本實用新型涉及一種在淺層地表實現(xiàn)采礦爆破點實時定位的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

對地下礦山超層越界的開采行為監(jiān)管一直是困擾礦山監(jiān)管部門的難題，傳統(tǒng)的監(jiān)管均采用人工或接觸式技術(shù)手段(如視頻監(jiān)控、人員定位)，人為干擾因素大，不能從根本上解決這種違法開采行為。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本實用新型提供一種實現(xiàn)方便、精度度高的在淺層地表實現(xiàn)采礦爆破點實時定位的系統(tǒng)。

本實用新型在淺層地表實現(xiàn)采礦爆破點實時定位的系統(tǒng)，包括：

采集礦山開采爆破時產(chǎn)生的爆破信號的震波拾取裝置，所述震波拾取裝置包括布設(shè)于地表淺層的若干三軸加速度傳感器；

與所述震波拾取裝置連接，對爆破信號進行非平衡二次濾波、波形沿分析及波至?xí)r刻完整提取，并將爆破信號中的爆破能量、方向、波至?xí)r刻心系輸出至定位主機的檢測分站，所述檢測分站包括與各三軸加速度傳感器一一對應(yīng)的震波檢測板；

還包括對爆破信號中的能量、方向、波至?xí)r刻信息進行計算分析，采用方向定位排除特異性振動信號，通過時差定位對真實爆破點進行定位，通過波速自動尋優(yōu)算法進行波速計算，通過底層硬件算法求解，得出爆破點的三維空間坐標(biāo)的定位主機；

與定位主機通過無線數(shù)據(jù)傳輸模式連接，獲取爆破點位置的遠程GIS服務(wù)器。

進一步地，還包括與所述遠程服務(wù)器通過有線或無線方式連接的超層越界實時預(yù)警終端，所述超層越界實時預(yù)警終端包括后臺二維顯示、三維仿真定位預(yù)警發(fā)布平臺及相應(yīng)服務(wù)、監(jiān)測大屏，服務(wù)器接收GPRS傳送的三維地理信息數(shù)據(jù)，收立體地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過三維仿真系統(tǒng)在監(jiān)測大屏顯示爆破仿真信息或爆破點，并實時計算離邊界距離，并對越層越界信息進行實時預(yù)警，并通過移動終端及時進行通知、處理。

進一步地，所述震波拾取裝置包括5至6個高精度三軸加速度傳感器，所述高精度三軸加速度傳感器與過濾了近距離干擾波，放大遠距離爆破地震波的前端濾波器相連，所述前端濾波器中集成了使信號可以通過電纜傳送1000m以上的驅(qū)動電纜回路。

進一步地，在20至100米的淺層地表布設(shè)震波拾取裝置；定位主機與遠程GIS服務(wù)器之間通過GPRS通信。

進一步地，觀測井管壁上設(shè)有方式口，將三軸加速度傳感器通過螺釘及外敷鐵絲的方式固定潛層觀測井的方式口內(nèi)，通過反注將的方式向井內(nèi)灌注水泥，對三軸加速度傳感器進行固定。

進一步地，三軸傳感器的布設(shè)方式為：針對于不同礦區(qū)獨特地質(zhì)環(huán)境的構(gòu)造條件進行分析，采用MATLAB軟件對震波傳播特性進行仿真，針對信號特性進行傳感器的布局。

有益效果

本實用新型在淺層地表實現(xiàn)采礦爆破點實時定位的系統(tǒng)與現(xiàn)有技術(shù)具備如下有益效果：

本實用新型對于采用爆破手段的地下采掘行為，在礦區(qū)開采發(fā)生爆破時，會產(chǎn)生微弱的爆破地震波向周圍傳播，利用在空間不同位置放置的震波拾取裝置，在20-100米的淺層地表布設(shè)5-6顆三軸加速度傳感器，實現(xiàn)對地下開采的礦山爆破點實現(xiàn)精確定位的方法及對超層越界開采進行實時預(yù)警，實現(xiàn)對采礦爆破點的精確定位，是一種非接觸、感應(yīng)式的定位方法，可連續(xù)記錄采掘數(shù)據(jù)，完整掌握了采礦權(quán)人地下采掘活動，明確責(zé)任認定，實現(xiàn)了采掘活動的無人值守式監(jiān)測預(yù)警，是預(yù)防超層越界等非法采礦行為的最有效手段。

