一种便携式矿山动力灾害监测装置的制作方法

本实用新型涉及矿山安全监测设备技术领域，具体地说是一种便携式矿山动力灾害监测装置。

背景技术：

矿山动力灾害主要包括冲击地压（岩爆）、煤与瓦斯突出、顶板垮落、突水等，是国内外矿山特别是煤矿开采过程中常见的工程诱发灾害，约占我国矿山事故次数的80%，对矿山安全和高效生产造成严重影响。

矿山动力灾害具有发生时间不确定、灾害过程瞬间发生和破坏力强三大特点。灾害过程中常伴随矿井瓦斯涌出异常，诱发瓦斯爆炸事故，造成群死群伤。2014年我国国有重点煤矿1404处，其中煤与瓦斯突出矿井274个，冲击地压矿井142个。随着我国能源需求和开采量的不断增加，未来我国大部分矿井将进入深部开采阶段，深部开采瓦斯压力、地应力增大，矿山动力灾害更加严重，预防的难度将更大。通过先进的监测预警技术来对灾害发生前的前兆信号时-空演化规律进行趋势特征分析，能够为灾害预警提供重要参考数据和决策基础，将是未来矿山动力灾害防治的重要组成部分。

随着矿山开采深度的不断加大，矿山动力灾害将愈加严重。据资料统计表明，“十一五”期间，我国煤矿重、特大瓦斯突出事故的起数和死亡人数分别占40%和28.5%。从煤矿重特大事故可以看出，煤与瓦斯突出事故的比例逐年上升，遏制煤与瓦斯突出、冲击地压等矿山动力灾害事故是今后减少矿山特别是煤矿重特大事故的重中之重。

矿山岩体或煤岩体受采掘扰动或地壳应力等外部作用而发生微破裂萌生、发展、贯通直至失稳。研究发现，在这一演化过程中，矿山岩体或煤岩体中天然储存的和外加力场作用的能量将以各种形式被释放，如电磁能、声能、应力波、热能、弹性能等。基于此，研究人员发现，电磁、声发射、微震、电荷感应多指标监测技术可广泛应用于岩爆、冲击地压、煤与瓦斯突出等矿山动力灾害的监测预警。

目前，传统的监测方式是通过向煤体打钻测试钻屑量、瓦斯参数、单一地球物理信号监测等方法进行测试，这些测试方法具有工程量大、预测作业时间长的缺点，同时，测得的预测信息量少、准确率低，还时常出现低指标发生及高指标不发生灾害的情况，更容易漏报、误报，造成严重后果，而且打预测钻孔时扰动煤体，常诱发冲击或突出事故，具有很大的危险性。

近年来，煤岩体电磁、声发射、微震、电荷感应等地球物理信号特性及其应用研究方面取得了较大进展，发明专利“预测含气煤岩体砼灾害的方法及装置”（ZL981111858）通过非接触监测受载煤岩体变形破裂时产生的电磁辐射信号及其变化规律，预测预报冲击地压和煤与瓦斯突出等煤岩体动力灾害的危险性，但其只能进行单通道电磁信号的监测，监测区域很小，抗干扰能力差，属于很初级的应用。

实用新型专利“煤岩体动力灾害电磁辐射监测装置”（ZL01272808X）也只能进行单通道电磁信号的监测，还需要外接隔爆电源才能工作，安装繁琐且劳动强度大，也存在抗干扰能力差问题，同时分析预警功能较弱，无法通过系统给快速对区域动态变化进行预警、超限预警、预警级别判断、自动报表并提供数据。

发明专利“煤岩动力灾害实时监测预报装置及预报方法”（ZL200410065793.1）公开的技术方案可以连续不间断的进行远程监测，并可与KJ煤矿安全监测系统相连，但是其只能进行单通道的电磁辐射信号监测，无法同步记录电磁、声发射等其它地球物理信号；另一方面，装置电路设计采用的均是早期芯片，信号实时处理能力和存储能力差，且也存在单一电磁辐射信号抗干扰能力弱的问题。

实用新型专利“一种移动式多通道电磁辐射监测系统”（ZL200720127916.9）公开的技术方案能够通过多个电磁辐射天线同时对多个测点的电磁辐射信号进行监测，扩大了监测面积，但是由于其信号只有电磁辐射一种，所以其抗干扰能力较弱；同时，采用传统放大器进行信号放大，整机功耗高，仪器体积大且笨重，移动性差。

