一种煤矿井下地音监测装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种煤矿井下地音监测装置，该装置包括：主机、转换器、总线、至少一个分机以及地音探头；其中，所述主机，用于向所述至少一个分机发送命令和设置参数；所述至少一个分机，用于接收所述主机的命令和参数，并执行所述主机的命令；所述地音探头，用于监测地音信号，并将所述地音信号发送给所述至少一个分机；所述总线，用于所述主机与所述至少一个分机进行通信；所述转换器，用于实现所述总线与所述主机串口的通信接口。本实用新型能够根据煤岩体声发射活动的变化规律和特征来实现煤与瓦斯突出的预测预报。
【专利说明】
一种煤矿井下地音监测装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及声波速度测量技术领域，尤其涉及一种煤矿井下地音监测装置.。
【背景技术】
[0002]煤矿的冲击地压、顶板大面积来压、煤与瓦斯突出等现象严重地影响着煤矿的安全生产。目前，我国煤矿普遍采用动态仪观测顶板下沉速度和使用压力表测量支柱载荷等方法实现对顶板来压的预测，这些方法虽实施比较方便，但由于需要配备较多的人力，实现连续预测，困难较大且繁琐，信息量少，因而制约了顶板监测技术的发展。因此，开展非接触式连续预测方法技术的研究就显得十分必要，也是今后的发展趋势。
[0003]矿井动力灾害包括煤(岩石)与瓦斯突出、冲击地压、顶板大面积来压等，这些动力灾害的发生都有一个从量变到质变的准备过程，即煤岩体从微小破裂到破坏的过程。因为煤岩体是一种非均质体，其中存在各种微裂隙、孔隙等，以致煤岩体在受外力作用时就会在这些缺陷部位产生应力集中，发生突发性破裂，使积聚在煤岩体中的能量得以释放，且以弹性波的形式向外传播。这就是煤岩体在地应力、瓦斯压力及采掘作用等影响下产生的声发射现象，也称为地音。地音信号地多少、大小等指标的变化反映了煤岩体受力的情况。显然，声发射活动的特征提供了矿井动力灾害的前兆信息。因此通过对煤岩体声发射频度和能率(单位时间内的能量总和)等参数的统计分析，了解声发射在突出(或冲击地压)前的活动规律及特征，并通过现场试验研究，找到采用声发射参数预测预报突出(或冲击地压)危险的差别指标及其临界值，从而可以实现地音监测技术对矿井动力灾害的预测预报。
[0004]地音监测就是利用专门的监测装置，对井下煤岩体受力过程的声学效应进行动态连续监测的技术。因而监测装置、地音探头的性能与设置、工作参数测定与配置、数据整理与危险判据等构成了地音监测技术的关键环节。
[0005]目前我国煤矿正在推广使用波兰研制的SAK-3型地音监测装置，其结构图如图1所示，在此不再赘述。首先，该监测装置属于模拟式声发射仪。信号处理装置通过门槛比较器、放大、积分等模拟电路输出声发射信号的模拟参量，然后通过后续电路的A/D转换和计数器转换成数字参量，从而提取声发射信号的参数，然后用计算机来处理;其次，SAK-3装置各传感器的信号通过电缆集中到信号处理装置进行数据处理与分析，仪器体积大、线路多、易损坏、维护难;并且，SAK-3的地音探头直接埋设在煤体中，需要打孔安装，工作量较大。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型所要解决的技术问题在解决现有技术的不足，提供一种煤矿井下地音监测装置。首先，基于DSP的地音监测装置属于数字式声发射仪。地音探头输出的模拟地音信号经A/D转换成数字信号后，由DSP计算得到声发射信号参数，然后交由地面PC主机处理。相比现有技术中的模拟式地音监测装置，该装置具有很高的信噪比、良好的抗干扰能力、宽的动态范围、可靠性高，不易受到温度等环境因素的影响，适宜在煤矿井下恶劣环境中的使用。同时对地音信号的处理比模拟装置更加容易，而且数字化后的地音信号保留了更多的AE信息，为地音信号分析和特征提取提供了更大的开发潜力。
[0007]其次，基于DSP的地音监测装置采取化整为零的方式，各分机独立采集相应通道的声发射信号，计算声发射参数，同时有选择性地存储声发射波形数据以供定位，分机安放在传感器附近，连线很短。同时，基于DSP的地音监测装置拟将探头直接安装在所要监测区域的锚杆上，这样将会很大地降低工作量。
