KJ623煤矿用冲击地压地音监测系统技术说明书130312 - 图文

技术说明书

尤洛卡矿业安全工程股份有限公司

KJ623煤矿用冲击地压地音监测系统

技术说明书

尤洛卡矿业安全工程股份有限公司 山东科技大学煤矿灾害监测工程技术研究中心

KJ623煤矿用冲击地压地音监测系统技术说明书

一、概述

在煤矿开采中，煤岩体弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象称为“冲击地压”或“冲击矿压”。采场冲击地压已成为引发煤矿地质灾害的重要因素之一。目前我国煤矿普遍采用动态仪来观测顶板下沉速度，使用压力表测量支柱载荷等方法实现对顶板来压的预测，这些方法实施较方便，但实现连续预测困难较大且繁琐，信息量少。

地音即声发射（ Acoustic Emission，简称AE ）是指煤岩体在受力变形或破坏过程中以弹性波的形式释放应变能的现象。地音信号的多少、大小等指标的变化反映了煤岩体受力情况。通过对煤岩体地音频度和能量的参数的统计分析，了解地音在突出（或冲击地压）前的活动规律及特征，从而可以实现地音监测技术对矿井动力灾害的预测预报。

我国在80年代开始引进了波兰SAK地音监测系统、ARES-5/E监测系统，90年代开始又陆续引进了波兰的微震监测系统。由于成本、服务等因素影响在推广方面受到了限制。我公司生产的KJ623冲击地压地音监测系统于2008年立项研发，采用了先进的DSP处理技术和嵌入式采集分析技术，集成了计算机技术最新应用成果，形成了国内第一套自主知识产权的地音监测系统，其技术性能指标均优于进口同类产品水平。

KJ623冲击地压地音监测系统地音测量方法采用了煤岩体声发射载体传导测量技术，系统结构采用了RS485总线+以太环网结构，传输系统兼容目前现代化矿井的主要通讯形式。KJ623地音监测系统的两级总线结构和分布式处理能力可形成全矿井的地音实时监测系统。

二、地音监测系统应用目的

1）针对冲击地压发生的特点，在部分开采区域实施地音监测。为本矿冲击地压的综合防治提供依据。

2）通过实施地音监测，确定局部应力作用范围和强度，为钻孔卸压提供指导。

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三、地音监测系统主要功能

1）通过监测地音事件参数指标的变化，用以确定监测范围内的煤岩体内部受力破裂过程中所伴随的地音强度和频度，并以图表的形式实时在线显示，超过预警幅度时，报警显示。

2）得出班累计地音事件数、班累计能量、平均能量、与前十班平均能量偏差、频度偏差，并生成报表、打印。

3）得出巷道地音分布云图。 4）得出工作面地音分布云图 5）得出地音事件的危险等级

6）原始地音信号分析，给出同一时刻各通道关联曲线分析图，及加权分析图。 7）经过长期监测后，可以在已有数据的基础上，对下一时段内监测区域危险等级进行预测，从而实现对监测区域的危险性评价和预警。

三、工作原理

冲击地压发生是一个能量渐变到突变的过程，即煤岩体从微小破裂到破坏的过程，因为煤岩体是一种非均质体，其中存在各种微裂隙、孔隙等，以致煤岩体在受外力作用时就会在这些缺陷部位产生应力集中，发生突发性破裂，使积聚在煤岩体中的能量得以释放，且以弹性波的形式向外传播。这就是煤岩体在地应力、瓦斯压力及采掘作用等影响下产生的地音现象。植入煤体中的锚杆作为声波的传导体，将地音信号传导至地音传感器。地音信号的传导如图1所示。

声波 高应力岩层破坏区

巷道 地音传感器 传导锚杆

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图1. 岩层应力作用破坏地音传播示意图

地音信号的多少、大小等指标的变化反映了岩体受力的情况。表征地音的参量包括：分级事件数、总事件数、能率、地音信号的频度等，它们分别反映了地音信号或者地音事件的不同特征。它们表征了煤岩体内部变形或破坏的情况，故通过对地音信号的采集、处理、分析和研究可以推断煤层内部的形态变化。