实用新型专利“一种在线式双通道声电监测装置”（ZL201420067217.X）公开的技术方案虽然实现了电磁和声发射信号的同步监测，但是只能进行在线式工作，并且需要外界隔爆电源供电，安装繁琐且劳动强度大，不能进行便携式、多信号、多区域的移动式同步监测；装置内部无电池组供电，外部断电将直接导致无法测试及数据丢失，且存储采用的是USB存储方式，存在读写速度慢、使用寿命短等问题。

基于上述陈述，利用电磁、声发射、微震、电荷感应四种信号的便携式、多区域、多尺度同步监测预警矿山动力灾害（如冲击地压、煤与瓦斯突出等）时-空演化过程中的地球物理信号，设计一种便携式矿山动力灾害监测装置。

技术实现要素：

本实用新型的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种便携式矿山动力灾害监测装置，实现多个测点或区域的同步监测，其适用于金属矿山岩爆、煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出等矿山动力灾害的监测预警。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种便携式矿山动力灾害监测装置，该装置包括数据采集结构，对采集的数据进行调理、转换、统计计算、存储和显示的监测主机，以及对处理后数据进行后期分析并预警的计算机。其中：

数据采集结构包括安装在监测区域的电磁感应传感器、低频声波传感器、低频拾震传感器和电荷感应传感器，用于监测矿山岩体或煤岩体受载非匀速变形破裂过程中产生的电磁信号、声发射信号、微震信号、电荷感应信号；

监测主机包括依次连接的放大器、A/D转换器和内嵌分析处理程序的处理器，上述电磁感应传感器、低频声波传感器、低频拾震传感器和电荷感应传感器分别通过匹配电阻一一相对连接于放大器的输入端；监测主机还包括分别连接于处理器输出端的数据存储器、USB通讯接口、显示器、充电接口，以及给监测主机提供电能的电池组；

计算机连接于监测主机的USB通讯接口，计算机包含有SQL数据库与数据分析软件，数据分析软件根据USB通讯接口传送的数据完成区域动态趋势图形、区域趋势预警、超限预警、报警级别、自动报表数据处理。

在上述结构的基础上，所涉及监测主机还包括不锈钢外壳，上述匹配电阻、放大器、A/D转换器、内嵌分析处理程序的处理器、充电接口、电池组分别位于不锈钢外壳内部，上述数据存储器、USB通讯接口和显示器分别位于不锈钢外壳外侧。

在上述结构的基础上，所涉及监测主机的数量为至少两台，每台监测主机的处理器输出端连接有同步端口，至少两台监测主机的同步端口之间通过电缆并联连接，且每个同步端口的电缆采用三通接线盒进行分线。

在上述结构的基础上，所涉及电磁感应传感器的监测频率范围为1 kHz -500 kHz,低频声波传感器监测的声波频率范围为0.5 kHz-20 kHz，低频拾震传感器监测的微震波频率范围为0.1Hz-300Hz；电磁感应传感器有效监测范围不小于30米，低频声波传感器有效监测范围不小于100米，低频拾震传感器有效监测范围不小于1000米，电荷感应传感器有效监测范围不小于10米。

在上述结构的基础上，所涉及放大器和A/D转换器的数量分别等于电磁感应传感器、低频声波传感器、低频拾震传感器、电荷感应传感器的数量和，且一个传感器的输出端连接于一个放大器的输入端；放大器为二级放大器，放大器采用AD8421芯片；A/D转换器采用AD9221芯片。

在上述结构的基础上，所涉及A/D转换器采用AD9221芯片，处理器为STM32处理器。

在上述结构的基础上，所涉及数据存储器采用W25Q64型flash芯片，USB通讯接口采用CH341芯片，充电接口采用4芯防水航空接头。

在上述结构的基础上，所涉及电池组采用2组锰酸锂聚合物锂离子电池串联连接，单组输出电压3.7V, 2组串联组成锰酸锂聚合物锂离子电池组输出电压为7.4V。

本实用新型的一种便携式矿山动力灾害监测装置与现有技术相比所产生的有益效果是：

1）本实用新型能够灵活的监测在多个测点或区域，并同步监测电磁、声发射、微震、电荷感应信号，完成监测数据的自动计算、显示、存储，操作方便，在监测完成后，还能通过在地面与计算机通讯，将数据导入计算机的数据分析软件中，实现数据的深化分析，并进行矿山动力灾害的分级预警；

2）本实用新型的监测主机采用不锈钢外壳，小巧灵活，坚固耐用，防尘、防潮、防水、抗冲击，能够完全屏蔽外部干扰信号，测试更加安全稳定，远优于常规的塑料外壳、铁壳；

3）本实用新型其自动化程度高，无需再进行传统打钻作业，大大降低了工人劳动强度，作业安全度更高，抗干扰能力更强，可满足现代矿山安全建设的需要，适用于金属矿山岩爆、煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出等矿山动力灾害监测预警，也可进行隧道或大型混凝土结构的稳定性评价。

