专利名称：煤岩动力灾害实时监测预报装置及预报方法
技术领域：
本发明涉及一种通过连续不间断监测煤岩砼变形破裂电磁辐射(EME)信息实时监测煤岩砼变形破裂过程或预测预报煤岩砼动力灾害的技术及装置。属矿山安全监测预报设备的技术领域。
背景技术：
煤岩动力灾害现象范围很广，涉及到许多工程领域和自然灾害。在矿山条件下，有煤与瓦斯突出、岩石与瓦斯突出、矿山冲击地压、顶板塌陷和边坡滑移等；在地面上，有山体滑移、地震、坝基失稳及岩石混凝土建筑失稳倒塌等。煤岩动力灾害的危害是巨大的，除带来大量的人员伤亡之外，还给国民经济造成巨大的损失。煤岩动力灾害现象尤以煤与瓦斯突出最为典型。在矿山条件下，随着采掘深度的加深和产量的不断增加，煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害有增加的趋势。
当前所采用的静态工作面突出危险预测技术及装备(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)，简称静态法，都是通过钻孔来实现的，因此又可称为钻孔法。静态法打钻及参数测定需占用作业时间和空间，工程量很大，预测作业时间也较长，对生产有一定的影响，预测所需费用也较高；安全性差，在打钻时易诱发动力灾害；静态预测法的准确性较低，易受人工及煤体分布不均匀的影响。煤层或煤体及其内部所含有的瓦斯并不是均匀分布的，也不是稳定的。在钻孔附近取得的预测结果仅仅是局部的，并不能完全代表整个预测步长范围内的突出危险性，在预测时刻取得的结果也只是静态的，并不能完全代表煤体稳定前整个时期内的突出危险性，因为煤体处于动态变化之中，延期突出就是例证。因此区域性动态连续预测的研究正日益引起人们的重视。
目前，突出的动态连续预测有二条途径其一是声发射监测技术。煤和岩石内部存在大量的裂隙等缺陷。煤岩砼破裂的结果就是裂隙的产生、扩展、汇合贯通。研究表明，裂隙的产生和扩展都将以弹性波的形式产生能量辐射，这就是声发射。美国、加拿大和法国等国家将声发射技术用于岩爆预测，在七十年代中期到八十年代末期前苏联、澳大利亚、美国、德国、日本和波兰等国家开发了声发射监测系统，用于预测预报煤与瓦斯突出，但其效果不是很好。究其原因，主要是由于声发射的技术特点所决定的(1)声发射是煤岩材料受载破裂时产生的，在煤岩体的缓慢变形过程中，声发射很弱，甚至不会产生声发射，因此声发射法对于灾害的前期预报灵敏度较低；(2)声发射技术及装备要求传感器与煤岩混凝土进行很好的耦合，这在实际现场中是非常困难的，特别是对于非常破碎的煤体。声发射技术及装备不是真正的非接触监测，其操作仍然较为复杂；(3)声发射监测系统受外界及监测环境中其它工作过程的影响较大，排除外界干扰非常困难，特别是在工作场所中。
动态连续预测的第二种方法是利用环境监测系统连续监测工作面的瓦斯涌出变化特征，分析涌出与突出的关系从而预测突出。预测采用的技术指标是掘进工作面放炮后30分钟内的瓦斯涌出量与落煤量的比值V30和瓦斯涌出变动系数Kv。这其实是一种单因素指标，只考虑了瓦斯因素，而对于应力和煤岩体的结构及强度没有考虑，这显然是相当片面的，其可靠性可想而知。
