專利名稱：一種利用聲波對礦山地下采掘點進行監(jiān)測的系統(tǒng)與方法
技術領域：
本發(fā)明涉及礦井監(jiān)控領域，特別是涉及一種利用聲波對礦山地下采掘點進 行監(jiān)測的系統(tǒng)與方法。
背景技術：
目前，小礦井特別是小礦井事故頻繁，究其原因主要是亂采濫挖、越界開采、 缺乏有效監(jiān)督、在頂板事故的預防方面沒有最基本的監(jiān)測手段所造成的。但現(xiàn) 在對礦山地下采掘點定位 一般采用光學測量的方法，欲確定地下采掘點的位置 必須由專業(yè)測量人員到井下用經(jīng)綿儀進行導線測量。這雖然對于需要精確測量 的場合是必須的，但是在某些需要隨時或者快速掌握井下釆掘工作面的大致位 置而不需要很精確定位的情況下，光學測量就太煩瑣了，有時是根本沒法達到 的。頂板監(jiān)測方面也是如此，工人只是簡單地通過經(jīng)驗來判斷頂板情況，而對 于頂板的來壓無法預知，更沒有一個量化的標準。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的是設計和發(fā)明一種無需專業(yè)測量人員進 行煩瑣復雜的測量工作或無需工人掌握操作復雜的儀器的情況下，上級領導和 現(xiàn)場工人也可以快速掌握井下采掘點的位置、頂板情況，甚至可以檢測和預報 采掘點頂板下沉的系統(tǒng)與方法。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了 一種利用聲波對地下采掘點進行監(jiān)測的方 法，由固定于井下采掘地點附近巷道內(nèi)或地表面的傳感器、信號傳輸鏈路、數(shù)
據(jù)控制中心來完成對地下采掘點的監(jiān)測，包括以下步驟
(a )將至少三個用于檢測聲波的傳感器固定于欲探測采掘點附近的巷道內(nèi) 或地表面；(b )利用傳統(tǒng)方法分別測量出各個傳感器的精確三維坐標位置；
(c) 各個傳感器內(nèi)的計時器保持精確同步；
(d) 上述傳感器分別將接收到的由地下采掘點爆破、巖石破裂、或工具沖擊 巖石發(fā)出的聲波信號附上精確的時間信息后發(fā)送到數(shù)據(jù)控制中心；
(e )數(shù)據(jù)控制中心對傳感器發(fā)送來的信號進行分析并綜合處理，計算出地下 采掘點的位置或頂板斷裂點的位置。
本發(fā)明同時提供了 一種利用聲波對地下采掘點進行監(jiān)測的系統(tǒng)，包括固定 于井下釆掘地點附近巷道內(nèi)或大地表面用于檢測聲波的傳感器、信號傳輸鏈路、 數(shù)據(jù)控制中心，其特征是所述的傳感器為集成了聲波檢波器、中央處理器、 電源、信號傳輸模塊的嵌入式系統(tǒng)。
如上所述的電源由光電池與蓄電池組成。
如上所述的信號傳輸模塊為無線信號傳輸模塊。
如上所述的聲波;險波器為三軸振動傳感器。


圖l是本發(fā)明一種利用聲波對礦山地下采掘點進行監(jiān)測的系統(tǒng)示意圖。圖中 (101 ) —一 ( 106 )傳感器；(107 )--監(jiān)控主機(108 )—無線收發(fā)器；(109 ) 一地下采掘點。
圖2是本發(fā)明一種利用聲波對礦山地下采掘點進行監(jiān)測的傳感器的電氣原理 圖。圖中U01)--單片機；(202 )--數(shù)據(jù)存儲器；(203 )--無線通訊模塊；(204 ) --天線；(205 )—檢波器；(206 )--程序儲存器；(207 )—太陽能電池；(208 ) —蓄電池；(209 )--運算放大器；(210)—帶通濾波器。
具體實施例方式
結合附圖，本發(fā)明的一個較佳實施例將予以詳細描述如下。然而，除了詳細的描述之外，本發(fā)明還可以廣泛地在其它實施例施行，且本發(fā)明的范圍不受 其限定，而以權利要求所限定的專利范圍為準。
另外，不相關的細節(jié)部分也未完全繪出，以求圖示的簡潔。
在圖l中，傳感器(101) - (106)分別布置于欲檢測地下采掘點(109)附
近不同地點的預先打好的鉆孔內(nèi)，然后利用傳統(tǒng)測量法對各傳感器的三維坐標 進行精確測量。正常工作時，各傳感器將所檢測到的聲波以數(shù)字信號的方式通
過無線收發(fā)器(108 )傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(107 )。