[0008]本实用新型提供了一种煤矿井下地音监测装置.，该包括:主机、转换器、总线、至少一个分机以及地音探头；其中，所述主机，用于向所述至少一个分机发送命令和设置参数;所述至少一个分机，用于接收所述主机的命令和参数，并执行所述主机的命令;所述地音探头，用于监测地音信号，并将所述地音信号发送给所述至少一个分机;所述总线，用于所述主机与所述至少一个分机进行通信;所述转换器，用于实现所述总线与所述主机串口的通信接口。
[0009]优选地，所述主机为PC机。
[0010]优选地，所述地音探头采用压电式加速度传感器。
[0011]优选地，所述总线采用485总线进行数据通讯，并采用数字信号直接传输的基带方式。
[0012]优选地，所述转换器为RS232-485转换器，实现了所述主机的RS232串口和所述485总线的通信接口。
[0013]优选地，所述分机包括数据采集部分、数据处理部分、485总线通信接口部分、片外存储器部分以及译码部分。
[0014]优选地，所述数据处理部分由TMS320VC5410DSP完成。
[0015]优选地，所述数据采集部分采用了集成ADC和DAC于一体的TLC320AD50模拟接口电路，并通过DSP的多通道缓冲串口 McBSP与DSP相连。
[0016]优选地，所述485总线通信接口部分使用了MAX485接口芯片、AT89LV51单片机，单片机通过MAX485与总线通信，且通过DSP的主机接口 HPI与DSP相连以访问DSP相关的存储器及控制DSP的运行。
[0017]优选地，所述片外存储器部分由64K的RAMIS61LV6416和256K的FLASH39VF400A组成;且所述译码部分使用了 EPM7128CPLD。
[0018]本实用新型提供出一种基于DSP的地音监测装置;整个装置由多道传感器、井下分机、地面PC等几大部分组成，井下分机和地面主机之间利用485总线进行通信，该装置通过安装在锚杆上的地音传感器连续监测工作面前方，煤岩体声发射活动的变化规律和特征来实现煤与瓦斯突出的预测预报。
【附图说明】
[0019]为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为现有技术中提供的一种SAK-3型地音监测装置示意图；
[0021]图2为本实用新型实施例提供的一种煤矿井下地音监测装置示意图；
[0022]图3为本实用新型实施例提供的一种煤矿井下地音监测装置的分机结构示意图。
【具体实施方式】
[0023]为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0024]本实用新型目的主要提供一种煤矿井下地音监测方法，通过安装在锚杆上的地音传感器，连续监测工作面前方的煤岩体声发射活动的变化规律和特征，实现对矿井动力灾害的预测预报。
[0025]为了达到本实用新型的目的，本实用新型实施例所提供了以下的运行模式，下面对此进行说明。
[0026]由于煤矿井下环境条件十分复杂，不同的矿井、作业场所、作业工序、动力灾害其声发射特征、噪音信号特征和水平、声发射参数临界值等可能不同，需要针对不同条件研究其声发射或噪音信号特征，以便适当调整有关参数和处理方法，以提高声发射预测的针对性和准确性，所以需要对监测的信号进行全波形分析。为此，在设计监测装置时考虑了以下两种运行模式:
[0027]—种是全波形采集模式;全波形采集模式运行时，井下分机将通过总线将其采集到的波形数据经缓冲后传输给地面主机，为地面进行地音信号的波形分析提供原始资料，分析AE波形特性、噪声特征及水平、声发射敏感参数等。
[0028]另一种是实时采样处理模式;实时采样处理模式是矿井动力灾害实时预测预报时采用，也是主要的一种运行模式。运行时各井下分机采用声发射信号特征参数的分析方法对采集的地音信号进行实时处理，得到AE参数(大事件、总事件、能量等)，同时有选择性地保存一段声发射波形数据以供主机定位声发射源;主机在接收到备分机发送的AE参数和声发射波形数据后，进行声发射参数统计指标值分析和危险性的判识，根据危险性判识结果可进行实时报警，实现对工作面动力灾害的实时预报功能;通过分析分机返回的声发射波形数据进行声发射源定位。