与声发射法相比，利用煤岩变形及破裂过程中产生的电磁辐射预测煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害，有许多优点电磁辐射信息综合反映了煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害的主要影响因素；电磁辐射信息较声发射丰富，即使在煤岩体(或含瓦斯煤体)缓慢的变形过程(或流变过程)中也有信号产生；实现了真正的非接触、区域性、定向监测。本发明在大量的实验室实验、现场试验及理论分析的基础上建立了基于煤岩流变破坏过程的动态判别准则，发明了临界值法与动态趋势法相结合的实时预报方法。与现行的预报方法相比更有效快捷，大大减少了工作量，基本不受人工等外界干扰(对于井下机电设备等电磁干扰，则通过采取屏蔽或定向接收技术来排除)，实现了连续监测及预报，不影响生产，既能探测煤壁附近的突出危险性及突出危险带的方位，又能检验防突措施的效果。在近25～30年内，电磁辐射效应的研究，无论是理论研究，还是在应用研究方面，都取得了飞速发展，但主要集中在地震预报领域。在接收震前电磁辐射信息的方法及仪表方面，也取得了很多成果。赵霞君等研制了地震电磁脉冲电脑记录仪，并申请了国家发明专利(专利号CN1062040A)。该地震电磁脉冲记录仪能够记录的频率范围为0.01Hz～2kHz，且只能够记录脉冲数。中国专利CN2050174V中公开了一种“地震电磁信息接收机”，该接收机是由地上接收系统、地下接收系统、监测与时标电路及记录系统等部分组成，它是通过地上、地下对比来区别电磁前兆信号与地面干扰信号。显然，该系统过于复杂，仅适于接收来自大规模孕震区域的电磁信号。欧洲专利EP0067924公开了一种”预报地震的方法和装置“，中国专利CN1032240A公开了一种“地震前兆交变电信息接收仪”，上述两项发明均以接收地电信号来进行地震的短临预报，而地电信号是一个非常复杂的物理量，在缺少理论及试验研究的情况下其预报地震的准确性是难以令人信服的。中国专利CN1051625A公开了一种“接收震前电磁辐射的方法及设备”，它是将地震信息天线架设在地质断层附近的大型金属物质表面上，并安装地震测向天线，两组天线捕获的电磁信息对应通过滤波整流及检波电路经A/D模数转换通道进入计算机进行数据处理。
可见，已有的地震电磁辐射研究成果主要是针对地震领域，测试频率为低频以下，大多为超低频或甚低频，只适于远距离测试坚硬岩石的大规模转动所产生的电磁辐射，不适于对煤体及软弱岩石变形破裂或较小规模(与地震相比)的强烈变形破坏电磁辐射进行近距离测试。研制的仪表也没有预报功能，仅能接收电磁辐射信号。另外还有一个严重的缺点，就是对受载岩体变形破裂产生电磁辐射的机理和规律特征并不清楚，而电磁辐射技术及装备的应用必须建立在对电磁辐射的产生机制和规律进行深入研究的基础之上。
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)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短时(数分钟)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，其反映的是煤岩动力灾害演化过程中某一阶段的瞬时状态，没有实现真正的连续不间断监测和预报，也不能共享KJ煤矿安全监测系统的资源。
实用新型专利“煤岩动力灾害电磁辐射监测装置”(专利号为ZL 01 272808.X)在外接电源的情况下可进行连续监测，但不能与KJ系列煤矿安全监测系统联接，不能共享安全监测系统的电源和传输通道，要实现远程监测需要单独布线和单独电源，并且预报功能较弱。
用电磁辐射法实时监测预报煤岩砼较小规模灾害(如煤与瓦斯突出、坝基失稳、滑坡和冲击地压等)发展演化过程及其危险性方面还没有成熟的技术及装置。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种煤岩动力灾害实时监测预报装置及预报方法，该装置及方法能够对煤与瓦斯突出、冲击地压等煤岩动力灾害进行准确有效、非接触、定向、区域性、连续不间断、远程监测预报，可共享KJ系列煤矿安全监测系统(简称KJ系统，如KJ2000煤矿安全监测系统、KJ95煤矿安全监测系统等)的电源和传输通道等资源，安装及操作方便，对生产无影响，费用低。
