039]其次，基于DSP的地音監測裝置采取化整為零的方式，各分機獨立采集相應通道的聲發射信號，計算聲發射參數，同時有選擇性地存儲聲發射波形數據以供定位，分機安放在傳感器附近，連線很短。
[0040]并且，基于DSP的地音監測裝置的地面主機和井下分機之間采用485總線進行數據通訊，采用數字信號直接傳輸的基帶方式，在傳輸速度、誤碼率等方面都優于前者，而且結構簡單、使用方便。RS-485采用差分方式平衡信號傳輸，傳輸距離可達1200m(波特率為10Kbps以下時，傳輸距離為1200m;在最高波特率1Mbps時，最大傳輸距離為12m)。當傳輸距離更大時，可采用中繼方式。這一接口標準具有對干擾信號的強抑制能力，一直廣泛應用于分布式測控裝置。它是一種多發送器的電路標準，半雙工，允許雙導線上一個發送器驅動32個負載設備，負載設備可以是被動發送器、接收器或收發器(發送器和接收器的組合)。本裝置的地面主機和各井下分機均以節點形式就近并聯于通信線路，均采用專用接口芯片作串行數據收發器與通信雙絞線相連。可見，采用這種方式既能節省信號線又便于分機的擴展。
[0041]在地音探頭環節中，結合我國正在推廣使用波蘭研制的SAK-3型地音監測裝置，以下以該裝置為例，說明地音監測裝置的組成和功能。
[0042]地音探頭的性能和布置，SAK-3的地音探頭為磁電式速度傳感器，磁電式速度傳感器采用動線圈技術，提供直接正比于傳感器振動速度的電壓輸出。而基于DSP的地音監測裝置的地音探頭采用壓電式加速度傳感器。其與磁電式傳感器相比，壓電式加速度傳感器因采用晶體電路，沒有移動部件，所以不會產生磨損和退化，并且可以垂直、水平或以任何角度安裝，而且壓電式加速度傳感器具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優異的特點。
[0043]需要說明的是，SAK-3的地音探頭直接埋設在煤體中，需要打孔安裝，工作量較大。而基于DSP的地音監測系統擬將探頭直接安裝在所要監測區域的錨桿上，這樣將會很大地降低工作量。
[0044]下面對參數配置與數據分析環節進行說明，基于DSP的地音監測裝置能夠在地面主機(微機)存儲、顯示、打印地音監測的主要參數:地音事件數(分級事件數，總事件數)、班累計能量、平均能量、地音事件的頻率、地音事件的能量、地音事件的延時、各通道之間信號的到時差以及地音發生位置等。裝置是數字式聲發射儀，在分析了工作場所的地音信號波形數據，得出該場所的聲發射參數臨界值后，地面主機可以很方便地調整井下分機的相關參數，使裝置適應不同的工作場所;聲發射信號的特征參量都是由DSP從A/D轉換后的數據流中通過程序直接提取的，通過改變DSP的程序，裝置可以提取更多的聲發射信號特征參數，具有很大的升級潛力。
[0045]圖3為本實用新型實施例提供的一種煤礦井下地音監測裝置.的分機結構示意圖。如圖所示，分機結構包括數據采集部分、數據處理部分、485總線通信接口部分、片外存儲器部分以及譯碼部分，各部分均以DSP為核心。
[0046]具體地，作為本實用新型實施例的一種優選方案，數據處理部分由TMS320VC5410DSP完成;數據采集部分采用了集成ADC和DAC于一體的TLC320AD50模擬接口電路，通過DSP的多通道緩沖串口McBSP與DSP相連;485總線通信接口部分使用了MAX485接口芯片、AT89LV51單片機，單片機通過MAX485與總線通信，且通過DSP的主機接口 HPI與DSP相連以訪問DSP相關的存儲器及控軸)SP的運行;片外存儲器部分由64K的RAMIS61LV6416和256K 的 FLASH39VF400A 組成；譯碼部分使用了 EPM7128CPLD。
[0047]本實用新型主要提供一種非接觸式的預測礦井動力災害的連續監測技術，通過對煤巖體聲發射頻度和能率等參數的統計分析，從而實現地音監測技術對礦井動力災害的預測預報;通過安裝在錨桿上的地音傳感器，連續監測工作面前方煤巖體聲發射活動的變化規律和特征來實現煤與瓦斯突出的預測預報。能夠促進煤礦安全生產，避免事故發生。