[0029]首先对DSP做一些说明，DSP从字面上来说即为〃数字信号处理(Digital SignalProcessing)"，也就是将现实世界的模拟信号转换成数字信号，再用数学的方法来处理此数字信号，得到相应的结果。经典的数字信号处理有时域的信号滤波(如IIR、FIR)和频域的频谱分析(如FFT)。本文所说的DSP是指〃数字信号处理器(Digital Signal Processor)"，它是一种特别适合于进行高速数字信号处理的微处理器，是解决实时处理要求的单片可编程微处理芯片。它使用灵活，用于实现信号处理任务时，与一般的微处理器相比，其速度更快，效率更高。其主要特点是:计算功能强大，具有高速输入输出接口以及高速的数据传输，常用于处理连续不间断的实时信号。
[0030]DSP技术广泛应用于智能仪表、机电控制、电子测量、网络通讯、高速采集、语音处理、图像处理、电动机控制、电力系统微机继电保护、数码相机、手机、硬盘驱动以及各种监测设备等多方面，几乎所有需要计算或控制的地方都可以用到DSP芯片，现在的全数字式声发射仪器中的硬件也要用到DSP芯片，用DSP控制高速数据采集和进行声发射参数的提取。
[0031]图2为本实用新型实施例提供的一种煤矿井下地音监测装置示意图。如图2所示，一种煤矿井下地音监测装置。包括PC主机、RS232-485转换器、装置485总线、N(N为大于O的整数)个分机以及地音探头。
[0032]如图中，装置485总线中设置有两个电阻，R1、R2，为保护电阻;在实际的应用中，根据具体的需要进行个数和电阻阻值的设置。
[0033]具体地，装置主机为一台PC机，通过RS232-485转换器，实现了主机的RS232串口和装置485总线的通信接口；主机和分机间采用主从式的通信方式，各分机的运行状态都是受主机控制的。
[0034]分机采用AT89LV51单片机和TMS320VC5410DSP组成的双CPU设计方案，充分发挥单片机的外围接口控制能力和DSP的数据处理能力；其中，单片机负责与总线的通信，并控制DSP的运行模式;DSP负责米集和处理声发射信号。
[0035]现对该装置的主、分机做说明。各分机利用DSP强大的数据处理能力实现数据的实时采集与处理，分机与地面主机采用总线式的连接方式，装置能够在地面主机(微机)存储、显示、打印地音监测的主要参数:地音事件数(分级事件数，总事件数)、班累计能量、平均能量、地音事件的频率、地音事件的能量、地音事件的延时、各通道之间信号的到时差以及地音发生位置等。
[0036]PC主机主要用来实现与井下分机的通信，向井下分机发送命令和设置参数;主机在接收到各分机发送的声发射信号特征参数值后，进行声发射参数统计指标值分析和危险性的判识，根据危险性判识结果可进行实时报警，实现对工作面动力灾害的实时预报功能；分析适当的几个分机返回的声发射波形数据，进行声发射源定位。井下分机主要用来实现与地面PC主机的通信，接收地面主机发送的命令和初始化参数，根据地面主机发送的命令执行相应的程序和返回相应的数据。
[0037]基于DSP的地音监测装置的特点，下面具体从地音监测技术的三个关键环节，也就是监测环节、地音探头环节以及参数配置与数据分析环节来进行说明。
[0038]检测环节中监测装置，首先，基于DSP的地音监测装置属于数字式声发射仪。地音探头输出的模拟地音信号经A/D转换成数字信号后，由DSP计算得到声发射信号参数，然后交由地面PC主机处理。相比模拟式地音监测装置，该装置具有很高的信噪比、良好的抗干扰能力、宽的动态范围、可靠性高，不易受到温度等环境因素的影响，适宜在煤矿井下恶劣环境中的使用。同时对地音信号的处理比模拟装置更加容易，而且数字化后的地音信号保留了更多的AE信息，为地音信号分析和特征提取提供了更大的开发潜力。
[0039]其次，基于DSP的地音监测装置采取化整为零的方式，各分机独立采集相应通道的声发射信号，计算声发射参数，同时有选择性地存储声发射波形数据以供定位，分机安放在传感器附近，连线很短。
