專利名稱：煤巖動力災(zāi)害實(shí)時監(jiān)測預(yù)報裝置及預(yù)報方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過連續(xù)不間斷監(jiān)測煤巖砼變形破裂電磁輻射(EME)信息實(shí)時監(jiān)測煤巖砼變形破裂過程或預(yù)測預(yù)報煤巖砼動力災(zāi)害的技術(shù)及裝置。屬礦山安全監(jiān)測預(yù)報設(shè)備的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
煤巖動力災(zāi)害現(xiàn)象范圍很廣，涉及到許多工程領(lǐng)域和自然災(zāi)害。在礦山條件下，有煤與瓦斯突出、巖石與瓦斯突出、礦山?jīng)_擊地壓、頂板塌陷和邊坡滑移等；在地面上，有山體滑移、地震、壩基失穩(wěn)及巖石混凝土建筑失穩(wěn)倒塌等。煤巖動力災(zāi)害的危害是巨大的，除帶來大量的人員傷亡之外，還給國民經(jīng)濟(jì)造成巨大的損失。煤巖動力災(zāi)害現(xiàn)象尤以煤與瓦斯突出最為典型。在礦山條件下，隨著采掘深度的加深和產(chǎn)量的不斷增加，煤與瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害有增加的趨勢。
當(dāng)前所采用的靜態(tài)工作面突出危險預(yù)測技術(shù)及裝備(鉆屑倍率法、鉆孔瓦斯涌出初速度法、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)法及其它綜合指標(biāo)法)，簡稱靜態(tài)法，都是通過鉆孔來實(shí)現(xiàn)的，因此又可稱為鉆孔法。靜態(tài)法打鉆及參數(shù)測定需占用作業(yè)時間和空間，工程量很大，預(yù)測作業(yè)時間也較長，對生產(chǎn)有一定的影響，預(yù)測所需費(fèi)用也較高；安全性差，在打鉆時易誘發(fā)動力災(zāi)害；靜態(tài)預(yù)測法的準(zhǔn)確性較低，易受人工及煤體分布不均勻的影響。煤層或煤體及其內(nèi)部所含有的瓦斯并不是均勻分布的，也不是穩(wěn)定的。在鉆孔附近取得的預(yù)測結(jié)果僅僅是局部的，并不能完全代表整個預(yù)測步長范圍內(nèi)的突出危險性，在預(yù)測時刻取得的結(jié)果也只是靜態(tài)的，并不能完全代表煤體穩(wěn)定前整個時期內(nèi)的突出危險性，因為煤體處于動態(tài)變化之中，延期突出就是例證。因此區(qū)域性動態(tài)連續(xù)預(yù)測的研究正日益引起人們的重視。
目前，突出的動態(tài)連續(xù)預(yù)測有二條途徑其一是聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)。煤和巖石內(nèi)部存在大量的裂隙等缺陷。煤巖砼破裂的結(jié)果就是裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展、匯合貫通。研究表明，裂隙的產(chǎn)生和擴(kuò)展都將以彈性波的形式產(chǎn)生能量輻射，這就是聲發(fā)射。美國、加拿大和法國等國家將聲發(fā)射技術(shù)用于巖爆預(yù)測，在七十年代中期到八十年代末期前蘇聯(lián)、澳大利亞、美國、德國、日本和波蘭等國家開發(fā)了聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，用于預(yù)測預(yù)報煤與瓦斯突出，但其效果不是很好。究其原因，主要是由于聲發(fā)射的技術(shù)特點(diǎn)所決定的(1)聲發(fā)射是煤巖材料受載破裂時產(chǎn)生的，在煤巖體的緩慢變形過程中，聲發(fā)射很弱，甚至不會產(chǎn)生聲發(fā)射，因此聲發(fā)射法對于災(zāi)害的前期預(yù)報靈敏度較低；(2)聲發(fā)射技術(shù)及裝備要求傳感器與煤巖混凝土進(jìn)行很好的耦合，這在實(shí)際現(xiàn)場中是非常困難的，特別是對于非常破碎的煤體。聲發(fā)射技術(shù)及裝備不是真正的非接觸監(jiān)測，其操作仍然較為復(fù)雜；(3)聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)受外界及監(jiān)測環(huán)境中其它工作過程的影響較大，排除外界干擾非常困難，特別是在工作場所中。