附圖說明

圖1是本實用新型在淺層地表實現(xiàn)采礦爆破點實時定位的系統(tǒng)的原理框圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本實用新型，但不用來限制本實用新型的范圍。

對于采用爆破手段的地下采掘行為，在礦區(qū)開采發(fā)生爆破時，會產(chǎn)生微弱的爆破地震波向周圍傳播，利用在空間不同位置放置的震波拾取裝置，可以記錄這些爆破產(chǎn)生的微地震波的到達時間、傳播方向、能量等信息，根據(jù)各個傳感器采集點爆破信號沿的時間差、波速及傳感器間距、震源方向等參數(shù)，按照非平衡濾波算法、時差與方向結(jié)合的定位的算法，確定礦山開采爆破點的位置。此方法在對特定礦區(qū)爆破源介質(zhì)、傳播特性、波形綜合分析的基礎(chǔ)上，得出科學(xué)合理的參數(shù)與計算模型，通過傅里葉變換和小波分析法對波形進行頻譜分析，建立針對性的爆破監(jiān)測定位模型，采用最小二乘和牛頓迭代相結(jié)合的時差定位方法確定爆破位置，進而得出爆破點與特定采集點的距離(即標(biāo)注立體坐標(biāo)的點)，然后通過空間幾何計算方法(坐標(biāo)變換)計算出爆破點的空間坐標(biāo)，并進行三維動態(tài)仿真，根據(jù)地理信息系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)，對是否超層越界進行判斷。

參見圖1，本實施例在淺層地表實現(xiàn)采礦爆破點實時定位的系統(tǒng)，包括：

采集礦山開采爆破時產(chǎn)生的爆破信號的震波拾取裝置，所述震波拾取裝置包括布設(shè)于地表淺層的若干三軸加速度傳感器；

與所述震波拾取裝置連接，對爆破信號進行非平衡二次濾波、波形沿分析及波至?xí)r刻完整提取，并將爆破信號中的爆破能量、方向、波至?xí)r刻心系輸出至定位主機的檢測分站，所述檢測分站包括與各三軸加速度傳感器一一對應(yīng)的震波檢測板；

還包括對爆破信號中的能量、方向、波至?xí)r刻信息進行計算分析，采用方向定位排除特異性振動信號，通過時差定位對真實爆破點進行定位，通過波速自動尋優(yōu)算法進行波速計算，通過底層硬件算法求解，得出爆破點的三維空間坐標(biāo)的定位主機；

與定位主機通過無線數(shù)據(jù)傳輸模式連接，獲取爆破點位置的遠程GIS服務(wù)器。

與所述遠程服務(wù)器通過有線或無線方式連接的超層越界實時預(yù)警終端，所述超層越界實時預(yù)警終端包括后臺二維顯示、三維仿真定位預(yù)警發(fā)布平臺及相應(yīng)服務(wù)、監(jiān)測大屏，服務(wù)器接收GPRS傳送的三維地理信息數(shù)據(jù)，收立體地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過三維仿真系統(tǒng)在監(jiān)測大屏顯示爆破仿真信息或爆破點，并實時計算離邊界距離，并對越層越界信息進行實時預(yù)警，并通過移動終端及時進行通知、處理。

本實施例中，所述震波拾取裝置包括5至6個高精度三軸加速度傳感器，所述高精度三軸加速度傳感器與過濾了近距離干擾波，放大遠距離爆破地震波的前端濾波器相連，所述前端濾波器中集成了使信號可以通過電纜傳送1000m以上的驅(qū)動電纜回路。在20至100米的淺層地表布設(shè)震波拾取裝置；定位主機與遠程GIS服務(wù)器之間通過GPRS通信。

