專(zhuān)利名稱(chēng)：掘進(jìn)災(zāi)害超前探測(cè)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及探測(cè)方法及系統(tǒng)，特別是一種礦井或地下巷道中使用的掘進(jìn)前方地質(zhì)災(zāi)害實(shí)時(shí)探測(cè)預(yù)警的掘進(jìn)災(zāi)害超前探測(cè)方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
礦井或地下涵洞掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)生突水和沖擊地壓的地質(zhì)災(zāi)害。長(zhǎng)期以來(lái)，人們采用的方法是先采用物探方法先探明掘進(jìn)前方的地質(zhì)情況，但這種人工探測(cè)方法，由于最求探測(cè)深度，探測(cè)的精確度不夠理想，有些災(zāi)害隱患難以發(fā)現(xiàn)，致使掘進(jìn)中出現(xiàn)事故，造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種能夠在掘進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)探測(cè)前方災(zāi)害的方法及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)前方災(zāi)害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，避免掘進(jìn)工作面地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的掘進(jìn)災(zāi)害超前探測(cè)的系統(tǒng)，包括設(shè)在掘進(jìn)機(jī)上的超前探測(cè)裝置，超前探測(cè)裝置連接有信號(hào)采集放大器，信號(hào)采集放大器連接有無(wú)線通信電路，無(wú)線通信電路通過(guò)無(wú)線信號(hào)與無(wú)線基站連接，無(wú)線基站連接網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接監(jiān)測(cè)主機(jī)，所述超前探測(cè)裝置包括電磁波探測(cè)器，電磁波探測(cè)器上設(shè)有控制器，控制器上分別與設(shè)在掘進(jìn)機(jī)懸臂上的傾斜傳感器和振動(dòng)傳感器相連接，其中傾斜傳感器和振動(dòng)傳感器輸出端接入控制器的輸入端，控制器的輸出端接電磁波探測(cè)器的輸入端，電磁波探測(cè)器的輸出端接信號(hào)采集放大器的輸入端，信號(hào)采集放大器的輸出端接無(wú)線通信電路的輸入端，無(wú)線基站接收無(wú)線通信電路的信號(hào)，無(wú)線基站的輸出信號(hào)通過(guò)網(wǎng)關(guān)和工業(yè)以太網(wǎng)與監(jiān)測(cè)主機(jī)通訊。所述電磁波探測(cè)器含有電磁波發(fā)射電路和電磁波接收電路，電磁波發(fā)射電路由與控制器相連接的變頻振蕩器和相連接的發(fā)射天線構(gòu)成，電磁波接收電路由順序連接的接收天線、前置放大器和帶通濾波器構(gòu)成，帶通濾波器與型號(hào)采集放大器相連接；所述的電磁波發(fā)射電路中的變頻振蕩器可以產(chǎn)生250KHz、560KHz和820KHz三個(gè)不同頻率的電磁波信號(hào)。一種使用上述系統(tǒng)的掘進(jìn)災(zāi)害超前探測(cè)方法，包括如下步驟:a.將由電磁波探測(cè)器、信號(hào)采集放大器、控制器和無(wú)線通信電路構(gòu)成的超前探測(cè)裝置固定在掘進(jìn)機(jī)的機(jī)身上，將所述傾斜傳感器和振動(dòng)傳感器緊密固定在掘進(jìn)機(jī)懸臂上；b.當(dāng)掘進(jìn)機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，傾斜傳感器和振動(dòng)傳感器開(kāi)始采集掘進(jìn)機(jī)懸臂工作時(shí)的信息，并將采集到的信息發(fā)送到控制器中，控制器根據(jù)傾斜傳感器和振動(dòng)傳感器采集到的信息判斷掘進(jìn)機(jī)是否處于掃底工作后停止掘進(jìn)工作的時(shí)機(jī)；c.當(dāng)掘進(jìn)機(jī)掘掃底工作結(jié)束后的短暫休息時(shí)間中，電磁波探測(cè)器中的電磁波發(fā)射電路向掘進(jìn)前方發(fā)射不同頻率的電磁波波信號(hào)，發(fā)射的電磁波信號(hào)進(jìn)入前方巖體或者煤層后反射產(chǎn)生的電磁波反射信號(hào)被電磁波探測(cè)器中電磁波接收電路接收，電磁波反射信號(hào)通過(guò)順序連接的信號(hào)采集放大器、無(wú)線通信電路、無(wú)線基站、網(wǎng)關(guān)和工業(yè)以太網(wǎng)到達(dá)監(jiān)測(cè)主機(jī)；d.