技术方案煤岩动力灾害实时监测预报方法主要包含以下指标a)信号接收方式非接触式、区域性接收。可采用非接触式、区域性、宽频带、高灵敏度、定向电磁接收探头，也可采用宽频带、高灵敏度钻孔接收探头。钻孔探头为一由金属管加工成的电容式探头，放置在钻孔需进行耦合，不受作业场所中工作机械及工作人员的干扰。
b)信号处理方式实时处理、实时显示、实时输出。
c)预报方式实时预报。采用临界值法与动态趋势法相结合的方法对煤岩动力灾害危险性进行实时预报。
煤岩动力灾害实时监测预报装置由接收探头、信号接收及处理机组成。系统接收信号频率为1kHz～1MHz，本质安全防爆型，由单片机控制，具有参数输入、数据采集、自动记录存储、数据显示、预警及远程通讯等功能。
仪表的主要技术指标a)防爆型式ExibI本质安全型；b)接收信号频率1kHz～1MHz；c)灵敏度可调，25mV～1μV，可适应不同煤层及地质条件；d)记录方式监测仪连续、自动处理，实时输出，中心计算机自动记录；e)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。
g)接口四种测试结果信号输出方式，一种以485信号输出，一种以1～5mA形式输出，一种以4～20mA信号输出，一种以200～1000Hz形式输出，以便适应不同的监测系统要求。每种输出形式可输出两路信号。
i)电源18～9VDC，可由监测系统供电；j)测试指标电磁辐射强度和电磁辐射脉冲数，提高了预测可靠性；
k)预警准则临界值法和动态趋势法预警，预测准确率高。
煤岩动力灾害实时监测预报装置包括由前置放大器、A/D转换器、缓冲器、CPU、程序存储器、数据存储器、显示器、RS485通讯口、标准信号输出电路、键盘组成的监控主机以及天线、电源、KJ系统分站、KJ系统中心机；其中，天线、前置放大器、A/D转换器、缓冲器、CPU顺序串联连接；数据存储器、显示器、RS485通讯口、标准信号输出电路、键盘分别接CPU；标准信号输出电路的输出端接KJ系统分站，KJ系统分站与KJ系统中心机相接。
煤岩动力灾害实时监测预报装置的实时监测预报方法为将探头即天线的有效接收方向对准被测区域中心，天线距被监测区域的距离小于50米；对接收到的电磁辐射信息进行实时处理和记录，其实时处理的方法为由天线接收的信号经前置放大器放大后送入A/D转换器，直接进行模/数转换，并存入缓存器；当缓存器存满后，由CPU读出，统计每秒极大电磁辐射值E和脉冲数N，然后计算T1时间内电磁辐射E的平均值“Eavg”或脉冲数N的平均值“Navg”，存入数据存储器，并进行实时显示和输出给监测系统分站；当电磁辐射E的平均值“Eavg”或脉冲数N超过其相应的预警临界值，仪器发出警报；在KJ系统中心机中，除接上述临界值法预报外，还计算“Eavg”和“Navg”的增长趋势，当T2时间内Eavg或Navg基本呈连续增长趋势且增长率ΔE或ΔN超过预定的临界增长率n时，仪器发出警报。
有益效果本发明中采用了非接触式接收天线，实现了真正的非接触式连续预测，也可配备其它探头进行监测及预报。监测预报不影响生产，节省了大量的工作量和费用。本发明提出的预测参数有两个电磁辐射强度和脉冲数。本发明所述的测试装置为本质安全型，可用于煤矿井下，预测预报煤与瓦斯突出、冲击地压和顶板塌落等，也可用于地面上预测预报滑坡、地震及岩石混凝土建筑的失稳。本发明所述的测试装置具有数据采集、数据处理、数据存储、可与监测系统联网通讯、报警等功能，当某一参数超过其临界值或符合动态预报准则时，仪器或监测终端软件发出警报。本发明所述的测试装置体积�。沧凹安僮鞣奖悖槊舳雀撸墒迪质凳绷嗖庠け�。本发明所述的测试装置测试的电磁辐射频率为1kHz～1MHz，可进行近距离或远距离预测，所使用的天线为定向接收天线。