附图说明

图1是本实用新型的装置结构连接示意图；

图2是本实用新型在综采工作面安装布点监测示意图；

图3是本实用新型的电磁、声发射、微震、电荷感应数据采集处理过程示意图；

图4是本实用新型的工作流程图。

图中各标号表示：

1、电磁感应传感器，2、低频声波传感器，3、低频拾震传感器，

4、电荷感应传感器，5、匹配电阻，6、一级放大器，7、二级放大器，

8、A/D转换器，9、STM32处理器，10、数据存储器，11、USB通讯接口，

12、显示器，13、充电接口，14、同步端口，

15、锰酸锂聚合物锂离子电池组；

DQD表示电磁信号强度值，DMC表示电磁信号脉冲值，

DSJ表示电磁信号事件数，DNL表示电磁信号能量值，

SFZ表示声发射信号幅值，SZL表示声发射信号振铃值，

SSJ表示声发射信号事件数，SNL表示声发射信号能量值，

WNL表示微震信号能量值，WSJ表示微震信号事件数，

DFZ表示电荷感应信号幅值。

具体实施方式

下面结合图1-4，对本实用新型的一种便携式矿山动力灾害监测装置作以下详细说明。

如图1、2、3所示，本实用新型的一种便携式矿山动力灾害监测装置，该装置包括数据采集结构，对采集的数据进行调理、转换、统计计算、存储和显示的监测主机，以及对处理后数据进行后期分析并预警的计算机。其中：

数据采集结构包括安装在监测区域的电磁感应传感器1、低频声波传感器2、低频拾震传感器3和电荷感应传感器4，用于监测矿山岩体或煤岩体受载非匀速变形破裂过程中产生的电磁信号、声发射信号、微震信号、电荷感应信号；

监测主机包括四路依次连接的采用AD8421芯片的放大器、采用AD9221芯片的A/D转换器8和内嵌分析处理程序的STM32处理器9，上述电磁感应传感器1、低频声波传感器2、低频拾震传感器3和电荷感应传感器4分别通过匹配电阻5一一相对连接于放大器的输入端，在电磁感应传感器1、低频声波传感器2、低频拾震传感器3和电荷感应传感器4监测到电磁信号、声发射信号、微震信号、电荷感应信号时，电磁感应传感器1、低频声波传感器2、低频拾震传感器3和电荷感应传感器4的内部分别产生微弱电信号输出，通过1KΩ以上的匹配电阻5后连接到放大器，信号经过放大器放大后进入A/D转换器8进行模数转换，A/D转换器8的转换速度快、采样精度高，转换后的数字信号直接连接STM32处理器9进行处理，STM32处理器9除自身具有高速运算能力外，还内嵌分析处理程序，可以大大节省系统资源及使用外部程序存储器的成本；监测主机还包括分别连接于处理器输出端采用W25Q64型flash芯片的数据存储器10、采用CH341芯片的USB通讯接口11、显示器12、充电接口13，以及给监测主机提供电能的电池组；

计算机连接于监测主机的USB通讯接口11，计算机包含有SQL数据库与数据分析软件，数据分析软件根据USB通讯接口11传送的数据完成区域动态趋势图形、区域趋势预警、超限预警、报警级别、自动报表数据处理。

监测主机还包括不锈钢外壳，上述匹配电阻5、放大器、A/D转换器8、内嵌分析处理程序的STM32处理器9、充电接口13、电池组分别位于不锈钢外壳内部，上述数据存储器10、USB通讯接口11和显示器12分别位于不锈钢外壳外侧。

监测主机的数量为至少两台，每台监测主机的处理器输出端连接有同步端口14，至少两台监测主机的同步端口14之间通过电缆并联连接，且每个同步端口14的电缆采用三通接线盒进行分线。

电磁感应传感器1的监测频率范围为1 kHz -500 kHz, 所述低频声波传感器2监测的声波频率范围为0.5 kHz-20 kHz，所述低频拾震传感器3监测的微震波频率范围为0.1Hz-300Hz。

另一方面，电磁感应传感器1有效监测范围不小于30米，低频声波传感器2有效监测范围不小于100米，低频拾震传感器3有效监测范围不小于1000米，电荷感应传感器4有效监测范围不小于10米。

上述叙述中，需要补充说明的是：

1）放大器包括一级放大器6和二级放大器7，一级放大器6和二级放大器7的放大倍数均可在20倍-1000倍之间任意调整，总放大倍数为一级放大倍数和二级放大倍数的乘积；

