本实用新型涉及一种基于测距和测速的掘进工作面灾害报警系统，该系统涉及超声波、微波测距、测速技术和通信等领域。
背景技术：
煤炭是我国主要能源，约占一次能源70％。煤炭行业是高危行业，瓦斯、灾害、火灾、顶板、煤尘等事故困扰着煤矿安全生产。我国煤矿发生重特大事故中，多数为重特大瓦斯事故，瓦斯事故所造成的伤亡人数也是所有煤矿事故中所占比例最大的。因此，瓦斯事故防治十分重要。
瓦斯事故包括瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出、瓦斯窒息、瓦斯燃烧等事故。为避免或减少煤与瓦斯突出事故发生，人们提出了多种煤或岩与瓦斯突出防治方法，在煤矿安全生产工作中发挥着重要作用。但现有煤与瓦斯突出实时监测与预报方法包括甲烷传感器监测、微震、声发射、电磁辐射、红外辐射等误报率和漏报率还较高，难以满足煤矿安全生产的需要。
煤矿井下的掘进工作面易发生煤与瓦斯突出及冲击地压灾害，当灾害发生后，易造成工作面现场附近的工作人员被填埋或被困；另外冲击地压会造成工作面附近巷道的堵塞，使巷道通风不畅，使瓦斯积聚，易引发瓦斯爆炸。所以需要一种新的灾害监测报警系统，能在第一时间快速准确地判定掘进工作面煤与瓦斯突出及冲击地压灾害，可尽快组织救援，争取宝贵的救援时间，避免或减少填埋或被困造成的人员伤亡；并及时组织人员对堵塞巷道采取处理措施，有效避免由于瓦斯积聚引发的瓦斯爆炸等事故，避免或减少由于瓦斯窒息和瓦斯爆炸造成人员伤亡。
技术实现要素：
本实用新型目的在于提供一种基于测距和测速的掘进工作面灾害报警系统，所述系统主要包括监测报警服务器、存储服务器、监控终端、通信网络、测距装置、测速装置、掘进机控制设备定位分站、甲烷浓度传感器、气压传感器、风速传感器、风向传感器、声音传感器、振动传感器；在掘进工作面掘进上安装至少1个测距装置或测速装置，所述测距装置采集该装置到设定方向上障碍物的距离数据，用于监测煤或岩石异常，所述测速装置采集设定方向上的物体移动速度，用于监测掘进工作面异常高速运动物体；在矿井巷道内安装至少1个测距装置或测速装置，所述测距装置采集该装置到底板方向上障碍物的距离数据，用于监测巷道异常堆积物，所述测速装置采集巷道轴向的物体移动速度，用于监测巷道内异常高速运动物体；所述通信网络连接所有设备；所述掘进机控制设备用于采集掘进机位置和工作状态数据，状态数据用于排除掘进机对系统所监测的距离或速度数据的干扰；所述定位分站负责提供人员和井下设备位置数据，位置数据用于排除人员或井下设备移动对所监测的距离或速度数据的干扰；所述存储服务器负责通过通信网络接收所有数据采集装置采集的数据并存储，并向监测报警服务器和监控终端提供数据服务；所述监测报警服务器监测掘进工作面或巷道内的测距或测速装置所采集的数据，并监测甲烷浓度传感器、气压传感器、风速传感器、风向传感器、声音传感器、振动传感器采集的数据，并监测所有数据采集装置的故障状态，当监测报警服务器通过数据处理监测到掘进工作面出现煤或岩石异常、或掘进工作面数据采集装置异常，或巷道出现异常堆积物，且所监测的气压、风速、风向、声音或振动数据异常、则向发出监控终端掘进工作面煤与瓦斯突出或冲击地压报警信号，由监控终端发出声光报警。
1.所述灾害报警系统进一步包括：所述测距装置包括一种或多种超声波测距传感器、微波雷达、激光测距传感器。
2.所述灾害报警系统进一步包括：所述测速装置包括一种或多种超声波测速传感器、微波雷达、激光测速传感器。
3.所述灾害报警系统进一步包括：掘进工作面的测距设备所监测方向包括测距装置到掘进工作面前进方向。
4.所述灾害报警系统进一步包括：掘进机测距及测速装置安装位置包括截割部和产板部之间，多个测距及测速装置监测方向呈扇形，监测范围包括掘进机旁的人行道。