我国现有很大一部分矿井属于有煤与瓦斯突出和冲击地压矿井。突出除带来大量的人员伤亡外，还严重影响煤矿的社会效益和经济效益。突出矿井每年都投入很大的人力和物力进行突出预测和防治。
突出预测就是要在投入最低的情况下，快速、简便、准确地进行预测预报，保证安全，使矿井产生最大的社会效益和经济效益。
电磁辐射法预测突出危险性技术及配套仪器使突出预测省时省力，无需打钻，不影响生产，准确率高，可满足上述原则和要求。
该项技术及配套仪器也可用于预测预报矿山冲击地压危险、顶板跨落、大型岩石混凝土建筑失稳等其它煤岩动力灾害现象，也可用于岩石混凝土等材料变形破裂机理及过程的研究。
电磁辐射预测技术及便携式装备的优点和成功的试验、应用已引起其它有煤与瓦斯突出和冲击矿压等煤岩动力灾害现象的局矿及矿山安全工作者的极大兴趣。该项技术及配套仪器通过鉴定后，必将有广泛的市场和远大的推广前景。
图1是本发明的煤岩动力灾害实时监测预报装置的结构示意图。其中有天线1、前置放大器2、A/D转换器3、缓冲器4、CPU5、程序存储器6、数据存储器7、显示器8、RS485通讯口9、标准信号输出电路10、键盘11、电源12、KJ系统分站13、KJ系统中心机14、终端机15、16。
图2是本发明回采工作面电磁辐射监测装置布置示意图。
图3是本发明电磁辐射法实时监测预报煤与瓦斯突出实例图。电磁辐射预测结果与常规预测方法预测结果一致。
图4是本发明电磁辐射法实时监测预报冲击地压实例图。电磁辐射预测结果与实际显现结果一致。
图5是本发明电磁辐射数据实时处理及实时预报过程框图。
具体实施例方式
本发明接收机由以下几部分组成中央处理单元CPU5，前置放大器2，A/D转换器3，时钟电路，标准信号输出电路10，显示器8等。下面分别予以说明。
1)中央处理单元本发明的中央处理单元选用MCS-96系列的80C196KB单片机，时钟频率选用12MHz。考虑到本系统主要是测试数据，并不进行复杂的数据处理，所以程序存储器选用16K字节的27C128已能满足要求。
根据设计要求，本系统既能随时把测试的数据通过485接口或标准输出接口传输给监测系统分站，也能把测试的数据存储起来，留待以后传输给主机。所以要求系统中的随机存储器的容量也应足够大。每个测试数据由三部分组成最大值、平均值、脉冲数，每部分由1个字组成，所以每个测试数据需占用3个字的存储空间。系统由外部电源供电，可进行连续不间断工作。系统每秒钟存储1个数据，每小时需存储3600个数据，16小时需存储57600个数据。考虑另外再存储一些随机测试数据，所以数据存储器选用容量为512KB的628512芯片。
2)前置放大器2信号前置放大器主要用于把传感器接收的信号进行放大，放大器的放大倍数可调节，放大器的输出直接送入模数转换器进行转换。
3)A/D转换器3为了能够测试较高频率的信号，模数转换器选用TLC876芯片。该模数转换器的采样频率可高达20MHz，10位二进制精度。模数转换器的采样频率如此高，0.05微秒就可以完成一次转换，输出一个数据，CPU是无法把这些数据及时进行处理的。因此这部分电路中设计了一个由两个62256随机存储器组成的暂存器。通过1个16位的地址发生器，把模数转换器和暂存器有机的结合起来。当地址发生器输出的地址达到某个值时，模数转换器停止转换，CPU开始读取暂存器中的数据进行处理。