对某一区域连续进行地音监测，并系统地分析地音事件的频度、能量等一系列地音参量，找出地音活动规律，以此判断煤岩体受力状态和破坏过程，评价煤岩体的稳定性，预测预报冲击地压、煤与瓦斯突出以指导煤矿安全生产。

四、技术特点

1、采用煤岩体声发射载体传导测量技术监测声发射信号； 2、智能数字滤噪技术，可有效去除设备作业产生的噪声干扰； 3、支持测试模式，井下、井上均可直接观察地音事件原始波形图 4、专利结构的地音传感器可直接安装锚杆载体上，安装、拆卸方便 5、现场触发门限、程控增益调整

6、系统采用总线结构，主传输系统兼容电缆、光线、以太环网通讯 7、支持USB存储读取功能

五、系统结构与组成

地音监测系统由井下和井上两大部分组成，结构图见附页。地音监测系统一般安装在主要生产空间，例如回采工作面和掘进工作面。在上下顺槽煤壁打入锚杆，将地音传感器安装在锚杆露出煤体的一端，各传感器通过3通接线盒挂接在485总线上，为施工方便，一般一个工作面上下顺槽各安装一个地音监测分站。

确定井下主要噪声设备，将设备开停传感器安装在设备供电电缆上，并连接信号转换器，信号转换器也挂接在485总线上。

系统采用总线型结构，监测分站通过485总线循测各地音传感器通道以及设备

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开停传感器。将同一工作面的地音监测分站设置不同的分站编号，各个监测分站通过485总线把通信数据上传至接入网关，接入网关通过电口或者光口上传至交换机。

可多个工作面同时安装，每个工作面都需接入网关，将各自工作面的数据上传至以太网。计算机软件统计分析数据，得出结论。

具体井下硬件系统主要包括： 1）GDD矿用本安型地音传感器 2）GDD矿用本安型地音变送器 3）KGT9-E矿用机电设备开停传感器 4）KJ623-Z矿用本安型信号转换器 5）KJ623-F矿用本安型地音监测分站 6）KJJ12矿用本安型网关 7）KJJ12矿用本安型网络交换机

8）KDW660-12B矿用隔爆兼本安型直流稳压电源 9）三通接线盒及通讯电缆等组成。

六、地音传感器的布置与安装

地音传感器是地音监测技术中最重要的部分，地音传感器的性能直接影响地音监测的结果。我公司生产的GDD矿用本安型地音传感器频率范围为300-2000HZ，地音探头灵敏度为65±3 dB (V/m/s)，以锚杆为地音传导体，传感器安装在锚杆上，安装、拆卸简单方便。

地音传感器的安装与布置包括内容有：圈定监测区域与传感器有效接收范围、传感器安装位置、传感器安装结构、传感器安装层位及安装深度等。

根据监测内容（顶板活动、煤层片帮或破裂）的不同，地音传感器的安装位置也应有所不同。系统可用于监测回采工作面，也可用于掘进巷道。

（1）地音传感器可安装在工作面的上下顺槽煤柱中，安装示意图见图2。安

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装个数为每个巷道8-16个。为保证地音监测结果的可靠性，在实际监测中，地音传感器宜布置在据工作面40-100米处，各传感器间距应选择40-50米为宜。随着开采进度的推进，需要移动传感器。我公司的生产地音传感器具有M20的螺纹接口，可直接拧在特制的锚杆上，安装、拆卸简单方便，变更传感器位置时废弃锚杆，取下传感器，在距离工作面最远的那个传感器之后，距离50米左右，重新植入锚杆，将取下的传感器安装在该锚杆上即可，如图中红色虚线所示。

8-16个传感器 顺槽 40-100m 50m 50m … 工作面（2）安装在掘进巷道顶板上。掘进工作面，地音传感器安装在顶板上，传感器的安装如图3所示。每个巷道顶板安装8个传感器。各传感器间间距50米，第一个传感器距离离掘进头50米，随着掘进面的推动，将最后一个传感器挪至第一个传感器之前。