如圖中的震波拾取裝置1、2、3、4、5、6，爆破震波檢測分站7、8、9、10、11、12，檢測分站將經(jīng)過前置濾波的信號進行二次非平衡濾波，得到的純凈波，震動能力、方向信號傳送給時差與方向算法相結(jié)合的定位主機。連接爆破震波采集分站的礦山開采爆破定位主機13，將檢測分站二次非平衡濾波處理后的信號、爆破震動能量信息、方向信號進行綜合計算分析，通過嵌入式波速自動尋優(yōu)程序，方向信號排除性定位，波形沿精確分析提取的波時刻的精確定位，進一步排除非爆破信號，并提高定位精度。

超層越界實時預(yù)警終端，包括后臺二維顯示、三維仿真定位預(yù)警發(fā)布平臺及相應(yīng)服務(wù)器、監(jiān)測大屏15，服務(wù)器14接收GPRS傳送的三維地理信息數(shù)據(jù)，收立體地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過三維仿真系統(tǒng)在監(jiān)測大屏顯示爆破仿真信息或爆破點，并實時計算離邊界距離，并對越層越界信息進行實時預(yù)警，并通過移動終端16及時進行通知、處理。

所述的高精度三軸加速度傳感器為采用經(jīng)過MATLAB仿真計算的傳感器群布設(shè)方式，布設(shè)在20-100米的淺地表層，每組數(shù)量在5-6顆。具有內(nèi)置濾波功能的高精度震波拾取裝置采用雙重濾波的設(shè)計思路，在采用高精度傳感器核心部件提高靈敏度的同時，對遠距離微弱爆破地震波與近距離干擾波進行了針對性分析，開發(fā)了前端濾波器，結(jié)合三軸傳感器對方向信號探知的強弱處理機制，成功過濾了近距離干擾波，放大遠距離爆破地震波；前端濾波裝置中集成驅(qū)動電纜程序。

檢測分站集后端濾波、波至?xí)r刻精確提取、自身干擾濾除于一體的檢測分站。每個檢測分站連接1路震波拾取裝置，每路震波拾取裝置輸出3個軸向上的爆破震波信號。檢測分站對這3個分量信號進行調(diào)理與轉(zhuǎn)換，分別存儲，通過波形分析與濾波算法綜合處理。

定位主機更好地適應(yīng)不同礦山環(huán)境，每個主機可同時接收來自10個震波拾取裝置的數(shù)據(jù)，并與遠程GIS服務(wù)器通過無線數(shù)據(jù)傳輸模式進行通信，擺脫了對安裝地點的限制。定位主機中嵌入速度自動尋優(yōu)、時間方向相結(jié)合的定位程序，實現(xiàn)了波速根據(jù)實際地質(zhì)條件而進行自動調(diào)整，減小了由于固定的速度參數(shù)帶來的定位誤差。并根據(jù)來自不同方向上的震動能量值、波形等要素，對定位精度進行二次修正，極大提高了定位精度。

采用礦區(qū)礦體、采掘面、巷道、爆破活動的三維建模與仿真技術(shù)，對地下開采爆破點進行實時定位仿真，對超層越界開采活動進行預(yù)警。

具有內(nèi)置濾波功能的高精度震波拾取裝置。傳統(tǒng)的加速傳感器無法接收到遠距離信號或者會將爆破信息淹沒于干擾信號中，均無法實現(xiàn)對遠距離微弱爆破信號的采集。針對于這種情況，本實用新型采用雙重濾波的設(shè)計思路，在采用高精度傳感器核心部件提高靈敏度的同時，對遠距離微弱爆破地震波與近距離干擾波進行了針對性分析，開發(fā)了前端濾波器，結(jié)合三軸傳感器對方向信號探知的強弱處理機制，成功過濾了近距離干擾波，放大遠距離爆破地震波。同時，在前端濾波裝置中集成了驅(qū)動電纜回路，使本來十幾米就完全衰減的信號可以通過普通電纜傳送1000m以上，保證信號被檢測分站有效采集。