動態(tài)連續(xù)預(yù)測的第二種方法是利用環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測工作面的瓦斯涌出變化特征，分析涌出與突出的關(guān)系從而預(yù)測突出。預(yù)測采用的技術(shù)指標(biāo)是掘進(jìn)工作面放炮后30分鐘內(nèi)的瓦斯涌出量與落煤量的比值V30和瓦斯涌出變動系數(shù)Kv。這其實(shí)是一種單因素指標(biāo)，只考慮了瓦斯因素，而對于應(yīng)力和煤巖體的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度沒有考慮，這顯然是相當(dāng)片面的，其可靠性可想而知。
與聲發(fā)射法相比，利用煤巖變形及破裂過程中產(chǎn)生的電磁輻射預(yù)測煤與瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害，有許多優(yōu)點(diǎn)電磁輻射信息綜合反映了煤與瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害的主要影響因素；電磁輻射信息較聲發(fā)射豐富，即使在煤巖體(或含瓦斯煤體)緩慢的變形過程(或流變過程)中也有信號產(chǎn)生；實(shí)現(xiàn)了真正的非接觸、區(qū)域性、定向監(jiān)測。本發(fā)明在大量的實(shí)驗室實(shí)驗、現(xiàn)場試驗及理論分析的基礎(chǔ)上建立了基于煤巖流變破壞過程的動態(tài)判別準(zhǔn)則，發(fā)明了臨界值法與動態(tài)趨勢法相結(jié)合的實(shí)時預(yù)報方法。與現(xiàn)行的預(yù)報方法相比更有效快捷，大大減少了工作量，基本不受人工等外界干擾(對于井下機(jī)電設(shè)備等電磁干擾，則通過采取屏蔽或定向接收技術(shù)來排除)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)監(jiān)測及預(yù)報，不影響生產(chǎn)，既能探測煤壁附近的突出危險性及突出危險帶的方位，又能檢驗防突措施的效果。在近25～30年內(nèi)，電磁輻射效應(yīng)的研究，無論是理論研究，還是在應(yīng)用研究方面，都取得了飛速發(fā)展，但主要集中在地震預(yù)報領(lǐng)域。在接收震前電磁輻射信息的方法及儀表方面，也取得了很多成果。趙霞君等研制了地震電磁脈沖電腦記錄儀，并申請了國家發(fā)明專利(專利號CN1062040A)。該地震電磁脈沖記錄儀能夠記錄的頻率范圍為0.01Hz～2kHz，且只能夠記錄脈沖數(shù)。中國專利CN2050174V中公開了一種“地震電磁信息接收機(jī)”，該接收機(jī)是由地上接收系統(tǒng)、地下接收系統(tǒng)、監(jiān)測與時標(biāo)電路及記錄系統(tǒng)等部分組成，它是通過地上、地下對比來區(qū)別電磁前兆信號與地面干擾信號。顯然，該系統(tǒng)過于復(fù)雜，僅適于接收來自大規(guī)模孕震區(qū)域的電磁信號。歐洲專利EP0067924公開了一種”預(yù)報地震的方法和裝置“，中國專利CN1032240A公開了一種“地震前兆交變電信息接收儀”，上述兩項發(fā)明均以接收地電信號來進(jìn)行地震的短臨預(yù)報，而地電信號是一個非常復(fù)雜的物理量，在缺少理論及試驗研究的情況下其預(yù)報地震的準(zhǔn)確性是難以令人信服的。中國專利CN1051625A公開了一種“接收震前電磁輻射的方法及設(shè)備”，它是將地震信息天線架設(shè)在地質(zhì)斷層附近的大型金屬物質(zhì)表面上，并安裝地震測向天線，兩組天線捕獲的電磁信息對應(yīng)通過濾波整流及檢波電路經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換通道進(jìn)入計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
可見，已有的地震電磁輻射研究成果主要是針對地震領(lǐng)域，測試頻率為低頻以下，大多為超低頻或甚低頻，只適于遠(yuǎn)距離測試堅硬巖石的大規(guī)模轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的電磁輻射，不適于對煤體及軟弱巖石變形破裂或較小規(guī)模(與地震相比)的強(qiáng)烈變形破壞電磁輻射進(jìn)行近距離測試。研制的儀表也沒有預(yù)報功能，僅能接收電磁輻射信號。另外還有一個嚴(yán)重的缺點(diǎn)，就是對受載巖體變形破裂產(chǎn)生電磁輻射的機(jī)理和規(guī)律特征并不清楚，而電磁輻射技術(shù)及裝備的應(yīng)用必須建立在對電磁輻射的產(chǎn)生機(jī)制和規(guī)律進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)之上。
