超低频电磁感应监测预警煤岩动力灾害系统及方法

摘要

一种超低频电磁感应监测预警煤岩动力灾害系统及方法，属于矿山安全及监测监控领域。该方法是通过多个测点，远距离实时监测受载煤岩体产生的超低频电磁感应信号，根据信号强度及变化规律对煤岩动力灾害危险性进行预警。在选定测点处安装监测主机和天线，并将天线的有效接收方向对准被监测煤岩体，天线接收的信号由监测主机进行调理、采集、处理、分析和存储、显示，通过通讯接口、监测分站，将监测数据实时传输到监测中心，实现24小时不间断监测。监测主机和监测中心对监测数据进行分析，判定是否有危险性。本系统安装及移动方便，监测、分析及预警自动化程度高。可应用于冲击地压、煤与瓦斯突出、煤与瓦斯压出和突水等监测预警。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用超低频电磁感应信号监测预警煤矿煤岩动力灾害的系统及方法， 属矿山安全及监测监控领域。

背景技术

煤矿常见的煤岩动力灾害现象主要包括煤(岩)与瓦斯(甲烷或二氧化碳)突出、冲 击矿压(又称冲击地压或矿震)、顶板塌陷和突水等。随着煤矿采掘深度及开采强度的加大， 矿井瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害日益严重且复杂，灾害危险性明显增大，同时原 来一些没有动力灾害或征兆不明显的矿井现在也逐渐显现，严重威胁着井下工人的生命安 全和矿井的正常生产。

我国目前对于煤岩动力灾害的监测可大体分为静态法和动态法两类。静态法主要通过 打钻，观测钻孔中一些物理指标来实现的，包括钻屑倍率法、钻孔瓦斯涌出初速度法、钻 屑瓦斯解吸指标法及其它综合指标法。这些指标的测定需占用一定的作业时间和空间，工 程量较大，作业时间也较长，对生产有一定的影响；操作过程中的安全性差，在打钻时易 诱发动力灾害；预测的准确性较低，易受人工及煤体分布不均匀的影响。

动态法预测主要通过连续监测声发射、微震、瓦斯涌出量等信号进行分析预测，与静 态法相比优势明显，具有信号连续性好，监测过程对生产影响小等特点。但也有各自的局 限性，如监测区域小、规律性不明显等，目前还无法满足工作面对煤岩动力灾害预测的需 要。

近些年来，煤岩电磁辐射特性及其应用研究方面取得了较大的进展。发明专利“预测 含气煤岩砼灾害的方法及装置”(ZL98111185.8)、实用新型专利“煤岩动力灾害电磁辐射 监测装置”(专利号为ZL01272808.X)等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，预报煤与瓦斯突出和冲击地压等煤岩动力灾害的危险性，发 明专利“煤岩动力灾害实时监测预报装置及预报方法，专利号为ZL200410065793.1”，其 主要用途是对煤岩动力灾害进行连续实时监测和预警。这些专利已经在很多矿井开始使 用，并取得了良好效果。但由于采集的电磁信号主要集中在3—3000kHz，该频段信号有效 传播距离较短，对于厚煤层冲击、高位坚硬顶板断裂诱发冲击、实施超深孔卸压爆破措施 后的冲击及远距离的煤炮或震动等无法有效监测，且受到机电设备等发出的电磁干扰信号 影响较大。与目前监测频段相比，超低频、特低频电磁感应信号的传播距离更远，但还缺 乏相应的矿用监测设备及方法。

发明内容

技术问题：本发明是针对需求及现有技术中存在的问题，提供一种监测距离远，受机 电设备产生的电磁干扰影响小，抗干扰能力强的超低频电磁感应监测预警煤岩动力灾害系 统及方法。该系统及方法能够对煤岩动力灾害进行有效、非接触、远距离、大范围、连续 不间断、远程监测预警，设备安装及操作方便，对生产无影响，费用低。

技术方案：本发明的目的是这样实现的：该系统包括超低频天线、监测主机、监测分 站和监测中心；超低频天线和监测主机连接，监测主机通过监测分站与监测中心连接；所 述的监测主机包括信号调理器、单片机、电源、通讯接口，电源为监测主机供电，超低频 天线与信号调理器的输入端连接，信号调理器的输出端与单片机的输入端连接，单片机的 输出端与通讯接口连接；通讯接口与监测分站连接；所述的超低频天线与监测主机连接构 成监测器，监测器为多个布置在井下监测区域内，均与监测分站连接。