監(jiān)測(cè)主機(jī)對(duì)所有接收到的電磁波反射信號(hào)分別進(jìn)行波形快速分析，根據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)的信號(hào)波形與電磁波探測(cè)器中的接收電路采集到的電磁波反射信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，如果發(fā)現(xiàn)探測(cè)結(jié)果的幅度隨頻率的變化出現(xiàn)異常，則可初步判斷掘進(jìn)前方地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生異常，從而判斷掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)前方是否存在應(yīng)力積聚、地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常等情況，當(dāng)監(jiān)測(cè)主機(jī)得出前方出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害情況時(shí)會(huì)發(fā)出預(yù)警信息給操作人員。有益效果，由于采用了上述方案，安裝在掘進(jìn)機(jī)上的超前探測(cè)裝置能夠在掘進(jìn)過(guò)程中，利用掘進(jìn)頭向下掃底掘進(jìn)的間隙時(shí)間，實(shí)時(shí)探測(cè)掘進(jìn)前方巖層或煤巖內(nèi)部的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，這種探測(cè)由于不追求探測(cè)深度，變頻振蕩器可以產(chǎn)生250KHz、560KHz和820KHz三個(gè)不同頻率通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射出去，實(shí)現(xiàn)前方巖層內(nèi)部不同深度的斷面結(jié)構(gòu)的探測(cè)掃描，探測(cè)的精確度比傳統(tǒng)物探方法大大提高，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性，以采取措施，避免事故的發(fā)生。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作使用方便，探測(cè)精確度高，可有效避免掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)的事故，具有廣泛的實(shí)用性。


圖1是本發(fā)明的超前探測(cè)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的超前探測(cè)裝置的電磁波探測(cè)器結(jié)構(gòu)3是本發(fā)明的超前探測(cè)裝置安裝在掘進(jìn)機(jī)上的示意圖。圖4是本發(fā)明的超前探測(cè)裝置在掘進(jìn)機(jī)上工作的示意圖。圖中，1-電磁波探測(cè)器；2_信號(hào)采集放大器；3_控制器；4_傾斜傳感器；5_振動(dòng)傳感器；6_無(wú)線通信電路；7_無(wú)線基站；8_網(wǎng)關(guān)；9_工業(yè)以太網(wǎng)；10_監(jiān)測(cè)主機(jī)；11_變頻振蕩器；12-發(fā)射天線；13-接收天線；14-前置放大器；15-帶通濾波器；16-超前探測(cè)裝置；17-掘進(jìn)機(jī)；18_掘進(jìn)機(jī)懸臂；19_掘進(jìn)頭。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明的掘進(jìn)災(zāi)害超前探測(cè)系統(tǒng)，包括設(shè)在掘進(jìn)機(jī)17上的超前探測(cè)裝置16，超前探測(cè)裝置16連接有信號(hào)采集放大器2，信號(hào)采集放大器2連接有無(wú)線通信電路6，無(wú)線通信電路6通過(guò)無(wú)線信號(hào)與無(wú)線基站7連接，無(wú)線基站7連接網(wǎng)關(guān)8，網(wǎng)關(guān)8通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)9連接監(jiān)測(cè)主機(jī)10，如圖2所示，所述超前探測(cè)裝置包括電磁波探測(cè)器1，電磁波探測(cè)器I含有電磁波發(fā)射電路和電磁波接收電路，其中電磁波發(fā)射電路由與控制器相連接的變頻振蕩器11和相連接的發(fā)射天線12構(gòu)成，所述的電磁波發(fā)射電路中的變頻振蕩器11可以產(chǎn)生250KHz、560KHz和820KHz三個(gè)不同頻率的電磁波信號(hào)；電磁波接收電路由順序連接的接收天線13、前置放大器I和帶通濾波器15構(gòu)成，所述發(fā)射天線12和接收天線
