一种实时监测矿井塌方系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种实时监测矿井塌方系统，属于矿山监测设备技术领域。
【背景技术】
[0002] 塌方是矿井在自然力作用下，出现的塌陷下坠的自然现象。冒顶是采掘空间内或 者井下其他工作地点顶板岩层的坠落。在矿井施工中，塌方和冒顶是没有本质区别的。所 以在矿井中，这类非人为出现的塌陷、坠落的自然现象经常被联系在一起描述。塌方是矿井 施工中最常出现的重大地质灾害，约占各类重大地质灾害的90%以上。例如，我国的成昆 线、大秦线、衡广线等，因塌方造成的停工约占总工期的1/4-1/3。因此，塌方是矿井施工中 出现最多最大的地质灾害。如何对产生塌方的地域进行实时报警，为救援团队提供更多、更 准确的信息(如塌方发生的时间、地理位置等等)，成为人们日益关注的问题。
[0003] 在大量研读国内外有关监测矿井塌方方面的文献之后，发现虽然在理论研宄矿井 塌方方面成果比较多，但现也存在一些缺陷。例如在专利名称为：矿井塌方报警器（【申请号】 201220163608. 2)中，利用形状记忆合金的电阻特性，连续监测矿井是否有塌方的产生。其 监测原理如下：把形状记忆合金铺设于矿井表面。在没有塌方产生时，形状记忆合金呈现母 相状态，其电阻值为零，或者为一个接近零的数值；当有塌方产生时，由于形状记忆合金受 到塌方位移压力作用而发生相变，其电阻值会变为一个大于零的数。所以可以通过监测形 状记忆合金的电阻值是否为零，判断是否有塌方的产生。但由于该方案要把形状记忆合金 贯穿整个矿井，当某个地区发生塌方时，就会造成形状记忆合金的电阻发生变化，虽然能监 测出是否有塌方的产生，但是监测不出塌方的具体地理位置，不能为后续的救援提供详细 信息；并且矿井的巷道是随着生产不断延伸的，如果想要监测新巷道塌方产生情况，需要再 次铺设新的形状记忆合金，而且该套方案的链接方式全部是有线链接，线路复杂，在矿井下 施工不变，造价较高，易扩展性差，不合适监测大规模矿井的塌方情况。
[0004] 在专利名为：一种矿山安全报警器（【申请号】201220639899. 8)中发明了一种矿 山塌方报警器。虽然报警器在发生塌方时，会发出报警(声音、灯光)，但是报警器只会在的 岩石坠落过程中发出报警，一旦报警器坠落到地面，就可能被砸毁，致使报警器无法继续报 警。而且该种报警器之间不能相互通信，塌方信息不能被有效传递到地面安全中心中，进而 造成更大的安全隐患。
【发明内容】
[0005] 为了有效克服现有的监测矿井塌方技术不能提供塌方的具体地理位置信息，以及 塌方信息不能被有效的传递到地面安全中心中等缺陷，本实用新型提供实时监测矿井塌方 系统，该监测系统不仅可以有效的监测矿井中是否有塌方产生，而且可以监测出塌方的具 体地理信息以及保证塌方信息可以被有效的传递到地面安全中心中，本实用新型通过以下 技术方案实现。
[0006] 一种实时监测矿井塌方系统，该系统由安装在地面安全中心的上位机和若干 实时监测簇组成，每一个簇包括一个簇头网关和若干簇员塌方监测器，网关包括绝缘外 壳II 4、螺丝孔II 5和置于绝缘外壳II 4内部的电路板II，每个塌方监测器包括绝缘外 壳I 1、螺丝孔I 2和置于绝缘外壳I内部的电路板I，网关中电路板II包括微型处理 器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、以太网MAC控制器DM9000AEP和包含 备用锂电池的供电系统I，ZigBeeCC2530无线通信模块、以太网MAC控制器DM9000AEP 与微型处理器STM32F103ZET6信号连接，包含备用锂电池的供电系统I为微型处理器 STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、以太网MAC控制器DM9000AEP提供电源，网关 中ZigBeeCC2530无线通信模块网关的天线II 6位于绝缘外壳II 4的外部，塌方监测器中的 