5.所述灾害报警系统进一步包括：掘进机测距及测速装置安装位置包括截割部和铲板部之间，多个测距及测速装置监测方向呈扇形，监测范围包括掘进机旁的人行道。
6.所述灾害报警系统进一步包括：监测报警服务器通过数据处理排除掘进机、人员或井下设备移动干扰，将采集的距离数据、速度数据及气压、声音、振动、风速、风向数据与所存储的阈值数据进行比对，并参考掘进工作面数据采集装置故障进行报警判定，再根据判定结果参考甲烷浓度向监控终端发出煤与瓦斯突出或冲击地压报警信号。
附图说明
图1基于测距和测速的掘进工作面灾害报警系统实施方案示意图。
图2掘进机测距及测速装置安装示意图。
图3巷道测距及测速装置安装示意图。
图4数据采集流程图。
图5灾害监测报警流程图。
具体实施方式
图1为基于测距和测速的掘进工作面报警系统的实施示例，主要组成包括：
1.存储服务器(101)，负责采集接收并存储所有系统内数据采集装置采集的数据，并向监控报警服务器和监控终端(102)转发数据。包括测距装置、测速装置、掘进机控制器、水仓水位传感器、水文数据采集装置、定位分站等采集的数据。
2.监控报警服务器(102)，负责监测由存储服务器(101)转发的所有数据采集装置采集的数据，当数据值或数据变化满足报警条件，则向监控终端(103)发出灾害报警数据。
3.监控终端(103)，负责提供井下监控数据显示服务，由存储服务器(101)提供实时和历史数据，由监控报警服务器(102)提供灾害报警数据，具有声光报警功能；生产管理人员可通过监控终端对存储服务器(101)存储的历史数据调取查询。
4.核心交换机(104)，通信网络的核心管理和交换设备，负责所有接入有线网络的设备的管理和数据交换。
5.井下交换机(105)，通信网络的井下交换设备，环网方式连接。
6.通信分站(106)，通信网络的接入设备，负责接收数据采集装置采集的数据，并将数据通过矿用以太环网(通信网络)上传至存储服务器(101)。
7.测距装置(107)，测距距离应大于4米，可采用超声波测距传感器或微波雷达，通过RS485接口连接通信分站(106)；如所选用的传感器没有RS485接口，需增加通信转换装置。本示例采用深圳导向机电技术有限公司的KS109超声波测距模块，通信接口采用UART TO RS485转换模块。
8.测速装置(108)，可采用超声波测速传感器或微波雷达，通过RS485接口连接通信分站(106)；如所选用的传感器没有RS485接口，需增加通信转换装置。
9.掘进机控制器(109)，掘进机的控制单元，一般采用可编程控制器，通过RS485接口或工业现场总线连接通信分站(106)，向通信分站(106)发送包括掘进机相对位置、截割部角度、运行状态、喷雾状态等状态数据。
10.甲烷浓度传感器(110)，用于采集空气中甲烷浓度，采用全量程矿用甲烷浓度传感器，通过RS485接口或工业现场总线连接通信分站(106)。
11.气压传感器(111)，用于采集环境空气压力，采用矿用防爆气压浓度传感器，通过RS485接口或工业现场总线连接通信分站(106)。
12.声音传感器(112)，用于采集工作面的声音数据，由于掘进工作面设备较多噪音较大，应采用具有滤波功能的设备，可滤除部分掘进机、刮板运输机等设备的噪音干扰，通过RS485接口或工业现场总线连接通信分站(106)。
13.振动传感器(113)，用于采集工作面的振动数据，采用矿用防爆振动传感器，通过RS485接口或工业现场总线连接通信分站(106)。
14.风速传感器(114)，安装于巷道中，用于采集巷道中风速，可采用机械式矿用风速传感器，也可采用超声波风速风向一体式传感器，通过RS485接口或工业现场总线连接通信分站(106)。
15.风向传感器(115)，安装于巷道中，用于采集巷道中风向，可采用机械式矿用风向传感器，也可采用超声波风速风向一体式传感器，通过RS485接口或工业现场总线连接通信分站(106)。