50m 50m … 顺槽 8-16个传感器 图2. 地音传感器安装在工作面上下顺槽煤柱示意图

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锚杆 顶板 8个传感器 8个传感器巷道

工作面实体煤 巷道 图3. 地音传感器掘进巷道安装示意图

对于地音锚杆安装深度问题，综合考虑安装难易，接收效果的好坏及抗干扰能力的强弱，锚杆的安装深度宜在1-2米之间，露出煤层15公分左右。安装时，首先植入锚杆，锚杆与媒体要充分耦合，否则会造成地音信号严重衰减。首先在露出煤层的锚杆端头安装M20的螺母，然后再安装传感器，最后把M20的螺母锁紧。示意图如图4。

1-2米 煤体 螺母 地音传感器 电缆

15公分 图4. 传感器与锚杆安装示意图

七、优势特点

与市场上同类型的产品ARES—5/E比较，我们的产品具有以下优势特点

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我公司KJ623地音监测系统 ARES—5/E地音监测系统 安装在锚杆上，安装拆卸方便 电流传输方式 无 传感器安装方式 安装在锚杆上，安装拆卸方便 传输方式 数字化传输，稳定可靠，抗干扰能力强，可扩展，可兼容性强 井下人机接口 井下分站 1）中文真彩界面 2）按键操作 3）可根据现场情况设置触发阈值门限，程控放大增益 4）可直接观看井下地音原始波形图。 测试模式 支持测试模式，可以直接观看地音信号原始波形，为触发电平、放大倍数的设置提供最直接的依据。 滤噪技术 1）增加设备开停传感器 2）先进的数字滤波技术 3）3种滤噪模式可选：直接丢弃噪声数据、数字滤波器、不滤噪 盘读取 支持U盘读取 软件常规功能 数据统计、数据查询 打印、报表 地音事件数据分1）地音事件的危险等级 析功能 2）巷道地音分布云图。 3）地音事件均方差曲线分析 4）地音事件均值曲线分析 5）地音事件频度分布分析 6）地音信号频谱分析 7）原始地音信号分析，给出同一时刻各通道关联曲线分析图，及加权分析图。 8）工作面地音分布云图 无 由专业人士凭经验手动删除数据库中的噪音数据 无 数据统计、数据查询 打印、报表印 地音事件的危险等级

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八、系统功能

1参数设置。上位机软件与井下分站均可进行参数设置，并且可同步。参数设置包括：工作面编号、分站编号、传感器总数、触发电平、程控增益、时间、滤噪方式、工作模式。上位机软件还包括：循测周期、分站使用状态。

2、地音信号采集。能够采集煤岩体内频率为300-2000Hz的地音事件。当现场有地音事件发生，并且事件的幅度超过设置的触发电平，系统就会自动开启采集，采样频率10KHz，每次采集时间30ms。信号经过变送器放大滤波处理，转换成数字信号，井下分站将采集到的各通道地音数字数据进行处理，将处理结果上传至井上。 3、测试模式。测试模式包括井上测试模式，以及井下测试模式。测试模式为设备安装调试提供方便，并可在井下为用户提供最直观的地音原始波形图显示。 （1）井下测试模式。地音监测分站采用DSP高速处理器，带有真彩液晶显示屏、按键、菜单式选择界面。工作人员在井下分站上设置好参数、工作模式，即可直接观看某个通道的原始地音信号波形图。此功能在初次安装设备时，有利于工作人员能更好地设置触发电平、程控增益等参数。

（2）井上测试模式。井上上位机，通过软件设置好参数，可直接在电脑上观看井下某通道的原始地音信号波形图，并能够对原始曲线进行加权处理，统计分析，该功能有利于工作人员进行数据分析。

4、原始数据U盘读取功能。井下监测分站带有USB接口，支持U盘读取。插入U盘，设置工作模式后，可将地音原始数据直接存入U盘。上位机软件可读取U盘数据，进行数据分析，显示原始曲线，加权曲线，关联信号分析曲线等。