[0048]首先，基于DSP的地音監測裝置屬于數字式聲發射儀，與常用的模擬式地音監測裝置相比較，該裝置具有很高的信噪比，且不易受到溫度等環境因素的影響，適宜在煤礦井下惡劣的環境中使用;針對不同的作業場所，可以很方便地適當調整有關參數，以提高聲發射預測的準確性;通過改變DSP的程序，系統可以提取更多的聲發射信號特征參數，具有很大的升級潛力。
[0049]其次，基于DSP的地音監測裝置的地面主機和井下分機之間采用RS485總線進行數據通訊，這種通信方式的抗干擾能力強，結構簡單，而且便于分機的擴展。
[0050]同時，現有地音監測裝置的地音探頭直接埋設在煤體中，需要打孔安裝，工作量較大。基于DSP的地音監測裝置擬將探頭直接安裝在所要監測區域的錨桿上，這樣將會很大地降低工作量。
[0051]需要說明的是，基于DSP的地音監測裝置在普通的分布式監測裝置的結構上，加入DSP為信號處理單元，即采用DSP和單片機的雙CPU設計方案。單片機負責與總線的通信，并控制DSP的運行;DSP負責采集和處理信號。該設計方案具有通用性，并易于功能擴展，可以適用于對數據處理要求比較高的監測裝置中。
[0052]以上所述的【具體實施方式】，對本實用新型的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本實用新型的【具體實施方式】而已，并不用于限定本實用新型的保護范圍，凡在本實用新型的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種煤礦井下地音監測裝置，其特征在于，所述裝置包括:主機、轉換器、總線、至少一個分機以及地音探頭;其中， 所述主機，用于向所述至少一個分機發送命令和設置參數； 所述至少一個分機，用于接收所述主機的命令和參數，并執行所述主機的命令； 所述地音探頭，用于監測地音信號，并將所述地音信號發送給所述至少一個分機； 所述總線，用于所述主機與所述至少一個分機進行通信； 所述轉換器，用于實現所述總線與所述主機串口的通信接口。2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述主機為PC機。3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述地音探頭采用壓電式加速度傳感器。4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述總線采用485總線進行數據通訊，并采用數字信號直接傳輸的基帶方式。5.如權利要求4所述的裝置，其特征在于，所述轉換器為RS232-485轉換器，實現了所述主機的RS232串口和所述485總線的通信接口。6.如權利要求5所述的裝置，其特征在于，所述分機包括數據采集部分、數據處理部分、485總線通信接口部分、片外存儲器部分以及譯碼部分。7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述數據處理部分由TMS320VC5410DSP完成。8.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述數據采集部分采用了集成ADC和DAC于一體的TLC320AD50模擬接口電路，并通過DSP的多通道緩沖串口McBSP與DSP相連。9.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述485總線通信接口部分使用了MAX485接口芯片、AT89LV51單片機，單片機通過MAX485與總線通信，且通過DSP的主機接口 HPI與DSP相連以訪問DSP相關的存儲器及控制DSP的運行。10.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述片外存儲器部分由64K的RAMIS61LV6416 和 256K 的 FLASH39VF400A 組成；且所述譯碼部分使用了 EPM7128CPLD。
【文檔編號】E21F17/18GK205477751SQ201620046560
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月19日
【發明人】程秀芝, 陳立愛, 何平, 龔雪, 李浩然, 韓文濤, 王卉, 王靜, 楊熙
【申請人】安徽建筑大學