集后端濾波、波至?xí)r刻提取、設(shè)備自干擾濾除機制于一體的檢測分站。國內(nèi)、外絕大部分震波采集處理裝置采用的只是中繼站式的數(shù)模轉(zhuǎn)換與放大電路，不但占用了巨大的帶寬，使數(shù)據(jù)傳輸只能依賴光纜傳輸，同時，大量無用的信號被直接提交給后臺計算程序，嚴重影響數(shù)據(jù)采集與定位精度。針對這種情況，本實用新型開發(fā)了集后端濾波、波至?xí)r刻精確提取、自身干擾濾除于一體的檢測分站。每個檢測分站連接1路震波拾取裝置，每路震波拾取裝置輸出3個軸向上的爆破震波信號。檢測分站對這3個分量信號進行調(diào)理與轉(zhuǎn)換，分別存儲，通過波形分析與濾波算法綜合處理。

具備波速自動尋優(yōu)、時間與方向定位相結(jié)合的定位主機。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)由服務(wù)器端軟件處理機制相比，本實用新型的系統(tǒng)的定位主機的針對性與環(huán)境適應(yīng)性更強，每個主機可同時接收來自10個震波拾取裝置的數(shù)據(jù)，并與遠程GIS服務(wù)器通過無線數(shù)據(jù)傳輸模式進行通信，擺脫了對安裝地點的限制。考慮到在不同的地質(zhì)構(gòu)造條件下，地震波的傳播速度會有所不同，定位主機中嵌入速度自動尋優(yōu)、時間方向相結(jié)合的定位程序，實現(xiàn)了波速根據(jù)實際地質(zhì)條件而進行自動調(diào)整，減小了由于固定的速度參數(shù)帶來的定位誤差。并根據(jù)來自不同方向上的震動能量值、波形等要素，對定位精度進行二次修正，極大提高了定位精度。

本實施例在淺層地表實現(xiàn)采礦爆破點實時定位的系統(tǒng)的工作方法包括：

將若干若干三軸加速度傳感器布設(shè)在20至100米的淺層地表，三軸加速度傳感傳感器拾取采礦過程中的所有爆破信號，進行一次濾波及信號放大，然后將信號輸出；

進行爆破信號波形特征分析，提取完整的采礦爆破地震波形，采集及計算爆破能量、波形信息、爆破方位信息；

對爆破能量、爆破震波、爆破信號方位進行綜合分析，通過波形自動尋優(yōu)程序自動計算最優(yōu)波速，精確提取波至?xí)r刻，按照非平衡濾波算法、時差與方向結(jié)合的定位的算法，確定爆破點空間坐標(biāo)；

爆破點空間坐標(biāo)通過GPRS通信傳送給監(jiān)測預(yù)警服務(wù)器，在監(jiān)測預(yù)警平臺上進行爆破三維仿真，對超層越界信息進行預(yù)警。

震波拾取裝置采集礦山開采爆破信號，經(jīng)過前置濾波，微弱信號發(fā)大、類驅(qū)動電纜程序發(fā)送給遠端爆破震波檢測分站；

爆破震波監(jiān)測分站通過進行非平衡二次濾波、波形沿分析及波至?xí)r刻完整提取，并事爆破能量、方向信息地超提交給定位主機；

主機對礦山開采爆破信號中的能量、方向、波至?xí)r刻信息進行計算分析，采用方向定位排除特異性振動信號，通過時差定位對真實爆破點進行定位，通過波速自動尋優(yōu)算法進行波速計算，通過底層硬件算法求解，得出三維空間坐標(biāo)；

遠程監(jiān)測服務(wù)器接收到主機發(fā)送的采礦爆破點三維空間信息，在監(jiān)測大屏上進行二維定位及三維動態(tài)仿真，對超層越界信息進行預(yù)警。

布設(shè)于淺地表的多個傳感器協(xié)同工作的傳感器群的整體布局施工方法。針對于不同礦區(qū)獨特地質(zhì)環(huán)境的構(gòu)造條件進行分析，采用MATLAB軟件對震波傳播特性進行仿真，針對信號特性進行傳感器的布局，實現(xiàn)多組傳感器參數(shù)優(yōu)化群組合，減小定位矩陣的條件數(shù)，避免檢測震波到達沿存在的誤差，提高定位精度。