近些年來，煤巖電磁輻射特性及其應(yīng)用研究方面取得了較大的進(jìn)展。發(fā)明專利“預(yù)測含氣煤巖砼災(zāi)害的方法及裝置”(ZL98111185.8)通過非接觸監(jiān)測受載煤巖體變形破裂時產(chǎn)生的電磁輻射信號及其短時(數(shù)分鐘)變化規(guī)律，預(yù)報煤與瓦斯突出和沖擊地壓等煤巖動力災(zāi)害的危險性，其反映的是煤巖動力災(zāi)害演化過程中某一階段的瞬時狀態(tài)，沒有實(shí)現(xiàn)真正的連續(xù)不間斷監(jiān)測和預(yù)報，也不能共享KJ煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)的資源。
實(shí)用新型專利“煤巖動力災(zāi)害電磁輻射監(jiān)測裝置”(專利號為ZL 01 272808.X)在外接電源的情況下可進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，但不能與KJ系列煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)接，不能共享安全監(jiān)測系統(tǒng)的電源和傳輸通道，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測需要單獨(dú)布線和單獨(dú)電源，并且預(yù)報功能較弱。
用電磁輻射法實(shí)時監(jiān)測預(yù)報煤巖砼較小規(guī)模災(zāi)害(如煤與瓦斯突出、壩基失穩(wěn)、滑坡和沖擊地壓等)發(fā)展演化過程及其危險性方面還沒有成熟的技術(shù)及裝置。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種煤巖動力災(zāi)害實(shí)時監(jiān)測預(yù)報裝置及預(yù)報方法，該裝置及方法能夠?qū)γ号c瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動力災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確有效、非接觸、定向、區(qū)域性、連續(xù)不間斷、遠(yuǎn)程監(jiān)測預(yù)報，可共享KJ系列煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)(簡稱KJ系統(tǒng)，如KJ2000煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)、KJ95煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)等)的電源和傳輸通道等資源，安裝及操作方便，對生產(chǎn)無影響，費(fèi)用低。
技術(shù)方案煤巖動力災(zāi)害實(shí)時監(jiān)測預(yù)報方法主要包含以下指標(biāo)a)信號接收方式非接觸式、區(qū)域性接收?？刹捎梅墙佑|式、區(qū)域性、寬頻帶、高靈敏度、定向電磁接收探頭，也可采用寬頻帶、高靈敏度鉆孔接收探頭。鉆孔探頭為一由金屬管加工成的電容式探頭，放置在鉆孔需進(jìn)行耦合，不受作業(yè)場所中工作機(jī)械及工作人員的干擾。
b)信號處理方式實(shí)時處理、實(shí)時顯示、實(shí)時輸出。
c)預(yù)報方式實(shí)時預(yù)報。采用臨界值法與動態(tài)趨勢法相結(jié)合的方法對煤巖動力災(zāi)害危險性進(jìn)行實(shí)時預(yù)報。
煤巖動力災(zāi)害實(shí)時監(jiān)測預(yù)報裝置由接收探頭、信號接收及處理機(jī)組成。系統(tǒng)接收信號頻率為1kHz～1MHz，本質(zhì)安全防爆型，由單片機(jī)控制，具有參數(shù)輸入、數(shù)據(jù)采集、自動記錄存儲、數(shù)據(jù)顯示、預(yù)警及遠(yuǎn)程通訊等功能。
儀表的主要技術(shù)指標(biāo)a)防爆型式ExibI本質(zhì)安全型；b)接收信號頻率1kHz～1MHz；c)靈敏度可調(diào)，25mV～1μV，可適應(yīng)不同煤層及地質(zhì)條件；d)記錄方式監(jiān)測儀連續(xù)、自動處理，實(shí)時輸出，中心計算機(jī)自動記錄；e)操作方式監(jiān)測儀可通過操作面板按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，可輸入的參數(shù)有統(tǒng)計時間長度、輸出信號及輸出幅度、輸出信號形式、預(yù)警臨界值。