超低频天线为超低频电磁感应天线，超低频天线和监测主机的主频带为30～1000Hz。

超低频电磁感应监测煤岩动力灾害的预警方法为：包括：临界值法和动态趋势法对煤 岩动力灾害进行预警。在使用该系统监测煤岩动力灾害时，将天线有效接收方向对准煤岩 体的被监测区域，并固定好天线，天线与被测区域的距离不大于30米为宜。将超低频电 磁感应天线与监测主机输入端连接，将监测主机信号输出端与矿井监测分站联接，通电后， 通过防尘防水触摸式键盘上的按键进行人机对话，输入门限值、预警临界值等参数，即可 进行测试及实时预警。监测主机既可在外部电源供电的情况下单独工作，也可作为一个传 感器与煤矿监测系统联网运行。

所述的临界值法是在监测主机内和监测中心设置有信号强度E和脉冲数N的预警临 界值，当信号强度E和脉冲数N超过其相应的预警临界值，发出警报。所述的动态趋势 法是监测中心对各测点的监测数据进行空间规律和时间规律分析，并根据相应临界值对煤 岩动力灾害进行预警，该方法包含时间预警和空间预警，具体如下：

时间预警：分析监测数据及其变化趋势，当超过其相应的临界值时，判定有煤岩动力 灾害危险性；

空间预警：分析多个测点监测数据，当被监测区域内两个以上测点监测值或变化趋势 超过其相应的临界值时，则判定这些测点所覆盖区域具有煤岩动力灾害危险性。

有益效果，由于采用了上述方案，使得天线接收到的超低频电磁感应信号范围更大； 信号可以通过监测分站，将监测数据实时传输到监测中心，实现24小时不间断监测；监测 中心对各测点的监测数据可以进行时间规律和空间规律分析；采用动态趋势法和临界值法 预警，当被测区域内测点电磁感应信号超过相应的临界值时，判定该区域有煤岩动力灾害 危险。

优点：实现了煤岩动力灾害实时、高效的预测预警，对大范围区域性的动力灾害反映 更为灵敏。监测距离更远、覆盖范围更大、抗干扰能力更强，工作量更小；测试结果反映 了被测区域整体发生煤岩动力灾害的可能性，对煤矿生产过程中所遇到的各种动力灾害有 较好的预警效果，同时也可广泛应用于水利、隧道和地下工程。

附图说明

图1是本发明的监测流程图。

图2是本发明的现场监测仪器布置图。

图3是本发明系统的构成结构图。

图中，1、超低频天线；2、信号调理器；3、监测主机；4、监测分站；5、电源；6、 通讯接口；7监测中心。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一个实例作进一步的描述：

本发明的超低频电磁感应监测预警煤岩动力灾害系统，主要由超低频天线1、监测主 机3、监测分站4和监测中心7；超低频天线1和监测主机3连接，监测主机3通过监测分站4 与监测中心7连接；所述的监测主机3包括信号调理器2、单片机、电源5、通讯接口6构成。 电源5为监测主机3供电，超低频天线1与信号调理器2的输入端连接，信号调理器2的输出 端与单片机的输入端连接，所述的超低频天线1为超低频电磁感应天线，超低频天线1和监 测主机3的主频带为30～1000Hz。单片机的输出端与通讯接口6连接；通讯接口6与监测分站 4连接；所述的超低频天线1与监测主机3连接构成监测器，监测器为多个布置在井下监测 区域内，均与监测分站连接。

