掘进灾害超前探测系统及方法

1.一种掘进灾害超前探测系统，包括电磁波探测器（1）、信号采集放大器（2）、传感器、无线通信电路（6）、无线基站（7）、网关（8）、工业以太网（9）和监测主机（10），其特征是：系统还包括设在掘进机(17)上的超前探测装置（16），超前探测装置（16）上连接信号采集放大器（2），信号采集放大器（2）连接无线通信电路（6），无线通信电路（6）通过无线信号与无线基站（7）连接，无线基站（7）连接网关（8），网关（8）通过工业以太网（9）连接监测主机（10），所述超前探测装置（16）包括电磁波探测器（1），电磁波探测器（1）上设有控制器（3），控制器（3）分别与倾斜传感器（4）和振动传感器（5）相连接，倾斜传感器（4）和振动传感器（5）固定在掘进机悬臂（18）上，倾斜传感器（4）和振动传感器（5）输出端接入控制器（3）的输入端，控制器（3）的输出端接电磁波探测器（1）的输入端，电磁波探测器（1）的输出端接信号采集放大器（2）的输入端，信号采集放大器（2）的输出端接无线通信电路（6）的输入端，无线基站（7）接收无线通信电路（6）的信号，无线基站（7）的输出信号通过网关（8）和工业以太网（9）与监测主机（10）通讯；
所述的电磁波探测器（1）含有电磁波发射电路和电磁波接收电路，电磁波发射电路由与控制器相连接的变频振荡器（11）和与变频振荡器相连接的发射天线（12）构成，电磁波接收电路由顺序连接的接收天线（13）、前置放大器（14）和带通滤波器（15）构成，带通滤波器（15）与信号采集放大器（2）相连接；
所述的倾斜传感器（4）的型号为MT-90，振动传感器（5）的型号为VT9285，控制器（3）的型号为ATMEGA16，信号采集放大器（2）的型号为JBDT-3，无线通信电路(6)的型号为RF950，前置放大器（14）的型号为VT120，所述的电磁波发射电路中的变频振荡器（11）可以产生250KHz、560 KHz和820KHz三个不同频率的电磁波信号，以实现前方岩层内部不同深度的断面结构的探测扫描。
2.一种使用权利要求1所述系统的掘进灾害超前探测方法，其特征是包括如下步骤：
a.将由电磁波探测器（1）、信号采集放大器（2）、控制器（3）和无线通信电路（6）构成的超前探测装置（16）固定在掘进机（17）的机身上，将所述的倾斜传感器（4）和振动传感器（5）紧密固定在掘进机悬臂（18）上；通过控制器（3）根据倾斜传感器（4）判断掘进机（17）的掘进头（19）和掘进机悬臂（18）不阻挡电磁波探测器（1）发射的电磁波信号，控制电磁波探测器（1）工作；
b．当掘进机（17）开始工作时，倾斜传感器（4）和振动传感器（5）开始采集掘进机悬臂（18）工作时的信息，并将采集到的信息发送到控制器（3）中，控制器（3）根据倾斜传感器（4）判断掘进机（17）的掘进头（19）和掘进机悬臂（18）不阻挡电磁波探测器（1）发射的电磁波信号，控制电磁波探测器（1）工作；根据振动传感器（5）的信号，判断掘进头（19）处于掘进休息阶段，然后控制电磁波探测器（1）向掘进前方发射电磁波，并接收岩石或煤岩中反射的电磁波信号，控制器（3）根据倾斜传感器（4）和振动传感器（5）采集到的信息判断掘进机（17）是否处于扫底工作后停止掘进工作的时机；
c．当掘进机（17）扫底工作结束后的短暂休息时间中，电磁波探测器（1）中的电磁波发射电路向掘进前方发射不同频率的电磁波信号，发射的电磁波信号进入前方岩体或者煤层后反射产生的电磁波反射信号被电磁波探测器（1）中电磁波接收电路接收，电磁波反射信号通过顺序连接的信号采集放大器（2）、无线通信电路（6）、无线基站（7）、网关（8）和工业以太网（9）到达监测主机（10）；
d．监测主机（10）对所有接收到的电磁波反射信号分别进行波形快速分析，根据预先存储的信号波形与电磁波探测器（1）中的接收电路采集到的电磁波反射信号进行对比，如果发现探测结果的幅度随频率的变化出现异常，则可初步判断掘进前方地质结构发生异常，从而判断掘进机（17）掘进前方是否存在应力积聚、地质结构异常情况，当监测主机得出前方出现地质灾害情况时会发出预警信息给操作人员，对矿井或涵洞巷道掘进前方地质灾害中突水、瓦斯、冲击地压的情况进行预警。