g)接口四種測試結(jié)果信號輸出方式，一種以485信號輸出，一種以1～5mA形式輸出，一種以4～20mA信號輸出，一種以200～1000Hz形式輸出，以便適應(yīng)不同的監(jiān)測系統(tǒng)要求。每種輸出形式可輸出兩路信號。
i)電源18～9VDC，可由監(jiān)測系統(tǒng)供電；j)測試指標(biāo)電磁輻射強(qiáng)度和電磁輻射脈沖數(shù)，提高了預(yù)測可靠性；
k)預(yù)警準(zhǔn)則臨界值法和動態(tài)趨勢法預(yù)警，預(yù)測準(zhǔn)確率高。
煤巖動力災(zāi)害實(shí)時監(jiān)測預(yù)報裝置包括由前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、緩沖器、CPU、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、顯示器、RS485通訊口、標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路、鍵盤組成的監(jiān)控主機(jī)以及天線、電源、KJ系統(tǒng)分站、KJ系統(tǒng)中心機(jī)；其中，天線、前置放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、緩沖器、CPU順序串聯(lián)連接；數(shù)據(jù)存儲器、顯示器、RS485通訊口、標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路、鍵盤分別接CPU；標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路的輸出端接KJ系統(tǒng)分站，KJ系統(tǒng)分站與KJ系統(tǒng)中心機(jī)相接。
煤巖動力災(zāi)害實(shí)時監(jiān)測預(yù)報裝置的實(shí)時監(jiān)測預(yù)報方法為將探頭即天線的有效接收方向?qū)?zhǔn)被測區(qū)域中心，天線距被監(jiān)測區(qū)域的距離小于50米；對接收到的電磁輻射信息進(jìn)行實(shí)時處理和記錄，其實(shí)時處理的方法為由天線接收的信號經(jīng)前置放大器放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器，直接進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并存入緩存器；當(dāng)緩存器存滿后，由CPU讀出，統(tǒng)計每秒極大電磁輻射值E和脈沖數(shù)N，然后計算T1時間內(nèi)電磁輻射E的平均值“Eavg”或脈沖數(shù)N的平均值“Navg”，存入數(shù)據(jù)存儲器，并進(jìn)行實(shí)時顯示和輸出給監(jiān)測系統(tǒng)分站；當(dāng)電磁輻射E的平均值“Eavg”或脈沖數(shù)N超過其相應(yīng)的預(yù)警臨界值，儀器發(fā)出警報；在KJ系統(tǒng)中心機(jī)中，除接上述臨界值法預(yù)報外，還計算“Eavg”和“Navg”的增長趨勢，當(dāng)T2時間內(nèi)Eavg或Navg基本呈連續(xù)增長趨勢且增長率ΔE或ΔN超過預(yù)定的臨界增長率n時，儀器發(fā)出警報。
有益效果本發(fā)明中采用了非接觸式接收天線，實(shí)現(xiàn)了真正的非接觸式連續(xù)預(yù)測，也可配備其它探頭進(jìn)行監(jiān)測及預(yù)報。監(jiān)測預(yù)報不影響生產(chǎn)，節(jié)省了大量的工作量和費(fèi)用。本發(fā)明提出的預(yù)測參數(shù)有兩個電磁輻射強(qiáng)度和脈沖數(shù)。本發(fā)明所述的測試裝置為本質(zhì)安全型，可用于煤礦井下，預(yù)測預(yù)報煤與瓦斯突出、沖擊地壓和頂板塌落等，也可用于地面上預(yù)測預(yù)報滑坡、地震及巖石混凝土建筑的失穩(wěn)。本發(fā)明所述的測試裝置具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、可與監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通訊、報警等功能，當(dāng)某一參數(shù)超過其臨界值或符合動態(tài)預(yù)報準(zhǔn)則時，儀器或監(jiān)測終端軟件發(fā)出警報。本發(fā)明所述的測試裝置體積小，安裝及操作方便，靈敏度高，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時連續(xù)監(jiān)測預(yù)報。本發(fā)明所述的測試裝置測試的電磁輻射頻率為1kHz～1MHz，可進(jìn)行近距離或遠(yuǎn)距離預(yù)測，所使用的天線為定向接收天線。