在圖2中，傳感器的全部電路由單片機(201)控制，其型號可選32位ARM9系 列高性能單片機s3c2410;單片機(201)上還擴展了外部程序儲存器(206 )與 外部數(shù)據(jù)儲存器(202 )。檢波器(205 )埋設于距離地表一定的深度處(為了使 得各檢波器接收到的聲波平均波速達到最小的離散度，各檢波器應位于一個平 面上，且該平面與地層平行)，聲波信號經(jīng)纟0一80Hz (爆破震動產(chǎn)生的聲波頻率 所處范圍)的帶通濾波器(210)進入運算放大器(209 )，以模擬量的形式傳送 到中央處理器(201)的A/D轉(zhuǎn)換接口上。模擬聲波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，結 合當前時間對上述數(shù)字信號重新編碼，通過s3c2410的USB (通用串行總線)接 口發(fā)送出去。射頻收發(fā)模塊可選CC2400,并通過布置于地面的天線(204 )進行 收發(fā)。電源由蓄電池(208 )與布置于地面的光電池(207 )供給，白天蓄電池 和光電池共同供電，光線較好時光電池亦可對蓄電池進行充電，夜晚由蓄電池 單獨供電。
當?shù)叵虏删螯c發(fā)生大的震動(比如爆破)時，由于各傳感器所處的三維坐標 都不相同，所以聲波將在不同的時間到達各個傳感器，又由于P波(縱波)波速 大于S波(橫波)，所以傳感器首先檢測到的是P波，而S波將不予考慮。設起爆 時間為T。、聲波的峰值到達傳感器(101) - (106)的時間分別為L、 T2、 T3、 T4、
6T5、 T6,聲波在地層中傳播的平均速度為V,地下采掘點的三維坐標為(x。，y。，z。)， 傳感器(101 ) - ( 106)的三維坐標分別為(Xi,yi,Zi), (x2,y2，z2)……(x6, y6, z6)， 則對于傳感器(101 ) - ( 105 ),有如下五元二次方程組
,(:K廠x()"+(y廠y(02+ (z廣z()f二[cr廣t )v]2 (x廣x(>) 2+ (y廠y》2+ (2=[ v]2 < (x廣x(y+(y:廠y())2+(&—z())2二[(丁「丁》vf (XfX。) 2+ (y4-y0) 2+ (z4-z())2 二 [ (t廣t。) v]2 、(X5—x。)2+(y5—y。)2+ (z「z(')2=[(T5—T )v]2
在上面的方程組中，x。， yQ, z。， t。， v為未知數(shù)，而其余為已知數(shù)，解此方程組(由 于此過程為一純數(shù)學問題，故此處略去具體細節(jié))即可得到地下采掘點的坐標 (x。， y0, z。)。
上述過程只取6個傳感器中的其中5個測量結果進行了計算，得出一個地下采 掘點的坐標值，如果對6個傳感器中的所有5個測量結果的組合進行計算，可以 有6種組合，得出6個計算結果。取這6個計算結果所對應的坐標點的重心，可得 到更為精確的(x。， y。， z。)的值。
所有傳感器的計時器通過信號傳輸鏈路保持同步。
作為一種輔助測量手段，本實施例還可以通過聲波的振幅與震源到傳感器之 間距離的某次方成反比這一關系對前面的坐標計算結果進行驗證。設震源的最 大振幅為A。、到達傳感器(101) - (106)后衰減為Ai、 A2、 A3、 A4、 A5、 A6，則有 如下方程組<formula>formula see original document page 8</formula>
其中k、 a為與聲波在地層中傳播衰減有關的常數(shù)，可預先通過實地試驗 得到。
在上式中，由于只有四個未知數(shù)，故一個四元方程組即可得出震源三維坐標 的值。對6個傳感器中的其中4個測量結果進行組合并計算，可以有15種組合， 得出15個計算結果。取這15個計算結果所對應的坐標點的重心，可得到較為精 確的(x ， y。， z。)的值，亦可作為確定震源位置的參考坐標值。
對波源位置的確定還可以用如下方法用三軸振動傳感器作為檢波器，則每 個傳感器可同時檢測到該檢測點的P波在x，y, z三個軸方向的分量，設傳感器 (101 )處P波所對應的矢量為p;，f在x，y,z三個軸方向的分量分別為
rlx、p;y、Flz ，貝1」^= Flx+rly+，lz ，據(jù)此可確定p;的方向。同樣也可以確定 p;.p;. p;. p;的方向。這些矢量交點即為震源的位置。
如果由人工在井下巷道中用重錘或其它工具在井下巷道中人為產(chǎn)生震動，則 可以在無需其它測量儀器的情況下確定井下任意地點的三維坐標。
在傳感器以及控制中心的計算機內(nèi)均安裝了為完成上述過程而專門設計的 軟件，屬于軟件編程領域，且為現(xiàn)有技術，在此不——贅述。
上述系統(tǒng)也可以用于監(jiān)測采掘工作面頂板情況(將帶通濾波器201的頻率范
圍調(diào)整到頂板斷裂聲的頻率范圍內(nèi))。當頂板即將冒落時，將不斷產(chǎn)生斷裂并發(fā) 出斷裂聲，隨著頂板冒落的鄰近，斷裂聲將越來越頻繁。利用本系統(tǒng)可以檢測 斷裂發(fā)生的位置以及斷裂的頻繁程度，預測頂板即將冒落的位置與時間。作為本發(fā)明的另一個實施例，在對煤礦進行監(jiān)測時，由于煤層一般呈變化較 為平緩的曲面狀分布，可以將煤層作為一空間平面看待，又由于同一煤層其密 度相同，故聲波的傳播速度也是可以測量并基本保持恒定的。如果將傳感器固 定在掘進于煤層的巷道中，只需3個傳感器就可以對采掘點進行定位，其它方法 與前一個實施例相同。