2）数据存储器10支持10万次读写操作，比传统U盘存储更加稳定和耐用；

3）USB通讯接口11的最高通讯速率达2000000bit/S，是传统RS232串口通讯最高速率20000bit/S的100倍以上；

4）显示器12选用低功耗的液晶显示器12，同时为编程方便和节省存储器空间，选用每行16个字符共4行的液晶显示器12，显示器12和主板的连接通过排线及插座完成；

5）充电接口13采用4芯防水航空接头，可在地面通过配套锂离子充电器充电；

6）同步端口14可在多台监测主机同时测试时通过电缆连接，利用脉冲触发信号，实现多机同步监测；

7）电池组可以采用2组锰酸锂聚合物锂离子电池串联连接，锰酸锂聚合物锂离子电池组15为隔爆本安型电池组，单组输出电压3.7V, 2组串联组成锰酸锂聚合物锂离子电池组15(15)输出电压为7.4V,可重复充放电1000次以上，比常规镍氢电池组体积更小，重量更轻，成本更低，续航及使用寿命更长。

再结合图4，本实用新型的一种便携式矿山动力灾害监测装置的监测预警原理基于矿山岩体或煤岩体中天然存储的能力以电磁、声发射、微震、电荷感应的方式进行释放，其工作过程包括以下步骤：

1）开始监测前，结合矿井综采工作面实际情况，进行测点布置，确定的地点应便于安装传感器；

2）测点一般布置在综采工作面的上巷和下巷，从工作面开始，每隔25米布置1处测点，每处测点有适合安装低频声波传感器2的锚杆，提前预制好安装低频拾震传感器3的水泥台和安装电荷感应传感器4的浅部钻孔，钻孔深度一般为0.5米；

3）将电磁感应传感器1直接放在支架上垂直朝向被测矿山岩体或煤岩区域，低频声波传感器2安装固定在被测区域的矿山岩体或煤岩表面锚杆上或底板支柱上，低频拾震传感器3安装固定在被测区域预制的水泥台上，电荷感应传感器4安装固定在矿山岩体或煤岩表面浅部钻孔中进行测试；

4）将电磁感应传感器1、低频声波传感器2、低频拾震传感器3和电荷感应传感器4与监测主机连接，打开电源，在监测主机的控制面板上设置基本参数后开始测试，监测主机控制面板上可以设置的基本参数包括信号阀值、测试时间、报警值、测点清空、按键音开关；

5）矿山岩体或煤岩体在采动影响或应力荷载作用下发生非均匀变形、裂纹扩展，直至剧烈破坏，在这一演化过程期间，矿山岩体或煤岩体将产生电磁、声发射、微震、电荷感应四种信号，被电磁感应传感器1、低频声波传感器2、低频拾震传感器3和电荷感应传感器4同时接收后，由监测主机高速采集、转换、处理、存储和显示，其中处理的数据包括

一个位置测试完成后转入下一测点进行测试，每个位置的测试时间为2min-10min；

6）井下全部测点测试完成后，将装置带至地面通过USB通讯接口11与计算机连接，将指标数据上传入计算机；计算机的数据分析软件生成各个指标数据的曲线图，同时根据曲线的不同变化趋势和临界预警值的关系自动给出分级预警提示，一级黄色预警表示弱危险，二级橙色预警表示危险，三级红色预警表示强危险。

在工作过程中，监测主机的处理器进行统计计算的指标数据包括：电磁信号强度值DQD、电磁信号脉冲值DMC、电磁信号事件数DSJ、电磁信号能量值DNL、声发射信号幅值SFZ、声发射信号振铃值SZL、声发射信号事件数SSJ、声发射信号能量值SNL、微震信号能量值WNL、微震信号事件数WSJ、电荷感应信号幅值DFZ。

在监测主机的控制面板设定信号阀值：

a）当电磁信号强度值DQD、声发射信号幅值SFZ、微震信号能量值WNL低于设定的信号阀值时，处理器每秒统计计算电磁信号强度值DQD、声发射信号幅值SFZ、微震信号能量值WNL、电荷感应信号幅值DFZ；

b）当电磁信号强度值DQD、声发射信号幅值SFZ、微震信号能量值WNL高于设定的信号阀值时，处理器每秒统计计算电磁信号强度值DQD、电磁信号脉冲值DMC、电磁信号事件数DSJ、电磁信号能量值DNL、声发射信号幅值SFZ、声发射信号振铃值SZL、声发射信号事件数SSJ、声发射信号能量值SNL、微震信号能量值WNL、微震信号事件数WSJ、电荷感应信号幅值DFZ。

综上所述，以上内容仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管该具体实施方式部分对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。