4)时钟电路为使测量计时方便，本系统选用了一个具有良好人机界面的实时时钟电路。该时钟以实时时钟芯片DS12887为主电路，其时钟精度高，可通过程序进行时间的设置，通过液晶显示器显示，可输出年、月、日、时、分、秒等信息。芯片内部带有锂电池，不接外部电源可连续运行十年以上。
5)标准信号输出电路10为了能把测试的数据实时传输给监测系统，系统中设计了输出接口电路。80C196KB单片机本身带有TTL电平的RS232通信接口。测试结果信号有四种输出方式，一种以485信号输出，一种以1～5mA形式输出，一种以4～20mA信号输出，一种以200～1000Hz形式输出，以便适应不同的监测系统要求。每种输出形式可输出两路信号。这四种信号输出形式可适应目前不同的监测系统，均可通过电缆与监测系统分站进行联接，可以把测试的数据实时的传输给监测中心计算机，进而输出给监测终端计算机。
6)显示器显示器选用耗电极低的液晶显示器。为了编程方便和节省程序存储器空间，以及显示内容丰富，选用每行16个字符共2行的液晶显示器。显示器和主板的连接通过插座CH2完成。
7)电源本监测仪由外部电源供电，也可直接使用监测分站提供的电源，工作电压为18～9VDC。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。由三端式可调电源稳压器LM317提供+5V电源，供模数转换器使用，其电压稳定精度完全能够满足A/D转换的需要。
8)其它说明当系统电源开关接通时，CPU被复位，这个复位使一些寄存器初始化，程序从头开始执行。本系统采用较简单的上电复位电路，由一个电阻、一个二极管和一个电容组成。
为了提供声音提示，系统中设计了蜂鸣器。
本发明采用外部晶振和内部电路构成的晶体振荡器，频率为12MHz。
为了方便实现测量、通讯、数据查询、功能选择等要求，本发明采用2行×2列键盘。键盘采用轻触按键开关，其寿命长，使用方便，由编程实现各按键开关功能，当有按键开关被按下时，系统中的蜂鸣器就鸣响一声，表示有键按下，用于提示。
本发明的装置包括由前置放大器2、A/D转换器3、缓冲器4、CPU5、程序存储器6、数据存储器7、显示器8、RS485通讯口9、标准信号输出电路10、键盘11组成的监控主机以及天线1、电源12、KJ系统分站13、KJ系统中心机14；其中，天线1、前置放大器2、A/D转换器3、缓冲器4、CPU5顺序串联连接；数据存储器7、显示器8、RS485通讯口9、标准信号输出电路10、键盘11分别接CPU5；标准信号输出电路10的输出端接KJ系统分站13，KJ系统分站13与KJ系统中心机14相接。
在使用该预测仪预测含气煤岩砼灾害动力现象时，要将天线有效接收方向对准煤岩砼的被预测区域，使天线的轴向平行于被测煤岩砼的外表面，天线置于被测区域的中心，并固定好天线。天线与被测区域的距离小于50米最为适易，要视被监测区域的大小而定，确定的原则是将被监测区域刚好包含在天线的开口方向内。监测仪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KJ煤矿安全监测系统联网运行。通过在监测中心计算机和终端计算机上安装开发的相应软件，可实现对电磁辐射数据的实时图、表、数据显示，也可按煤岩动力灾害动态预报准则进行实时判断，作出实时危险性预报。
将探头与监测仪输入端连接，将监测仪输出端与KJ安全监测系统联接，通电后，通过防尘防水触摸式键盘上的按键进行人机对话，输入放大倍数FDBS、门限值MXZ、统计时间长度T1、预警临界值(临界电磁辐射强度值E_BJZ和临界脉冲数值N_BJZ)等参数，即可按测试键进行测试及实时预报。