下面对部分组成分别予以说明，即：超低频天线1、信号调理器2、监测主机3、监 测分站4、电源5、通讯接口6和监测中心7。

1)超低频天线

这是本发明的核心内容，该天线为超低频电磁感应天线，天线的通频带为30～1000Hz， 灵敏度高，具有定向特点。

2)信号调理器

主要用于把传感器接收的信号进行放大，放大倍数可调节，其输出直接送入单片机的 模数转换器进行转换。

3)监测主机

由单片机、显示器、数据存储器、信号输出电路、电源、按键等构成，从而实现对超 低频信号的采集、显示、存储和输出。

主要技术指标：

a)防爆型式：ExibI本质安全型；

b)接收信号频率：30Hz～1000Hz；

c)灵敏度：优于1μV，可适应不同煤层及地质条件；

d)采样速率：1～10kHz可调，满足不同需要；

e)记录方式：监测主机连续、自动处理，在本机生成记录文件，同时实时输出至地 面监测中心记录；

f)数据存储：采用SD卡作为存储设备，数据存储容量大于4GB；

g)操作方式：监测仪可通过操作面板按键实现人机对话，可输入的参数有：统计时 间长度、输出信号及输出幅度、输出信号形式、预警临界值。

4)监测分站

监测分站为矿井监测监控系统中的井下分站。

5)电源

本监测器由外部电源供电，也可直接使用监测分站提供的电源，工作电压为 12～24VDC。通过三端式固定电源稳压器LM7805提供固定的+5V电源，供数字电路部分 使用。通过三端式固定电源稳压器LM7812提供固定的+12V电源，供信号调理器部分使 用。

6)通讯接口

具有三种信号输出方式，分别为RS485信号输出，4～20mA信号输出，200～1000Hz 信号输出，可适应不同的监测系统要求，均可通过电缆与监测分站进行联接，实现测试数 据实时传输到监测中心，每种输出方式可输出两路信号。

7)监测中心

监测中心为矿井监测监控系统中的地面监测中心。

如附图2所示，信号的采集、转换、处理、存储、报警和输出由监测主机自动连续地 完成。由于超低频天线1接收到的超低频电磁感应信号较弱，不能直接进行处理，经监测 主机3内的信号调理器2调理后送入监测主机3内的A/D转换器，直接进行模/数转换，并读 出电磁感应信号强度E和脉冲数N，存入数据存储器，同时进行实时显示，并通过通讯接 口6输出给监测系统分站4，最终将数据传送至地面监测中心7，通过监测中心7对超低频电 磁感应数据的实时图、表、数据进行显示，并按照所设临界值进行预警。当监测预警区域 较大，单天线监测范围无法覆盖监测区域时，可以通过布置多套监测器(监测天线和监测 主机)，并联网实现对大范围区域的监测覆盖。

本发明的超低频电磁感应监测煤岩动力灾害预警方法：包括：临界值法和动态趋势法 对煤岩动力灾害进行预警。在使用该系统监测煤岩动力灾害时，将天线有效接收方向对准 煤岩体的被监测区域，并固定好天线，天线与被测区域的距离不大于30米为宜。将超低 频电磁感应天线与监测主机输入端连接，将监测主机信号输出端与矿井监测分站联接，通 电后，通过防尘防水触摸式键盘上的按键进行人机对话，输入门限值、预警临界值等参数， 即可进行测试及实时预警。监测主机既可在外部电源供电的情况下单独工作，也可作为一 个传感器与煤矿监测系统联网运行。

所述的临界值法是在监测主机内和监测中心设置有信号强度E和脉冲数N的预警临 界值，当信号强度E和脉冲数N超过其相应的预警临界值，发出警报。所述的动态趋势 法是监测中心对各测点的监测数据进行空间规律和时间规律分析，并根据相应临界值对煤 岩动力灾害进行预警，该方法包含时间预警和空间预警，具体如下：

时间预警：分析监测数据及其变化趋势，当超过其相应的临界值时，判定有煤岩动力 灾害危险性；

空间预警：分析多个测点监测数据，当被监测区域内两个以上测点监测值或变化趋势 超过其相应的临界值时，则判定这些测点所覆盖区域具有煤岩动力灾害危险性。

超低频电磁感应监测预警煤岩动力灾害方法主要包含以下指标：

a)信号接收方式：远距离、大范围接收。采用超低频带、远距离、大范围高灵敏度、 定向电磁接收天线，受作业场所中工作机械及工作人员的干扰小。

b)信号处理方式：实时处理、实时显示、实时输出。

c)预警方式：采用临界值法和动态趋势法预警相结合的方法对煤岩动力灾害危险性 进行实时预警。