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5、滤噪功能。地音监测最关键的技术之一就是滤噪技术，井下环境复杂，各种施工设备在工作时产生噪声信号，若不去除噪声信号，就无法保证地音信号的真实性。我公司生产的地音监测系统采取以下措施进行滤噪处理：

（1）利用设备开停传感器来监测井下主要施工设备的开停状态。结合设备的开停状态，采区相应的滤噪处理。 （2）监测分站有3中滤噪模式可选

a)数字滤波器。监测分站内嵌数字带通滤波器，对原始信号进行滤噪。数字 滤波器精度高、稳定、灵活。

b)直接丢弃噪声数据。结合开停传感器的开停状态，在设备工作期间所采集到 的数据全部丢弃，只保留设备未工作时的地音数据。

c)不滤噪模式。该模式适合专业人员观测，手动、人工分析数据。现场应用时不 推荐该模式。 .6、上位机软件功能。

（1）在线监测图形显示。设置循测周期，以分钟为单位。在线采集地音监测数据，并同时保存到数据库中。经过一个巡测周期后，刷新各通道通信状态，正常绿色图标，故障为红色图标。各通道具有单独坐标窗口，蓝色柱状图表示地音事件能量，红色柱状图表示地音事件次数。

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图5. 上位机在线监测图形显示界面

（2）能量和脉冲曲线分析。地音历史数据曲线分析可以选择工作面、分站、通道和时间段、均线和均方差线等，也可以选择多分站和多通道。均线分10分钟、1小时和4小时均线，同时也可以关闭均线图形去掉相应得勾选即可；Q代表能量的数学期望值，Q+σ表示一倍方差线，Q+1σ表示两倍方差线，同样也可以勾选掉。所生成的曲线如图6.1.1所示。上边的红色图代表能量，灰色曲线代表脉冲次数。 所生成的曲线如下图：

图6. 上位机能量和脉冲曲线分析界面

（3）原始数据在线监测。实时在线显示某一通道的原始地音波形图，并将原始数

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据保存到数据库中，能够对原始数据进行分析，统计。

图7. 上位机原始数据在线监测界面

（4）历史数据查询。可以选择工作面、分站、通道和时间段等参数，也可以多分站和多通道选择，查询地音数据，形成表格，并可输出到Excle。

图8. 上位机历史数据查询界面

（5）能够统计分析某日或某班的能量总值和脉冲次数值，并确定能量和脉冲危险等级；并且可以对比前十个班次的能量值和脉冲值的偏差。

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图9. 上位机地音综合报表界面

（6）能够统计分析某日能量总值、脉冲次数总值、最大值、最值时间等；并确定能量和脉冲危险等级。

（7）巷道地音分布云图。可以将工作面的某一条巷道或单一掘进巷道按传感器安装位置和监测时间来生成某巷道的地音云图。所生成的地音分布分析云图红色代表高能量区，蓝色代表低能量区。

图10. 上位机巷道地音分布云图界面

（8）地音事件关联性曲线分析。能够生成时间段内的加权曲线和多通道事件的关

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联性曲线，可以剔除单通道的孤立事件。多通道同一时间的事件能够把曲线生成在同一坐标系下或生成多坐标系的图形。可以分析出多通道的地音触发事件的关联关系，根据触发能量的大小和触发道数可以推断出冲击地压危险程度。

图12. 上位机地音事件关联性曲线分析界面

（9）地音能率频度分布分析。可以统计分析采集的地音能率数据，生成统计柱状图。

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图13.上位机地音频度分布分析

（10）工作面地音云图。工作面地音的整体分布情况可以通过云图来形象的展现出来。所生成的地音云图红色代表高能量区，蓝色代表低能量区。所生成的云图按时间段进行了切割，可以进行推演（适合短工作面的分析和长工作面的对比）。