电路板I包括微型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、重力加速度传感 器ADXL335和包含备用锂电池的供电系统II，微型处理器STM32F103ZET6与ZigBeeCC2530 无线通信模块、重力加速度传感器ADXL335信号连接，包含备用锂电池的供电系统II为微 型处理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530无线通信模块、重力加速度传感器ADXL335提供电 源，塌方监测器中的ZigBeeCC2530无线通信模块塌方监测器的天线I 3位于绝缘外壳I 1 的外部，网关与安装在地面安全中心的上位机有线通讯。
[0007] 所述每一个簇中一个网关能最多管理254个塌方监测器。
[0008] 上述网关可以直接与该簇的塌方监测器通信，不需要其它的该簇的其它塌方监测 器转发信息。塌方监测器会自行加入到一个簇中，并且每个塌方监测器只能加入到一个簇 中。塌方监测器与网关之间的通信使用ZigBee无线通信。当把网关和塌方监测器固定到 矿井巷道的顶板并上电之后，塌方监测器会自动完成上述加入簇的过程，加入簇的过程也 称为组网过程。由于ZigBeeCC2530具有快速组网的特性，完成上述组网过程只需要30毫 秒的时间。由于矿井中不同的区域，发生塌方的几率也不近相同，并且ZigBee的短距通信 大概的10m~100m之间，如果增大发生功率，通信半径可以达到IKm m~3Km之间，所以塌方监 测器与网关安放的位置可以根据矿井的实际情况合理布置。
[0009] 实时监测矿井塌方系统的原理如下：首先将监测系统固定到矿井行道的顶板上， 塌方监测仪器利用其重力加速度传感器ADXL335监测是否有塌方的产生。当没有塌方产 生的时候，塌方监测器的重力加速度传感器ADXL335测量到的加速度值为零；当有塌方产 生时，重力加速度传感器ADXL335测量到的加速度值为大于零的一个数值。为了保证塌方 能被实时的监测到，塌方监测仪器中的微型处理器STM32F103ZET6会每隔1毫秒自动读取 一次重力加速度传感器ADXL335的测量值，并对读取到重力加速度传感器ADXL335的测 量值进行判决，判断是否有塌方的产生。本实用新型利用ZigBeeCC2530无线通信模块的 低功耗、反应快的特点，当塌方监测器在监测到有塌方产生时，塌方监测仪器的微型处理 器STM32F103ZET6会在0· 2秒时间内激活ZigBeeCC2530模块并用ZigBeeCC2530模块把 塌方信息(塌方的时间、地点等信息）传递到该簇的网关中。当网关的ZigBeeCC2530模块 接受塌方监测器发出无线ZigBee信号时，会将接受到的信号发送给网关中的微型处理器 STM32F103ZET6,微处理器会将接受到的ZigBee信号转换成符合TCP/IP协议的信号，并将 转换后的信号发送给以太网MAC控制器DM9000AEP，以太网MAC控制器DM9000AEP会将接受 的信号以有线方式发送到安装在地面安全中心的上位机，上位机以图形界面的方式，实时 显示矿井下方是否的塌方产生情况。
[0010] 设定微处理器在〇. 2秒的时间内，把信息传递出去的原因如下：根据《矿山工人安 全生产必读》一书规定，巷道最低高度A不得少于I. 6米，又因为矿井塌方掉落的岩石是做 自由落体运动，根据自由落体公式A = l/2g￡2 (g代表重力加速度)，可算出岩石从顶板掉落 到地面的时间为0. 56秒。为了在塌方产生后，确保仪器在没有损坏之前把信息传递出去， 塌方监测器在监测到有塌方产生时，微型处理器STM32F103ZET6必须在0. 56秒的时间内， 激活ZigBeeCC2530模块并把信息传递到该簇的网关中。又为防止其他意外情况的产生，本 实用新型所设计的塌方监测器会在0. 2秒的时间内，完成激活ZigBeeCC2530模块并把信息 传递到该簇网关中，以此保证塌方监测器在没有被下落的岩石损坏之前，把塌方的相关信 息发送的网关中。
[0011] 本实用新型的有益效果是：（1)本系统能监测矿井是否有塌方产生，并在仪器没