本發(fā)明通過筒單的監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對礦山地下采掘點的全自動全天候的動 態(tài)監(jiān)測，是礦山安全管理的有力助手。
權利要求
1. 一種利用聲波對礦山地下采掘點進行監(jiān)測的方法，由固定于井下采掘地點附近巷道內(nèi)或大地表面用于檢測聲波的傳感器、信號傳輸鏈路、數(shù)據(jù)控制中心來完成地下采掘點的定位，其特征在于包括以下步驟(a)將數(shù)個用于檢測聲波的傳感器固定于欲探測采掘點附近的巷道內(nèi)或地表面；(b)利用傳統(tǒng)方法分別測量出各個傳感器的精確三維坐標位置；(c)各個傳感器內(nèi)的計時器保持精確同步；(d)上述傳感器分別將接收到的由地下采掘點爆破、巖石破裂、或工具沖擊巖石發(fā)出的聲波信號附上精確的時間信息后發(fā)送到數(shù)據(jù)控制中心；(e)數(shù)據(jù)控制中心對傳感器發(fā)送來的信號進行分析并綜合處理，計算出地下采掘點的位置或頂板斷裂點的位置。
2. 如權利要求1所述的一種利用聲波對礦山地下采掘點進行監(jiān)測的方法，其特 征在于，在步驟(e)中，數(shù)據(jù)中心對傳感器發(fā)送來的信號進行分析，判定出各個 傳感器感應到聲波峰值時所對應的 一 系列精確時間，根據(jù)波源到傳感器的距離 等于聲波傳播時間與平均波速的乘積這一關系列出 一方程組，最后計算出地下 采掘點的三維坐標。
3. 如權利要求1所述的一種利用聲波對礦山地下采掘點進行監(jiān)測的方法，其特 征在于，在步驟(e)中，數(shù)據(jù)中心對傳感器發(fā)送來的信號進行分析，判定出各個 傳感器感應到的聲波峰值的值，再根據(jù)傳感器處振幅與震源到傳感器之間距離 的某次方成反比的關系亦可列出一方程組，最后計算出地下采掘點的三維坐標。
4. 如權利要求1所述的一種利用聲波對礦山地下采掘點進行監(jiān)測的方法，其特 征在于，在步驟(e)中，數(shù)據(jù)中心對傳感器發(fā)送來的信號進行分析，判定出各個 傳感器感應到的聲波峰值在空間三維坐標軸方向的分量，則三個分量的矢量和即為該傳感器接收到的聲波的矢量，由于該矢量的方向指向波源，則各個傳感 器聲波矢量的交點即為聲源的位置。
5. 如權利要求1所述的一種利用聲波對礦山地下采掘點進行監(jiān)測的方法，其特 征在于，在步驟(d)中，傳感器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后發(fā)送到控制中
6. —種利用聲波對礦山地下采掘點定位的系統(tǒng)，包括固定于井下采掘地點附近 巷道內(nèi)或大地表面用于檢測聲波的傳感器、信號傳輸鏈路、數(shù)據(jù)控制中心，其 特征在于所述的傳感器為集成了聲波檢波器、中央處理器、電源、信號傳輸 模塊的嵌入式系統(tǒng)。
7. 如權利要求6所述的一種利用聲波對礦山地下采掘點進行監(jiān)測的系統(tǒng)，其特 征在于所述的電源由光電池與蓄電池組成。
8. 如權利要求6所述的一種利用聲波對礦山地下采掘點進行監(jiān)測的系統(tǒng)，其特 征在于所述的信號傳輸模塊為無線信號傳輸模塊。
9. 如權利要求6所述的一種利用聲波對礦山地下采掘點進行監(jiān)測的系統(tǒng)，其特 征在于所述的聲波^^波器為三軸振動傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用聲波對礦山地下采掘點進行監(jiān)測的系統(tǒng)與方法，由固定于井下采掘地點附近巷道內(nèi)或地表面的傳感器、信號傳輸鏈路、數(shù)據(jù)控制中心來完成對地下采掘點的監(jiān)測，傳感器采集由地下采掘點爆破、巖石破裂、或工具沖擊巖石發(fā)出的聲波信號，附上精確的時間信息后發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心對傳感器發(fā)送來的信號進行分析，判定出各個傳感器感應到聲波峰值時所對應的一系列精確時間或聲波峰值的值，計算出地下采掘點的三維坐標。
文檔編號G08C17/00GK101419277SQ200710167768
公開日2009年4月29日 申請日期2007年10月24日 優(yōu)先權日2007年10月24日
發(fā)明者邸永春 申請人:邸永春