基于声发射的矿井动力灾害监测系统技术方案

本实用新型专利技术涉及基于声发射的矿井动力灾害监测系统，包括主机、并行端口电路、ＩＤＥ硬盘接口电路和ＩＳＡ总线、ＩＳＡ总线端口控制电路、显示控制电路和键盘按键输入电路，其特征在于：ＩＳＡ总线还与数据采集电路连接，数据采集电路与ＭＡＸ１８０Ａ／Ｄ转换电路连接及８路ｉ－ｖ转换及滤波电路连接；主机通过串行端口电路与从机连接，从机与模拟选通开关连接，模拟选通开关与模拟传感器连接；从机将报警信号和频率信号传输给信号输出驱动电路。本实用新型专利技术预测的针对性强、准确性高；既可直接作参数型声发射系统使用，也可采集煤岩体原始全波形声发射数据，以供声发射滤噪技术确定和数据处理方法研究使用。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及声发射数据采集与处理系统，具体涉及基于声发射的矿井动力灾害监测系统。
技术介绍
矿井动力灾害包括煤(岩石)与瓦斯突出、冲击地压、顶板大面积突然来压等，这些动力灾害的发生都有一个从量变到质变的准备过程，即煤岩从微小破裂到破坏的过程。煤岩体发生变形或破裂时，以弹性波的形式释放出积蓄起来的应变能，这种现象称为声发射。因此，可以利用声发射检测技术对煤岩体破裂过程的声发射信号进行检测，进行预测预报。如CN2724019Y授权公告的名称为“一种基于声发射的地震、滑坡监测系统”的技术专利。该系统由多个三维震动传感器和与其数量相同的数据处理器分别对应连接，这些数据处理器经转换模块与工业控制计算机连接；能准确采集、处理地震震源与山体滑坡前兆的数据的特点，可提前发出预警报告，保护矿山安全，避免重大人身伤亡事故发生。中国煤炭系统从“七五”期间开始研究开发声发射传感器和监测系统，以前煤炭系统内开发的声发射监测系统多为参数型声发射系统，不能采集原始全波形声发射数据，且数据处理能力较小。该系统在中国的南桐、平顶山等矿区应用于煤与瓦斯突出预测，取得了较好的效果。但是该系统不易推广应用。主要问题是：需要和已有的环境监测系统匹配才能使用，而已有的环境监测系统型号众多，且数据模式各不相同，处理监测数据的系统分析软件也各不-->相同。由于矿井井下环境条件十分复杂，不同的矿井、不同的作业场所、不同的作业工序、不同的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，方能提高声发射预测的针对性和准确性。应用条件要求严格，这是生产矿井难以接受的。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种基于声发射的矿井动力灾害监测系统，它既可单独使用，又可与任何环境监测系统挂靠，预测的针对性强、准确性高。在对采集的AE数据进行分析，数据处理主要包括信号滤噪、AE声发射指标统计、危险判识等三大部分：一、信号滤噪煤矿环境非常复杂，噪声源很多，进行噪声信号的滤除和有效AE信号的提取是决定声发射技术能否在煤矿成功应用的关键。首先对噪声信号进行了分类，主要包括机械作业噪声、电气噪声和人工作业噪声三大部分。其中，机械噪音信号振幅小、平稳，有明显的周期性、包络线很平或近水平。如采煤机开动后引起的振动，这种机械造成的干扰噪音有时也会有振幅较大的情形，但大部分情况下振幅较小且平稳；电气噪音信号有的振幅较大(如瞬间出现的电脉冲干扰，其特点是延时较短，但振幅较高)，有的比较平稳(如稳定的交流干扰(50HZ))；人工作业噪声如敲帮问顶、支护支架产生的信号与岩石破坏时产生的声发射信号十分相似。针对噪声信号的特点，采取相应的噪声滤除技术，通过各种滤噪技术组合形成一套综合滤噪模式和技术。首先是阻止噪声信号进入采集系统，如利用松-->动圈理论确定传感器安设位置、根据波传播规律确定探杆安装方位、采取相应的隔音措施(波导杆、传感器外加棉纱等隔音材料)、探头尽量布置在远离干扰源的地方、避开顶板破碎带、采用带屏蔽层的信号电缆、采用相应措施防止通道间交叉干扰、电缆远离动力电缆、避开作业时间等。其次，采用频率鉴别、幅值鉴别等方法进行有效信号鉴别，提取有效信号，各鉴别方法分述如下：二、频率鉴别通过带通滤波和带阻滤波的组合，抑制噪声信号，提高信噪比。根据现场地质情况与岩体类型及其结构的差异，声发射的频率分布也有所差异，实际的声发射频率有一个主频范围(一般在几十到数千赫兹)，高于某一频率或低于某一频率认为是无效信号。在仪器硬件中设计相应的滤波器，采用带通滤波(高、低通滤波组合)，保留有效的AE声发射主频范围内的信号，有效地抑制了声发射频率范围以外的杂波信号，提高信噪比。许多机械噪声有较固定的频率范围，根据相关资料介绍，风镐作业时AE频谱主频约为800Hz，在三维频谱图上沿时间轴几乎无变化；风煤钻AE频谱较窄；大直径钻机主频大约在100～200Hz。根据这些噪声信号的特点，设计相应的带阻滤波器，采用带阻滤波，抑制部分规律性噪声信号。