13為環(huán)形定向天線；帶通濾波器15與信號(hào)采集放大器2相連接；電磁波探測(cè)器I上設(shè)有控制器3，控制器3上分別與設(shè)在掘進(jìn)機(jī)懸臂18上的傾斜傳感器4和振動(dòng)傳感器5相連接，其中傾斜傳感器4和振動(dòng)傳感器5輸出端接入控制器3的輸入端，控制器3的輸出端接電磁波探測(cè)器I的輸入端，電磁波探測(cè)器I的輸出端接信號(hào)采集放大器2的輸入端，信號(hào)采集放大器2的輸出端接無(wú)線通信電路6的輸入端，無(wú)線基站7接收無(wú)線通信電路6的信號(hào)，無(wú)線基站7的輸出信號(hào)通過(guò)網(wǎng)關(guān)8和工業(yè)以太網(wǎng)9與監(jiān)測(cè)主機(jī)10通訊。
所述的傾斜傳感器4型號(hào)為MT-90，振動(dòng)傳感器5型號(hào)為VT9285，控制器3型號(hào)為ATMEGA16，信號(hào)采集放大器2型號(hào)為JBDT-3，無(wú)線通信電路6的型號(hào)為RF950，前置放大器
14的型號(hào)為VT120，帶通濾波器15的型號(hào)為BF32，變頻振蕩器的型號(hào)為AD9620 ;所述的變頻振蕩器可以產(chǎn)生250KHz、560KHz和820KHz三個(gè)不同頻率的電磁波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)前方巖層內(nèi)部不同深度的斷面結(jié)構(gòu)的探測(cè)掃描。如圖3所述，本發(fā)明的超前探測(cè)裝置安裝在掘進(jìn)機(jī)17上，由電磁波探測(cè)器1、信號(hào)采集放大器2、控制器3和無(wú)線通信電路6構(gòu)成的超前探測(cè)裝置16，固定在掘進(jìn)機(jī)17的機(jī)身上，傾斜傳感器4和振動(dòng)傳感器5固定在掘進(jìn)機(jī)懸臂18上。如圖4所述，本發(fā)明的超前探測(cè)裝置在掘進(jìn)機(jī)上，當(dāng)掘進(jìn)頭19向下掃底時(shí)，掘進(jìn)機(jī)懸臂18不會(huì)阻擋超前探測(cè)裝置16發(fā)出和接收電磁波波的信號(hào)，超前探測(cè)裝置開(kāi)始工作，進(jìn)行超前探測(cè)。一種運(yùn)用上述系統(tǒng)的掘進(jìn)災(zāi)害超前探測(cè)方法如下:a.將由電磁波探測(cè)器1、信號(hào)采集放大器2、控制器3和無(wú)線通信電路6構(gòu)成的超前探測(cè)裝置固定在掘進(jìn)機(jī)17的機(jī)身上，將所述傾斜傳感器5和振動(dòng)傳感器6緊密固定在掘進(jìn)機(jī)懸臂18上；b.當(dāng)掘進(jìn)機(jī)17開(kāi)始工作時(shí)，傾斜傳感器5和振動(dòng)傳感器6開(kāi)始采集掘進(jìn)機(jī)懸臂18工作時(shí)的信息，并將采集到的信息發(fā)送到控制器3中，控制器根據(jù)傾斜傳感器5和振動(dòng)傳感器6采集到的信息判斷掘進(jìn)機(jī)17是否處于掃底工作后停止掘進(jìn)工作的時(shí)機(jī)；c.當(dāng)掘進(jìn)機(jī)17掃底工作結(jié)束后的短暫休息時(shí)間中，電磁波探測(cè)器I中的電磁波發(fā)射電路向掘進(jìn)前方發(fā)射不同頻率的電磁波波信號(hào)，發(fā)射的電磁波信號(hào)進(jìn)入前方巖體或者煤層后反射產(chǎn)生的電磁波反射信號(hào)被電磁波探測(cè)器I中電磁波接收電路接收，電磁波反射信號(hào)通過(guò)順序連接的信號(hào)采集放大器、無(wú)線通信電路6、無(wú)線基站7、網(wǎng)關(guān)8和工業(yè)以太網(wǎng)9到達(dá)監(jiān)測(cè)主機(jī)10 ；d.