[0040]并且，基于DSP的地音监测装置的地面主机和井下分机之间采用485总线进行数据通讯，采用数字信号直接传输的基带方式，在传输速度、误码率等方面都优于前者，而且结构简单、使用方便。RS-485采用差分方式平衡信号传输，传输距离可达1200m(波特率为10Kbps以下时，传输距离为1200m;在最高波特率1Mbps时，最大传输距离为12m)。当传输距离更大时，可采用中继方式。这一接口标准具有对干扰信号的强抑制能力，一直广泛应用于分布式测控装置。它是一种多发送器的电路标准，半双工，允许双导线上一个发送器驱动32个负载设备，负载设备可以是被动发送器、接收器或收发器(发送器和接收器的组合)。本装置的地面主机和各井下分机均以节点形式就近并联于通信线路，均采用专用接口芯片作串行数据收发器与通信双绞线相连。可见，采用这种方式既能节省信号线又便于分机的扩展。
[0041]在地音探头环节中，结合我国正在推广使用波兰研制的SAK-3型地音监测装置，以下以该装置为例，说明地音监测装置的组成和功能。
[0042]地音探头的性能和布置，SAK-3的地音探头为磁电式速度传感器，磁电式速度传感器采用动线圈技术，提供直接正比于传感器振动速度的电压输出。而基于DSP的地音监测装置的地音探头采用压电式加速度传感器。其与磁电式传感器相比，压电式加速度传感器因采用晶体电路，没有移动部件，所以不会产生磨损和退化，并且可以垂直、水平或以任何角度安装，而且压电式加速度传感器具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。
[0043]需要说明的是，SAK-3的地音探头直接埋设在煤体中，需要打孔安装，工作量较大。而基于DSP的地音监测系统拟将探头直接安装在所要监测区域的锚杆上，这样将会很大地降低工作量。
[0044]下面对参数配置与数据分析环节进行说明，基于DSP的地音监测装置能够在地面主机(微机)存储、显示、打印地音监测的主要参数:地音事件数(分级事件数，总事件数)、班累计能量、平均能量、地音事件的频率、地音事件的能量、地音事件的延时、各通道之间信号的到时差以及地音发生位置等。装置是数字式声发射仪，在分析了工作场所的地音信号波形数据，得出该场所的声发射参数临界值后，地面主机可以很方便地调整井下分机的相关参数，使装置适应不同的工作场所;声发射信号的特征参量都是由DSP从A/D转换后的数据流中通过程序直接提取的，通过改变DSP的程序，装置可以提取更多的声发射信号特征参数，具有很大的升级潜力。
[0045]图3为本实用新型实施例提供的一种煤矿井下地音监测装置.的分机结构示意图。如图所示，分机结构包括数据采集部分、数据处理部分、485总线通信接口部分、片外存储器部分以及译码部分，各部分均以DSP为核心。
[0046]具体地，作为本实用新型实施例的一种优选方案，数据处理部分由TMS320VC5410DSP完成;数据采集部分采用了集成ADC和DAC于一体的TLC320AD50模拟接口电路，通过DSP的多通道缓冲串口McBSP与DSP相连;485总线通信接口部分使用了MAX485接口芯片、AT89LV51单片机，单片机通过MAX485与总线通信，且通过DSP的主机接口 HPI与DSP相连以访问DSP相关的存储器及控軸)SP的运行;片外存储器部分由64K的RAMIS61LV6416和256K 的 FLASH39VF400A 组成；译码部分使用了 EPM7128CPLD。
[0047]本实用新型主要提供一种非接触式的预测矿井动力灾害的连续监测技术，通过对煤岩体声发射频度和能率等参数的统计分析，从而实现地音监测技术对矿井动力灾害的预测预报;通过安装在锚杆上的地音传感器，连续监测工作面前方煤岩体声发射活动的变化规律和特征来实现煤与瓦斯突出的预测预报。能够促进煤矿安全生产，避免事故发生。
[0048]首先，基于DSP的地音监测装置属于数字式声发射仪，与常用的模拟式地音监测装置相比较，该装置具有很高的信噪比，且不易受到温度等环境因素的影响，适宜在煤矿井下恶劣的环境中使用;针对不同的作业场所，可以很方便地适当调整有关参数，以提高声发射预测的准确性;通过改变DSP的程序，系统可以提取更多的声发射信号特征参数，具有很大的升级潜力。