信号的采集、转换、处理、存储、报警和输出由监测仪自动连续地完成。由天线1接收到的电磁辐射信号较弱，不能直接进行处理，经前置放大器2放大后送入A/D转换器3，直接进行模/数转换，并存入缓存器4。当缓存器存满后，由CPU5读出，统计每秒极大电磁辐射值E和脉冲数N。然后计算T1(T1≥1s)时间内电磁辐射E的平均值Eavg或脉冲数N的平均值Navg，存入数据存储器7，并进行实时显示和输出给监测系统分站。当Eavg或N超过其相应的预警临界值，仪器发出警报。在监测系统中心机软件中，除按上述临界值法预报外，还计算Eavg和Navg的增长趋势，当T2(T2＞T1，一般为大于或等于1小时)时间内Eavg或Navg基本呈连续增长趋势且增长率ΔE(或ΔN)超过预定的临界值增长率n时，仪器发出警报。
预报准则为
权利要求
1.一种煤岩动力灾害实时监测预报装置，其特征在于该装置包括由前置放大器(2)、A/D转换器(3)、缓冲器(4)、CPU(5)、程序存储器(6)、数据存储器(7)、显示器(8)、RS485通讯口(9)、标准信号输出电路(10)、键盘(11)组成的监控主机以及天线(1)、电源(12)、KJ系统分站(13)、KJ系统中心机(14)；其中，天线(1)、前置放大器(2)、A/D转换器(3)、缓冲器(4)、CPU(5)顺序串联连接；数据存储器(7)、显示器(8)、RS485通讯口(9)、标准信号输出电路(10)、键盘(11)分别接CPU(5)；标准信号输出电路(10)的输出端接KJ系统分站(13)，KJ系统分站(13)与KJ系统中心机(14)相接。
2.一种如权利要求1所述的煤岩动力灾害实时监测预报装置的实时监测预报方法，其特征在于将探头即天线(1)的有效接收方向对准被测区域中心，天线(1)距被监测区域的距离小于50米；对接收到的电磁辐射信息进行实时处理和记录，其实时处理的方法为由天线(1)接收的信号经前置放大器(2)放大后送入A/D转换器(3)，直接进行模/数转换，并存入缓存器(4)；当缓存器存满后，由CPU(5)读出，统计每秒极大电磁辐射值E和脉冲数N，然后计算T1时间内电磁辐射E的平均值“Eavg”或脉冲数N的平均值“Navg”，存入数据存储器(7)，并进行实时显示和输出给监测系统分站；当电磁辐射E的平均值“Eavg”或脉冲数N超过其相应的预警临界值，仪器发出警报；在KJ系统中心机(14)中，除按上述临界值法预报外，还计算“Eavg”和“Navg”的增长趋势，当T2时间内Eavg或Navg基本呈连续增长趋势且增长率ΔE或ΔN超过预定的临界值增长率n时，仪器发出警报。
全文摘要
煤岩动力灾害实时监测预报装置及预报方法，涉及一种通过连续不间断监测煤岩砼变形破裂电磁辐射信息的技术及装置，该装置包括由前置放大器(2)、A/D转换器(3)、缓冲器(4)、CPU(5)、程序存储器(6)、数据存储器(7)、显示器(8)、RS485通讯口(9)、标准信号输出电路(10)、键盘(11)组成的监控主机，以及天线(1)、电源12)、KJ系统分站(13)、KJ系统中心机(14)；实时监测预报方法是将探头即天线的有效接收方向对准被测区域中心，天线距被监测区域的距离小于50米；对接收到的电磁辐射信息进行实时处理和记录，发出警报。本装置结构简单，安装及移动方便，测试准确、可靠。
文档编号G01N27/00GK1619340SQ20041006579
公开日2005年5月25日 申请日期2004年11月19日 优先权日2004年11月19日
发明者王恩元, 何学秋, 周广来, 刘贞堂 申请人:中国矿业大学
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