監(jiān)測(cè)主機(jī)10對(duì)所有接收到的電磁波反射信號(hào)分別進(jìn)行波形快速分析，根據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)的信號(hào)波形與電磁波探測(cè)器I中的接收電路采集到的電磁波反射信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，如果發(fā)現(xiàn)探測(cè)結(jié)果的幅度隨頻率的變化出現(xiàn)異常，則可初步判斷掘進(jìn)前方地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生異常，從而判斷掘進(jìn)機(jī)17掘進(jìn)前方是否存在應(yīng)力積聚、地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常等情況，當(dāng)監(jiān)測(cè)主機(jī)得出前方出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害情況時(shí)會(huì)發(fā)出預(yù)警信息給操作人員。工作過(guò)程:電磁波探測(cè)器1、信號(hào)采集放大器2、控制器3和無(wú)線通信電路6安裝一體，構(gòu)成超前探測(cè)裝置16，固定在掘進(jìn)機(jī)17的機(jī)身上，傾斜傳感器4和振動(dòng)傳感器5固定在掘進(jìn)機(jī)懸臂18上，控制器3根據(jù)傾斜傳感器4判斷掘進(jìn)機(jī)17的掘進(jìn)頭19和掘進(jìn)機(jī)懸臂18不阻擋電磁波探測(cè)器I發(fā)射的電磁波波信號(hào)，控制電磁波探測(cè)器I工作；根據(jù)振動(dòng)傳感器5的信號(hào)，判斷掘進(jìn)頭19處于掘進(jìn)休息階段，然后控制電磁波探測(cè)器I向掘進(jìn)前方發(fā)射電磁波波，并接收巖石或煤巖中反射的電磁波波信號(hào)，電磁波波反射信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集放大器
2、無(wú)線通信電路6、無(wú)線基站7、網(wǎng)關(guān)8和工業(yè)以太網(wǎng)9到達(dá)監(jiān)測(cè)主機(jī)10，監(jiān)測(cè)主機(jī)10對(duì)所有接收到的信號(hào)分別進(jìn)行分析，判斷掘進(jìn)前方是否存在應(yīng)力積聚、地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常等情況，對(duì)礦井或涵洞巷道掘進(jìn)前方地質(zhì)災(zāi)害例如突水、瓦斯、沖擊地壓等情況進(jìn)行預(yù)警。
權(quán)利要求
1.一種掘進(jìn)災(zāi)害超前探測(cè)系統(tǒng)，其特征是:系統(tǒng)包括設(shè)在掘進(jìn)機(jī)(17)上的超前探測(cè)裝置(16 )，超前探測(cè)裝置(16 )上連接有信號(hào)采集放大器(2 )，信號(hào)采集放大器(2 )連接有無(wú)線通信電路(6)，無(wú)線通信電路(6)通過(guò)無(wú)線信號(hào)與無(wú)線基站(7)連接，無(wú)線基站(7)連接網(wǎng)關(guān)(8)，網(wǎng)關(guān)(8)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)(9)連接監(jiān)測(cè)主機(jī)(10)，所述超前探測(cè)裝置(16)包括電磁波探測(cè)器(1)，電磁波探測(cè)器(I)上設(shè)有控制器(3)，控制器(3)上分別與設(shè)在掘進(jìn)機(jī)懸臂(17)上的傾斜傳感器(4)和振動(dòng)傳感器(5)相連接，其中傾斜傳感器(4)和振動(dòng)傳感器(5)輸出端接入控制器(3)的輸入端，控制器(3)的輸出端接電磁波探測(cè)器(I)的輸入端，電磁波探測(cè)器(I)的輸出端接信號(hào)采集放大器(2)的輸入端，信號(hào)采集放大器(2)的輸出端接無(wú)線通信電路(6)的輸入端，無(wú)線基站(7)接收無(wú)線通信電路(6)的信號(hào)，無(wú)線基站(7)的輸出信號(hào)通過(guò)網(wǎng)關(guān)(8)和工業(yè)以太網(wǎng)(9)與監(jiān)測(cè)主機(jī)(10)通訊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掘進(jìn)災(zāi)害超前探測(cè)系統(tǒng)，其特征為:所述的電磁波探測(cè)器(I)含有電磁波發(fā)射電路和電磁波接收電路，電磁波發(fā)射電路由與控制器相連接的變頻振蕩器(11)和相連接的發(fā)射天線(12)構(gòu)成，電磁波接收電路由順序連接的接收天線(13)、前置放大器(14)和帶通濾波器(15)構(gòu)成，帶通濾波器(15)與型號(hào)采集放大器(2)相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的掘進(jìn)災(zāi)害超前探測(cè)系統(tǒng)，其特征為:所述的電磁波發(fā)射電路中的變頻振蕩器(11)可以產(chǎn)生250KHz、560KHz和820KHz三個(gè)不同頻率的電磁波信號(hào)。