實現(xiàn)時差定位過程中病態(tài)程組的在底層硬件上的快速求解的共軛向量基算法技術(shù)。在時差定位中，對于定位坐標(biāo)和時間的求取本質(zhì)上是一個非線性方程組的求解。在底層的硬件上進行非線性方程組的實時求解因受計算速度的影響非常困難，所以在很多情況下都是簡化為一個線性方程組的求解問題，簡化的線性方程組是病態(tài)的，到時檢測的很小誤差對定位精度將產(chǎn)生很大影響。本實用新型綜合考慮運算速度與定位精度，采用了共軛向量基算法，快速地實現(xiàn)傳感器病態(tài)組合情況下的精確定位。

方向定位與時差定位相結(jié)合的空間定位技術(shù)。時差定位方法受到波至?xí)r刻數(shù)據(jù)的影響較大，一些靠近某個傳感器的干擾震動和爆破震動迭加時，有時會被誤認為是爆破震動，在選取波形信號沿時就會存在誤判，對定位精度就會造成較大影響，出現(xiàn)定位錯誤。本實用新型在時差定位的同時，加入了方向定位手段。該方法基本原理是：根據(jù)1個三軸傳感器x、y、z三個方向共3個加速度元件形成的多個方向接收的波形信息的差異，對一組5-6個傳感器接收到的多個震動信號進行分析，其中有多個傳感器元件均能采集到的滿足一定波形特性判別且大約指向同一個震源方向的震動信號為同一次爆破的震動信號(因為一組傳感器布設(shè)范圍非常集中，接收遠距離爆破信號時，可看成一個點)，根據(jù)這5-6個震動信號計算出來的波至?xí)r刻，使用時差法確定的震源位置是最精確的位置。同時，由于定位計算采用的是先存儲后計算，每次爆破根據(jù)波的傳播特性計算后會產(chǎn)生一個大致的方向坐標(biāo)，這個定位坐標(biāo)可能誤差比較大，但根據(jù)這組數(shù)據(jù)可以直接濾除其他方向上的大能量干擾數(shù)據(jù)。用這一個方向定位的震源坐標(biāo)與用時差法確定的震源坐標(biāo)，進行合并優(yōu)化，大大減少了對波至?xí)r刻的誤判，進一步提高了定位精度。

與地質(zhì)構(gòu)造條件參數(shù)無關(guān)性的波速自動尋優(yōu)技術(shù)。不同的地質(zhì)條件，不同的爆破深度，爆破震波的波速是不同的，這使得采用固定波速的定位系統(tǒng)在計算爆破位置時出現(xiàn)較大的誤差。為了減少由于速度的不同而帶來定位誤差，本實用新型建立了一個最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，在波至?xí)r刻已知的條件下，根據(jù)先設(shè)定的波速，采用時差定位算法，自動尋找真實速度值，減小定位誤差，提高定位精度。

信號采集、分析、輸出同步機制的大容量存儲技術(shù)。對于干擾較多的復(fù)雜環(huán)境，由于采樣周期遠小于一次定位算法所用的時間，為了不遺漏爆破震動信號，并使計算快速穩(wěn)定，本實用新型中采用了大容量存儲技術(shù)，將采樣值臨時存儲起來，完成一次定位運算后，再用新采集數(shù)據(jù)替換當(dāng)前的存儲數(shù)據(jù)，這種設(shè)計思路不但保證了系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，而且也很好的完成了方向定位的數(shù)據(jù)邏輯分析，保證了監(jiān)測的連續(xù)性和實時性。提高定位精度與運行穩(wěn)定性。

上述各實施例中，首先將觀測井管壁開方式口，將三軸加速度傳感器通過震波拾取裝置的螺釘及外敷鐵絲的方式固定潛層觀測井的井壁管上；其次通過反注將的方式向井內(nèi)灌注水泥，對震波拾取裝置進行固定，傳感器安裝的位置與布設(shè)圖紙位置的誤差小于5cm。

以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，并不用于限制本實用新型，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進和變型，這些改進和變型也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。