[0049]其次，基于DSP的地音监测装置的地面主机和井下分机之间采用RS485总线进行数据通讯，这种通信方式的抗干扰能力强，结构简单，而且便于分机的扩展。
[0050]同时，现有地音监测装置的地音探头直接埋设在煤体中，需要打孔安装，工作量较大。基于DSP的地音监测装置拟将探头直接安装在所要监测区域的锚杆上，这样将会很大地降低工作量。
[0051]需要说明的是，基于DSP的地音监测装置在普通的分布式监测装置的结构上，加入DSP为信号处理单元，即采用DSP和单片机的双CPU设计方案。单片机负责与总线的通信，并控制DSP的运行;DSP负责采集和处理信号。该设计方案具有通用性，并易于功能扩展，可以适用于对数据处理要求比较高的监测装置中。
[0052]以上所述的【具体实施方式】，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的【具体实施方式】而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种煤矿井下地音监测装置，其特征在于，所述装置包括:主机、转换器、总线、至少一个分机以及地音探头;其中， 所述主机，用于向所述至少一个分机发送命令和设置参数； 所述至少一个分机，用于接收所述主机的命令和参数，并执行所述主机的命令； 所述地音探头，用于监测地音信号，并将所述地音信号发送给所述至少一个分机； 所述总线，用于所述主机与所述至少一个分机进行通信； 所述转换器，用于实现所述总线与所述主机串口的通信接口。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主机为PC机。3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述地音探头采用压电式加速度传感器。4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述总线采用485总线进行数据通讯，并采用数字信号直接传输的基带方式。5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述转换器为RS232-485转换器，实现了所述主机的RS232串口和所述485总线的通信接口。6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述分机包括数据采集部分、数据处理部分、485总线通信接口部分、片外存储器部分以及译码部分。7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述数据处理部分由TMS320VC5410DSP完成。8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述数据采集部分采用了集成ADC和DAC于一体的TLC320AD50模拟接口电路，并通过DSP的多通道缓冲串口McBSP与DSP相连。9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述485总线通信接口部分使用了MAX485接口芯片、AT89LV51单片机，单片机通过MAX485与总线通信，且通过DSP的主机接口 HPI与DSP相连以访问DSP相关的存储器及控制DSP的运行。10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述片外存储器部分由64K的RAMIS61LV6416 和 256K 的 FLASH39VF400A 组成；且所述译码部分使用了 EPM7128CPLD。
【文档编号】E21F17/18GK205477751SQ201620046560
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年1月19日
【发明人】程秀芝, 陈立爱, 何平, 龚雪, 李浩然, 韩文涛, 王卉, 王静, 杨熙
【申请人】安徽建筑大学