图14. 上位机工作面地音分布云图界面

（11）频谱分析。由于煤矿井下煤岩体声发射事件的主要频率集中在300-2000HZ，为了确定地音信号源，本系统做了声发射数据频谱分析。频谱分析将时域曲线通过信号处理，生成频域曲线。

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图15 上位机地音信号数据频谱分析

（12）数据库管理。为了简化用户对地音数据库的备份、还原和清除等操作添加了数据库处理模块，采用一键式操作。

九、主要技术指标

1、计算机

（1）工作电压：AC.220V，允许偏差（－10%～＋10%）； （2）CPU：酷睿双核；主频2GHz以上； （3）硬盘： 250G以上；

（4）屏幕分辨率：1024*768(SVGA)。

2、系统综合技术指标

（1）系统地音监测分站容量 1—16（监测分站） （2）分站监测点数 8

（3）传输性能（采用光纤专线）

a)矿用本安型地音监测分站通过RS485总线与矿用本安型接入网关连接。 b)矿用本安型接入网关通过光口与井下光纤专线连接。

c)矿用本安型地音监测分站通过RS485总线与矿用本安型地音传感器或矿用本安型信号转换器连接。

3、GDD矿用本安型地音传感器

（1）工作电压：DC 12V （2）工作电流：≤35 mA （3）传输性能：

传输方式：RS485方式传输； 传输速率：38400 bit/s；

通讯信号工作电压峰峰值：2V～10V； （4）绝对误差：0.2J； （5）本安型设计 ExibI

4、KJ623-Z矿用本安型信号转换器

（1）传输方式：RS485方式传输；

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（2）传输速率：38400 bps；

（3）通讯信号工作电压峰峰值：2V～10V；

5、KJ623-F矿用本安型地音监测分站

（1）工作电压：DC 12V （2）工作电流：≤450 mA

（3）监测容量：8个矿用本安型地音传感器和1台矿用本安型信号转换器 （4）与下级矿用本安型地音传感器传输接口：

传输方式：主从式、半双工、RS485； 传输速率：38400 bit/s； （5）与上级接入网关传输接口：

传输方式：半双工、RS485； 传输速率：9600 bit/s；

通讯信号工作电压峰峰值：2V～10V； （6）本安型设计 ExibI

6、KJJ12矿用本安型网关

(1)工作电压：DC 12V (2)工作电流：≤400 mA (3)与井下光纤专线连接 ① 接口方式：SC

② 传输方式：TCP/IP传输协议，波长为1310nm的单模光纤； ③ 传输速率：10/100Mbps自适应； (4）与地音监测分站传输接口 接口方式：RS485口；

传输方式：半双工RS485信号； 传输速率：600-9600bps自适应； 通讯信号工作电压峰峰值：2V～10V； （5）本安型设计 ExbiI 7、KJJ12矿用本安型网络交换机

（1）额定工作电压：U1=DC5V，U2=DC12V，两路供电，相互独立； （2）工作电流：I 1≤1.5A，I 2≤0.3A；

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（3）传输接口

a）千兆光信号接口性能 接口数量：2个

传输方式：全双工TCP/IP传输协议 传输速率：1000Mbps 最大传输距离：10 km b)百兆光信号接口性能 接口数量：1个

传输方式：全双工TCP/IP传输协议 传输速率：100Mbps 最大传输距离：10 km c)以太网电信号接口性能 接口数量：6个

传输方式：全双工TCP/IP传输协议 传输速率：10/100 Mbps自适应 信号工作电压峰峰值：1V-5V 传输距离：100m d)RS485数据接口性能 接口数量：2个

传输方式：主从式、半双工、RS485 传输速率：600-9600bps自适应 信号工作电压峰峰值：2V～10V 传输距离：3km

（4）最大网络重构自愈时间：< 300ms。 （5）设备吞吐量：≥1520Mbps

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局域网 交换机 矿井以太环网 井上部分 井下部分 接入网关 信号转换器 地音变送器 485总线 监测分站 485设备开停传感器 采煤工作面 总线 其他工作面 地音变送器

485总线

监测分站

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