另外可根据AE波传播畸变、衰减等规律，采用波形特征如AE信号包络波上升时间、斜率等进行鉴别。例如，在复杂的环境噪声中，有的噪声信号波形上升缓慢，距检测区远的声发射源产生的声发射波在介质中传播，波形要发生畸变，前沿变缓，变缓的程度与传播距离有关。故确定了监测范围后，可根据上升时间滤除前沿上升缓慢的噪声信号和远距离的声发射信号。-->三、指标统计、危险判识与预报对于有效脉冲信号，进行振铃计数、事件计数、能率、事件持续时间等参数进行统计分析。根据AE统计指标并结合瓦斯涌出指标，收集有突出危险和无突出危险的样本，建立判别分析数学模型，进行突出危险性判识，获得突出危险性综合指标，并据此对突出危险性进行预报，综合指标可输出到煤矿安全监测系统。本技术为实现以上数据分析、处理功能而设计。本技术所述的基于声发射的矿井动力灾害监测系统，包括主机、与主机连接的并行端口电路、IDE硬盘接口电路和ISA总线，与ISA总线连接的ISA总线端口控制电路、与ISA总线端口控制电路连接的显示控制电路和键盘按键输入电路，其特征在于：ISA总线还与数据采集电路连接，数据采集电路与MAX180A/D转换电路连接，MAX180A/D转换电路与8路i-v转换及滤波电路连接；主机通过串行端口电路与从机连接，从机与模拟选通开关连接，模拟选通开关与模拟传感器连接；从机将报警信号和频率信号传输给信号输出驱动电路。所述的基于声发射的矿井动力灾害监测系统，其主机和从机设在一壳体内，壳体上设有存储盘插槽、键盘、观察窗和进线腔；电源通过第一端口进入壳体内，向各电路供电；AE传感器采集的AE信号从第二端口进入壳体内，与8路i-v转换及滤波电路连接；瓦斯浓度传感器和风速传感器的模拟信号从第三端口进入壳体内，与模拟选通开关电路连接。所述的主机为嵌入式PC，采用低功耗的DIMM-PC/486-I作为主CPU，+5V电压供电，CPU工作速度选用芯片为33/66MHz，内存容量16M，电子硬盘16M，设计扩展标准IDE接口可使主机FLASH电子盘大于256M。该嵌入式PC具有ISA总线信号：SD0-SD15，SA0-SA19数据地址信号线引脚，IOW、IOR、SMEMR等各-->种读写控制信号，OSC、SYSCLK、DRQ、DACK等特别功能信号，包含了标准ISA总线的所有数据信号。电路包括芯片U1及相关引脚；并行端口电路包括：插座U6及其外围电路；IDE硬盘接口电路包括：插座U7及其外围电路；ISA总线端口控制电路包括：U18、U19、U20，通过ISA总线与主机的相关引脚连接；显示控制电路包括：芯片U9、L3、L4，采用8位共阴极LED数码管，用串行数码驱动芯片驱动。该芯片具有最大10MHz串行传输速率，接口线路简单，仅需三根数据线即可实现与微机接口，电路通过利用总线接口控制芯片，设计ISA总线地址选通，通过对16位数据线低三位读写控制即可实现对显示电路的控制，该芯片具有数码管亮度调整寄存器。键盘按键输入电路包括：插座L2及其外围电路；采用触摸式按键，该按键设计具有防水防尘功能。数据采集电路及MAX180A/D本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于声发射的矿井动力灾害监测系统，包括主机（１）、与主机连接的并行端口电路（２）、ＩＤＥ硬盘接口电路（３）和ＩＳＡ总线（４），与ＩＳＡ总线连接的ＩＳＡ总线端口控制电路（５）、与ＩＳＡ总线端口控制电路连接的显示控制电路（６）和键盘按键输入电路（７），其特征在于：　　　　ＩＳＡ总线（４）还与数据采集电路（８）连接，数据采集电路与ＭＡＸ１８０　　Ａ／Ｄ转换电路（９）连接，ＭＡＸ１８０　　Ａ／Ｄ转换电路与８路ｉ－ｖ转换及滤波电路（１０）连接；　　　　主机（１）通过串行端口电路（１１）与从机（１２）连接，从机与模拟选通开关（１３）连接，模拟选通开关与模拟传感器（１４）连接；从机将报警信号（１５）和频率信号（１６）传输给信号输出驱动电路（１７）。

【技术特征摘要】
1.基于声发射的矿井动力灾害监测系统，包括主机(1)、与主机连接的并行端口电路(2)、IDE硬盘接口电路(3)和ISA总线(4)，与ISA总线连接的ISA总线端口控制电路(5)、与ISA总线端口控制电路连接的显示控制电路(6)和键盘按键输入电路(7)，其特征在于：ISA总线(4)还与数据采集电路(8)连接，数据采集电路与MAX180A/D转换电路(9)连接，MAX180A/D转换电路与8路i-v转换及滤波电路(10)连接；主机(1)通过串行端口电路(11)与从机(12)连接，从机与模拟选通开关(13)连接，模...

【专利技术属性】
技术研发人员：文光才，赵旭生，邹银辉，刘胜，李柏均，杨娟，董国伟，张庆华，
申请(专利权)人：煤炭科学研究总院重庆分院，
类型：实用新型
国别省市：85[中国|重庆]