4.一種使用權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的掘進(jìn)災(zāi)害超前探測(cè)方法，其特征是包括如下步驟: a.將由電磁波探測(cè)器(I)、信號(hào)采集放大器(2)、控制器(3)和無(wú)線通信電路(6)構(gòu)成的超前探測(cè)裝置(16)固定在掘進(jìn)機(jī)(17)的機(jī)身上，將所述的傾斜傳感器(5)和振動(dòng)傳感器(6)緊密固定在掘進(jìn)機(jī)懸臂(18)上； b.當(dāng)掘進(jìn)機(jī)(17)開(kāi)始工作時(shí)，傾斜傳感器(5)和振動(dòng)傳感器(6)開(kāi)始采集掘進(jìn)機(jī)懸臂(18)工作時(shí)的信息，并將采集到的信息發(fā)送到控制器(3)中，控制器根據(jù)傾斜傳感器(5)和振動(dòng)傳感器(6)采集到的信息判斷掘進(jìn)機(jī)(17)是否處于掃底工作后停止掘進(jìn)工作的時(shí)機(jī)； c.當(dāng)掘進(jìn)機(jī)(17)掃底工作結(jié)束后的短暫休息時(shí)間中，電磁波探測(cè)器(I)中的電磁波發(fā)射電路向掘進(jìn)前方發(fā)射不同頻率的電磁波波信號(hào)，發(fā)射的電磁波信號(hào)進(jìn)入前方巖體或者煤層后反射產(chǎn)生的電磁波反射信號(hào)被電磁波探測(cè)器(I)中電磁波接收電路接收，電磁波反射信號(hào)通過(guò)順序連接的信號(hào)采集放大器、無(wú)線通信電路(6)、無(wú)線基站(7)、網(wǎng)關(guān)(8)和工業(yè)以太網(wǎng)(9)到達(dá)監(jiān)測(cè)主機(jī)(10); d.監(jiān)測(cè)主機(jī)(10)對(duì)所有接收到的電磁波反射信號(hào)分別進(jìn)行波形快速分析，根據(jù)預(yù)先存儲(chǔ)的信號(hào)波形與電磁波探測(cè)器(I)中的接收電路采集到的電磁波反射信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，如果發(fā)現(xiàn)探測(cè)結(jié)果的幅度隨頻率的變化出現(xiàn)異常，則可初步判斷掘進(jìn)前方地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生異常，從而判斷掘進(jìn)機(jī)(17)掘進(jìn)前方是否存在應(yīng)力積聚、地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常等情況，當(dāng)監(jiān)測(cè)主機(jī)得出前方出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害情況時(shí)會(huì)發(fā)出預(yù)警信息給操作人員。
全文摘要
一種掘進(jìn)災(zāi)害超前探測(cè)系統(tǒng)及方法，屬于礦井或地下工程地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法及系統(tǒng)。系統(tǒng)包括電磁波探測(cè)器、信號(hào)采集放大器、控制器、傾斜傳感器、振動(dòng)傳感器、無(wú)線通信電路、無(wú)線基站、網(wǎng)關(guān)、工業(yè)以太網(wǎng)和監(jiān)測(cè)主機(jī)；方法是控制器根據(jù)傾斜傳感器和振動(dòng)傳感器的信號(hào)，控制電磁波探測(cè)器工作，探測(cè)掘進(jìn)前方的電磁波波反射信號(hào)，電磁波波反射信號(hào)通過(guò)信號(hào)采集放大器、無(wú)線通信電路、無(wú)線基站、網(wǎng)關(guān)和工業(yè)以太網(wǎng)到達(dá)監(jiān)測(cè)主機(jī)，監(jiān)測(cè)主機(jī)對(duì)所有接收到的信號(hào)分別進(jìn)行分析，判斷掘進(jìn)前方是否存在應(yīng)力積聚、地質(zhì)結(jié)構(gòu)異常等情況，對(duì)礦井或涵洞巷道掘進(jìn)前方地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警。
文檔編號(hào)E21C35/04GK103174418SQ20131004542
公開(kāi)日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者童紫原, 童敏明, 唐守鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)