掘进灾害超前探测系统及方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及探测方法及系统，特别是一种矿井或地下巷道中使用的掘进前方地质灾害实时探测预警的掘进灾害超前探测方法及系统。\n技术背景\n[0002] 矿井或地下涵洞掘进作业时，经常会发生突水和冲击地压的地质灾害。长期以来，人们采用的方法是先采用物探方法先探明掘进前方的地质情况，但这种人工探测方法，由于最求探测深度，探测的精确度不够理想，有些灾害隐患难以发现，致使掘进中出现事故，造成人员伤亡和经济损失。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是要提供一种能够在掘进过程中实时探测前方灾害的方法及系统，实现掘进前方灾害的实时监测预警，避免掘进工作面地质灾害的发生。\n[0004] 为实现上述目的，本发明的掘进灾害超前探测的系统，包括设在掘进机上的超前探测装置，超前探测装置连接有信号采集放大器，信号采集放大器连接有无线通信电路，无线通信电路通过无线信号与无线基站连接，无线基站连接网关，网关通过工业以太网连接监测主机，所述超前探测装置包括电磁波探测器，电磁波探测器上设有控制器，控制器上分别与设在掘进机悬臂上的倾斜传感器和振动传感器相连接，其中倾斜传感器和振动传感器输出端接入控制器的输入端，控制器的输出端接电磁波探测器的输入端，电磁波探测器的输出端接信号采集放大器的输入端，信号采集放大器的输出端接无线通信电路的输入端，无线基站接收无线通信电路的信号，无线基站的输出信号通过网关和工业以太网与监测主机通讯。\n[0005] 所述电磁波探测器含有电磁波发射电路和电磁波接收电路，电磁波发射电路由与控制器相连接的变频振荡器和相连接的发射天线构成，电磁波接收电路由顺序连接的接收天线、前置放大器和带通滤波器构成，带通滤波器与信号采集放大器相连接；所述的电磁波发射电路中的变频振荡器可以产生250KHz、560 KHz和820KHz三个不同频率的电磁波信号。\n[0006] 一种使用上述系统的掘进灾害超前探测方法，包括如下步骤：\n[0007] a.将由电磁波探测器、信号采集放大器、控制器和无线通信电路构成的超前探测装置固定在掘进机的机身上，将所述倾斜传感器和振动传感器紧密固定在掘进机悬臂上；\n[0008] b．当掘进机开始工作时，倾斜传感器和振动传感器开始采集掘进机悬臂工作时的信息，并将采集到的信息发送到控制器中，控制器根据倾斜传感器和振动传感器采集到的信息判断掘进机是否处于扫底工作后停止掘进工作的时机；\n[0009] c．当掘进机掘扫底工作结束后的短暂休息时间中，电磁波探测器中的电磁波发射电路向掘进前方发射不同频率的电磁波信号，发射的电磁波信号进入前方岩体或者煤层后反射产生的电磁波反射信号被电磁波探测器中电磁波接收电路接收，电磁波反射信号通过顺序连接的信号采集放大器、无线通信电路、无线基站、网关和工业以太网到达监测主机；\n[0010] d．监测主机对所有接收到的电磁波反射信号分别进行波形快速分析，根据预先存储的信号波形与电磁波探测器中的接收电路采集到的电磁波反射信号进行对比，如果发现探测结果的幅度随频率的变化出现异常，则可初步判断掘进前方地质结构发生异常，从而判断掘进机掘进前方是否存在应力积聚、地质结构异常等情况，当监测主机得出前方出现地质灾害情况时会发出预警信息给操作人员。\n[0011] 有益效果，由于采用了上述方案，安装在掘进机上的超前探测装置能够在掘进过程中，利用掘进头向下扫底掘进的间隙时间，实时探测掘进前方岩层或煤岩内部的地质结构，这种探测由于不追求探测深度，变频振荡器可以产生250KHz、560 KHz和820KHz三个不同频率通过发射天线发射出去，实现前方岩层内部不同深度的断面结构的探测扫描，探测的精确度比传统物探方法大大提高，可以及时发现地质灾害的危险性，以采取措施，避免事故的发生。其结构简单，操作使用方便，探测精确度高，可有效避免掘进机在掘进过程中出现的事故，具有广泛的实用性。\n附图说明\n[0012] 图1是本发明的超前探测系统原理结构图。\n[0013] 图2是本发明的超前探测装置的电磁波探测器结构图\n[0014] 图3是本发明的超前探测装置安装在掘进机上的示意图。\n[0015] 图4是本发明的超前探测装置在掘进机上工作的示意图。\n[0016] 图中，1-电磁波探测器；2-信号采集放大器；3-控制器；4-倾斜传感器；5-振动传感器；6-无线通信电路；7-无线基站；8-网关；9-工业以太网；10-监测主机；11-变频振荡器；12-发射天线；13-接收天线；14-前置放大器；15-带通滤波器；16-超前探测装置；\n17-掘进机；18-掘进机悬臂；19-掘进头。