16.定位分站(116)，负责对定位卡及其它无线通信设备提供无线通信网络接入服务，并作为定位装置的参考定位节点为其提供定位服务，通过通信线缆连接井下交换机。
17.定位卡(117)，系统用于监测井下人员和设备的位置，通过定位分站(112)实现定位和无线通信。
掘进机测距及测速装置安装位置和监测方向参考图2，安装位置在截割部和铲板部之间，多个测距及测速装置监测方向呈扇形，监测范围包括掘进机旁的人行道。
图3为巷道测距及测速装置安装示意图，如图所示在巷道顶部不同位置可安装多个测距及测速装置。
所述灾害报警系统的数据采集流程如图4示，包括：
1.(401)监测报警服务器(102)定时向存储服务器(101)发送数据采集指令，采集灾害监测所需的数据。
2.(402)存储服务器(101)根据监测报警服务器(102)发来的数据采集指令，向相应的数据采集设备所属的通信分站(106)转发数据采集指令，。
3.(403)核心交换机(103)通过井下环网向目标通信分站(106)所属的井下交换机(104)转发存储服务器(101)发来的数据采集指令。
4.(404)井下交换机(104)向所属通信分站(106)转发核心交换机(104)转发来的数据采集指令。
5.(405)通信分站(106)接收到数据采集指令后，根据指令内容向对应的数据采集设备通过其连接的端口发送符合其通信协议的采集指令。
6.(406)当井下数据采集装置接收到数据采集指令后，向通信分站(106)回复所采集的数据。
7.(407)通信分站(106)接收到数据后，向存储服务器(101)经过整理的数据，包括数据采集设备编号、数据采集时间、数据内容等信息。
8.(408)井下交换机(104)接收到所属通信分站(106)上传的数据后，向井上转发。
9.(409)核心交换机(103)接收到井下上传的数据后，向存储服务器(101)转发。
10.(410)存储服务器(101)接收到上传数据后，将数据存入数据库，并向监测报警服务器(102)。
11.(411)监测报警服务器(102)接收到所采集的所需数据后进行监测，完成本次数据采集。
图5以掘进工作面的数据采集设备数据处理为例说明灾害监测报警的流程，监测过程主要包括：
1.(501)采集掘进工作面安装在掘进机上的测距装置(107)及测速装置(108)所采集的距离数据和速度数据。
2.(502)根据测距装置及测速装置的设备编号调取该装置的相对位置及其设定数据异常的数值阈值、数据异常持续时间阈值等预警判定相关数据，根据这些相关数据对所采集的数据进行数据异常判定，如果有数据存在异常，则继续监测其它数据；如果未采集到数据，则判定为装置异常，直接执行灾害报警处理；否则结束本次监测过程。
3.(503)采集掘进机控制器(110)提供的相对位置、截割部角度、运行状态、喷雾状态等掘进机状态数据。
4.(504)根据掘进机状态数据确定掘进机位置及姿态，判定掘进机是否对距离/速度数据产生干扰，如果存在干扰则结束本次监测过程，否则继续监测其它数据。
5.(505)采集定位分站(112)提供的井下人员和设备的位置数据。
6.(506)根据井下人员和设备的位置数据，判定井下人员和设备是否对距离/速度数据产生干扰，如果存在干扰则结束本次监测过程，否则继续监测其它数据。
7.(507)间隔设定时间采集甲烷浓度传感器(110)、气压传感器(111)、声音传感器(112)、振动传感器(113)、风速传感器(114)、风向传感器(115)提供的各种环境数据。
12.(508)监测环境数据，当监测到巷道风向发生反转、或气压或风速超过设定阈值、或声音数或振动数据超过设定阈值时，参考甲烷浓度数据发出相应的灾害报警，如甲烷浓度数据突然升高或超过设定阈值，则向监控终端(103)发出煤与瓦斯突出报警信号；如甲烷浓度数据正常，则向监控终端(103)发出冲击地压报警信号；否则结束监测。