我國現(xiàn)有很大一部分礦井屬于有煤與瓦斯突出和沖擊地壓礦井。突出除帶來大量的人員傷亡外，還嚴(yán)重影響煤礦的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。突出礦井每年都投入很大的人力和物力進(jìn)行突出預(yù)測和防治。
突出預(yù)測就是要在投入最低的情況下，快速、簡便、準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)測預(yù)報，保證安全，使礦井產(chǎn)生最大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。
電磁輻射法預(yù)測突出危險性技術(shù)及配套儀器使突出預(yù)測省時省力，無需打鉆，不影響生產(chǎn)，準(zhǔn)確率高，可滿足上述原則和要求。
該項技術(shù)及配套儀器也可用于預(yù)測預(yù)報礦山?jīng)_擊地壓危險、頂板跨落、大型巖石混凝土建筑失穩(wěn)等其它煤巖動力災(zāi)害現(xiàn)象，也可用于巖石混凝土等材料變形破裂機(jī)理及過程的研究。
電磁輻射預(yù)測技術(shù)及便攜式裝備的優(yōu)點(diǎn)和成功的試驗、應(yīng)用已引起其它有煤與瓦斯突出和沖擊礦壓等煤巖動力災(zāi)害現(xiàn)象的局礦及礦山安全工作者的極大興趣。該項技術(shù)及配套儀器通過鑒定后，必將有廣泛的市場和遠(yuǎn)大的推廣前景。


圖1是本發(fā)明的煤巖動力災(zāi)害實(shí)時監(jiān)測預(yù)報裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其中有天線1、前置放大器2、A/D轉(zhuǎn)換器3、緩沖器4、CPU5、程序存儲器6、數(shù)據(jù)存儲器7、顯示器8、RS485通訊口9、標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路10、鍵盤11、電源12、KJ系統(tǒng)分站13、KJ系統(tǒng)中心機(jī)14、終端機(jī)15、16。
圖2是本發(fā)明回采工作面電磁輻射監(jiān)測裝置布置示意圖。
圖3是本發(fā)明電磁輻射法實(shí)時監(jiān)測預(yù)報煤與瓦斯突出實(shí)例圖。電磁輻射預(yù)測結(jié)果與常規(guī)預(yù)測方法預(yù)測結(jié)果一致。
圖4是本發(fā)明電磁輻射法實(shí)時監(jiān)測預(yù)報沖擊地壓實(shí)例圖。電磁輻射預(yù)測結(jié)果與實(shí)際顯現(xiàn)結(jié)果一致。
圖5是本發(fā)明電磁輻射數(shù)據(jù)實(shí)時處理及實(shí)時預(yù)報過程框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明接收機(jī)由以下幾部分組成中央處理單元CPU5，前置放大器2，A/D轉(zhuǎn)換器3，時鐘電路，標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路10，顯示器8等。下面分別予以說明。
1)中央處理單元本發(fā)明的中央處理單元選用MCS-96系列的80C196KB單片機(jī)，時鐘頻率選用12MHz?？紤]到本系統(tǒng)主要是測試數(shù)據(jù)，并不進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，所以程序存儲器選用16K字節(jié)的27C128已能滿足要求。