\n具体实施方式\n[0017] 如图1所示，本发明的掘进灾害超前探测系统，包括设在掘进机17上的超前探测装置16，超前探测装置16连接有信号采集放大器2，信号采集放大器2连接有无线通信电路6，无线通信电路6通过无线信号与无线基站7连接，无线基站7连接网关8，网关8通过工业以太网9连接监测主机10，如图2所示，所述超前探测装置包括电磁波探测器1，电磁波探测器1含有电磁波发射电路和电磁波接收电路，其中电磁波发射电路由与控制器相连接的变频振荡器11和相连接的发射天线12构成，所述的电磁波发射电路中的变频振荡器\n11可以产生250KHz、560 KHz和820KHz三个不同频率的电磁波信号；电磁波接收电路由顺序连接的接收天线13、前置放大器1和带通滤波器15构成，所述发射天线12和接收天线\n13为环形定向天线；带通滤波器15与信号采集放大器2相连接；电磁波探测器1上设有控制器3，控制器3上分别与设在掘进机悬臂18上的倾斜传感器4和振动传感器5相连接，其中倾斜传感器4和振动传感器5输出端接入控制器3的输入端，控制器3的输出端接电磁波探测器1的输入端，电磁波探测器1的输出端接信号采集放大器2的输入端，信号采集放大器2的输出端接无线通信电路6的输入端，无线基站7接收无线通信电路6的信号，无线基站7的输出信号通过网关8和工业以太网9与监测主机10通讯。\n[0018] 所述的倾斜传感器4型号为MT-90，振动传感器5型号为VT9285，控制器3型号为ATMEGA16，信号采集放大器2型号为JBDT-3，无线通信电路6的型号为RF950，前置放大器\n14的型号为VT120，带通滤波器15的型号为BF32，变频振荡器的型号为AD9620；所述的变频振荡器可以产生250KHz、560 KHz和820KHz三个不同频率的电磁波信号，实现前方岩层内部不同深度的断面结构的探测扫描。\n[0019] 如图3所述，本发明的超前探测装置安装在掘进机17上，由电磁波探测器1、信号采集放大器2、控制器3和无线通信电路6构成的超前探测装置16，固定在掘进机17的机身上，倾斜传感器4和振动传感器5固定在掘进机悬臂18上。\n[0020] 如图4所述，本发明的超前探测装置在掘进机上，当掘进头19向下扫底时，掘进机悬臂18不会阻挡超前探测装置16发出和接收电磁波的信号，超前探测装置开始工作，进行超前探测。\n[0021] 一种运用上述系统的掘进灾害超前探测方法如下：\n[0022] a.将由电磁波探测器1、信号采集放大器2、控制器3和无线通信电路6构成的超前探测装置固定在掘进机17的机身上，将所述倾斜传感器4和振动传感器5紧密固定在掘进机悬臂18上；\n[0023] b．当掘进机17开始工作时，倾斜传感器4和振动传感器5开始采集掘进机悬臂\n18工作时的信息，并将采集到的信息发送到控制器3中，控制器根据倾斜传感器4和振动传感器5采集到的信息判断掘进机17是否处于扫底工作后停止掘进工作的时机；\n[0024] c．当掘进机17扫底工作结束后的短暂休息时间中，电磁波探测器1中的电磁波发射电路向掘进前方发射不同频率的电磁波信号，发射的电磁波信号进入前方岩体或者煤层后反射产生的电磁波反射信号被电磁波探测器1中电磁波接收电路接收，电磁波反射信号通过顺序连接的信号采集放大器、无线通信电路6、无线基站7、网关8和工业以太网9到达监测主机10；\n[0025] d．监测主机10对所有接收到的电磁波反射信号分别进行波形快速分析，根据预先存储的信号波形与电磁波探测器1中的接收电路采集到的电磁波反射信号进行对比，如果发现探测结果的幅度随频率的变化出现异常，则可初步判断掘进前方地质结构发生异常，从而判断掘进机17掘进前方是否存在应力积聚、地质结构异常等情况，当监测主机得出前方出现地质灾害情况时会发出预警信息给操作人员。\n[0026] 工作过程：电磁波探测器1、信号采集放大器2、控制器3和无线通信电路6安装一体，构成超前探测装置16，固定在掘进机17的机身上，倾斜传感器4和振动传感器5固定在掘进机悬臂18上，控制器3根据倾斜传感器4判断掘进机17的掘进头19和掘进机悬臂18不阻挡电磁波探测器1发射的电磁波信号，控制电磁波探测器1工作；根据振动传感器5的信号，判断掘进头19处于掘进休息阶段，然后控制电磁波探测器1向掘进前方发射电磁波波，并接收岩石或煤岩中反射的电磁波波信号，电磁波波反射信号通过信号采集放大器2、无线通信电路6、无线基站7、网关8和工业以太网9到达监测主机10，监测主机10对所有接收到的信号分别进行分析，判断掘进前方是否存在应力积聚、地质结构异常等情况，对矿井或涵洞巷道掘进前方地质灾害例如突水、瓦斯、冲击地压等情况进行预警。