根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)既能隨時把測試的數(shù)據(jù)通過485接口或標(biāo)準(zhǔn)輸出接口傳輸給監(jiān)測系統(tǒng)分站，也能把測試的數(shù)據(jù)存儲起來，留待以后傳輸給主機(jī)。所以要求系統(tǒng)中的隨機(jī)存儲器的容量也應(yīng)足夠大。每個測試數(shù)據(jù)由三部分組成最大值、平均值、脈沖數(shù)，每部分由1個字組成，所以每個測試數(shù)據(jù)需占用3個字的存儲空間。系統(tǒng)由外部電源供電，可進(jìn)行連續(xù)不間斷工作。系統(tǒng)每秒鐘存儲1個數(shù)據(jù)，每小時需存儲3600個數(shù)據(jù)，16小時需存儲57600個數(shù)據(jù)?？紤]另外再存儲一些隨機(jī)測試數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)存儲器選用容量為512KB的628512芯片。
2)前置放大器2信號前置放大器主要用于把傳感器接收的信號進(jìn)行放大，放大器的放大倍數(shù)可調(diào)節(jié)，放大器的輸出直接送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
3)A/D轉(zhuǎn)換器3為了能夠測試較高頻率的信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用TLC876芯片。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率可高達(dá)20MHz，10位二進(jìn)制精度。模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣頻率如此高，0.05微秒就可以完成一次轉(zhuǎn)換，輸出一個數(shù)據(jù)，CPU是無法把這些數(shù)據(jù)及時進(jìn)行處理的。因此這部分電路中設(shè)計了一個由兩個62256隨機(jī)存儲器組成的暫存器。通過1個16位的地址發(fā)生器，把模數(shù)轉(zhuǎn)換器和暫存器有機(jī)的結(jié)合起來。當(dāng)?shù)刂钒l(fā)生器輸出的地址達(dá)到某個值時，模數(shù)轉(zhuǎn)換器停止轉(zhuǎn)換，CPU開始讀取暫存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
4)時鐘電路為使測量計時方便，本系統(tǒng)選用了一個具有良好人機(jī)界面的實(shí)時時鐘電路。該時鐘以實(shí)時時鐘芯片DS12887為主電路，其時鐘精度高，可通過程序進(jìn)行時間的設(shè)置，通過液晶顯示器顯示，可輸出年、月、日、時、分、秒等信息。芯片內(nèi)部帶有鋰電池，不接外部電源可連續(xù)運(yùn)行十年以上。
5)標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路10為了能把測試的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸給監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)中設(shè)計了輸出接口電路。80C196KB單片機(jī)本身帶有TTL電平的RS232通信接口。測試結(jié)果信號有四種輸出方式，一種以485信號輸出，一種以1～5mA形式輸出，一種以4～20mA信號輸出，一種以200～1000Hz形式輸出，以便適應(yīng)不同的監(jiān)測系統(tǒng)要求。每種輸出形式可輸出兩路信號。這四種信號輸出形式可適應(yīng)目前不同的監(jiān)測系統(tǒng)，均可通過電纜與監(jiān)測系統(tǒng)分站進(jìn)行聯(lián)接，可以把測試的數(shù)據(jù)實(shí)時的傳輸給監(jiān)測中心計算機(jī)，進(jìn)而輸出給監(jiān)測終端計算機(jī)。
6)顯示器顯示器選用耗電極低的液晶顯示器。為了編程方便和節(jié)省程序存儲器空間，以及顯示內(nèi)容豐富，選用每行16個字符共2行的液晶顯示器。顯示器和主板的連接通過插座CH2完成。
7)電源本監(jiān)測儀由外部電源供電，也可直接使用監(jiān)測分站提供的電源，工作電壓為18～9VDC。通過三端式固定電源穩(wěn)壓器LM7805提供固定的+5V電源，供數(shù)字電路部分使用。由三端式可調(diào)電源穩(wěn)壓器LM317提供+5V電源，供模數(shù)轉(zhuǎn)換器使用，其電壓穩(wěn)定精度完全能夠滿足A/D轉(zhuǎn)換的需要。
8)其它說明當(dāng)系統(tǒng)電源開關(guān)接通時，CPU被復(fù)位，這個復(fù)位使一些寄存器初始化，程序從頭開始執(zhí)行。本系統(tǒng)采用較簡單的上電復(fù)位電路，由一個電阻、一個二極管和一個電容組成。
為了提供聲音提示，系統(tǒng)中設(shè)計了蜂鳴器。
本發(fā)明采用外部晶振和內(nèi)部電路構(gòu)成的晶體振蕩器，頻率為12MHz。
為了方便實(shí)現(xiàn)測量、通訊、數(shù)據(jù)查詢、功能選擇等要求，本發(fā)明采用2行×2列鍵盤。鍵盤采用輕觸按鍵開關(guān)，其壽命長，使用方便，由編程實(shí)現(xiàn)各按鍵開關(guān)功能，當(dāng)有按鍵開關(guān)被按下時，系統(tǒng)中的蜂鳴器就鳴響一聲，表示有鍵按下，用于提示。
本發(fā)明的裝置包括由前置放大器2、A/D轉(zhuǎn)換器3、緩沖器4、CPU5、程序存儲器6、數(shù)據(jù)存儲器7、顯示器8、RS485通訊口9、標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路10、鍵盤11組成的監(jiān)控主機(jī)以及天線1、電源12、KJ系統(tǒng)分站13、KJ系統(tǒng)中心機(jī)14；其中，天線1、前置放大器2、A/D轉(zhuǎn)換器3、緩沖器4、CPU5順序串聯(lián)連接；數(shù)據(jù)存儲器7、顯示器8、RS485通訊口9、標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路10、鍵盤11分別接CPU5；標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路10的輸出端接KJ系統(tǒng)分站13，KJ系統(tǒng)分站13與KJ系統(tǒng)中心機(jī)14相接。
在使用該預(yù)測儀預(yù)測含氣煤巖砼災(zāi)害動力現(xiàn)象時，要將天線有效接收方向?qū)?zhǔn)煤巖砼的被預(yù)測區(qū)域，使天線的軸向平行于被測煤巖砼的外表面，天線置于被測區(qū)域的中心，并固定好天線。天線與被測區(qū)域的距離小于50米最為適易，要視被監(jiān)測區(qū)域的大小而定，確定的原則是將被監(jiān)測區(qū)域剛好包含在天線的開口方向內(nèi)。監(jiān)測儀可在外部電源供電的情況下單獨(dú)工作，也可作為一個傳感器與KJ煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行。通過在監(jiān)測中心計算機(jī)和終端計算機(jī)上安裝開發(fā)的相應(yīng)軟件，可實(shí)現(xiàn)對電磁輻射數(shù)據(jù)的實(shí)時圖、表、數(shù)據(jù)顯示，也可按煤巖動力災(zāi)害動態(tài)預(yù)報準(zhǔn)則進(jìn)行實(shí)時判斷，作出實(shí)時危險性預(yù)報。
將探頭與監(jiān)測儀輸入端連接，將監(jiān)測儀輸出端與KJ安全監(jiān)測系統(tǒng)聯(lián)接，通電后，通過防塵防水觸摸式鍵盤上的按鍵進(jìn)行人機(jī)對話，輸入放大倍數(shù)FDBS、門限值MXZ、統(tǒng)計時間長度T1、預(yù)警臨界值(臨界電磁輻射強(qiáng)度值E_BJZ和臨界脈沖數(shù)值N_BJZ)等參數(shù)，即可按測試鍵進(jìn)行測試及實(shí)時預(yù)報。
信號的采集、轉(zhuǎn)換、處理、存儲、報警和輸出由監(jiān)測儀自動連續(xù)地完成。由天線1接收到的電磁輻射信號較弱，不能直接進(jìn)行處理，經(jīng)前置放大器2放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器3，直接進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并存入緩存器4。當(dāng)緩存器存滿后，由CPU5讀出，統(tǒng)計每秒極大電磁輻射值E和脈沖數(shù)N。然后計算T1(T1≥1s)時間內(nèi)電磁輻射E的平均值Eavg或脈沖數(shù)N的平均值Navg，存入數(shù)據(jù)存儲器7，并進(jìn)行實(shí)時顯示和輸出給監(jiān)測系統(tǒng)分站。當(dāng)Eavg或N超過其相應(yīng)的預(yù)警臨界值，儀器發(fā)出警報。在監(jiān)測系統(tǒng)中心機(jī)軟件中，除按上述臨界值法預(yù)報外，還計算Eavg和Navg的增長趨勢，當(dāng)T2(T2＞T1，一般為大于或等于1小時)時間內(nèi)Eavg或Navg基本呈連續(xù)增長趨勢且增長率ΔE(或ΔN)超過預(yù)定的臨界值增長率n時，儀器發(fā)出警報。
預(yù)報準(zhǔn)則為

權(quán)利要求
1.一種煤巖動力災(zāi)害實(shí)時監(jiān)測預(yù)報裝置，其特征在于該裝置包括由前置放大器(2)、A/D轉(zhuǎn)換器(3)、緩沖器(4)、CPU(5)、程序存儲器(6)、數(shù)據(jù)存儲器(7)、顯示器(8)、RS485通訊口(9)、標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路(10)、鍵盤(11)組成的監(jiān)控主機(jī)以及天線(1)、電源(12)、KJ系統(tǒng)分站(13)、KJ系統(tǒng)中心機(jī)(14)；其中，天線(1)、前置放大器(2)、A/D轉(zhuǎn)換器(3)、緩沖器(4)、CPU(5)順序串聯(lián)連接；數(shù)據(jù)存儲器(7)、顯示器(8)、RS485通訊口(9)、標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路(10)、鍵盤(11)分別接CPU(5)；標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路(10)的輸出端接KJ系統(tǒng)分站(13)，KJ系統(tǒng)分站(13)與KJ系統(tǒng)中心機(jī)(14)相接。
2.一種如權(quán)利要求1所述的煤巖動力災(zāi)害實(shí)時監(jiān)測預(yù)報裝置的實(shí)時監(jiān)測預(yù)報方法，其特征在于將探頭即天線(1)的有效接收方向?qū)?zhǔn)被測區(qū)域中心，天線(1)距被監(jiān)測區(qū)域的距離小于50米；對接收到的電磁輻射信息進(jìn)行實(shí)時處理和記錄，其實(shí)時處理的方法為由天線(1)接收的信號經(jīng)前置放大器(2)放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器(3)，直接進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并存入緩存器(4)；當(dāng)緩存器存滿后，由CPU(5)讀出，統(tǒng)計每秒極大電磁輻射值E和脈沖數(shù)N，然后計算T1時間內(nèi)電磁輻射E的平均值“Eavg”或脈沖數(shù)N的平均值“Navg”，存入數(shù)據(jù)存儲器(7)，并進(jìn)行實(shí)時顯示和輸出給監(jiān)測系統(tǒng)分站；當(dāng)電磁輻射E的平均值“Eavg”或脈沖數(shù)N超過其相應(yīng)的預(yù)警臨界值，儀器發(fā)出警報；在KJ系統(tǒng)中心機(jī)(14)中，除按上述臨界值法預(yù)報外，還計算“Eavg”和“Navg”的增長趨勢，當(dāng)T2時間內(nèi)Eavg或Navg基本呈連續(xù)增長趨勢且增長率ΔE或ΔN超過預(yù)定的臨界值增長率n時，儀器發(fā)出警報。
全文摘要
煤巖動力災(zāi)害實(shí)時監(jiān)測預(yù)報裝置及預(yù)報方法，涉及一種通過連續(xù)不間斷監(jiān)測煤巖砼變形破裂電磁輻射信息的技術(shù)及裝置，該裝置包括由前置放大器(2)、A/D轉(zhuǎn)換器(3)、緩沖器(4)、CPU(5)、程序存儲器(6)、數(shù)據(jù)存儲器(7)、顯示器(8)、RS485通訊口(9)、標(biāo)準(zhǔn)信號輸出電路(10)、鍵盤(11)組成的監(jiān)控主機(jī)，以及天線(1)、電源12)、KJ系統(tǒng)分站(13)、KJ系統(tǒng)中心機(jī)(14)；實(shí)時監(jiān)測預(yù)報方法是將探頭即天線的有效接收方向?qū)?zhǔn)被測區(qū)域中心，天線距被監(jiān)測區(qū)域的距離小于50米；對接收到的電磁輻射信息進(jìn)行實(shí)時處理和記錄，發(fā)出警報。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝及移動方便，測試準(zhǔn)確、可靠。
文檔編號G01N27/00GK1619340SQ20041006579
公開日2005年5月25日 申請日期2004年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月19日
發(fā)明者王恩元, 何學(xué)秋, 周廣來, 劉貞堂 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)