CN105785430A - 一种矿震实时监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿震实时监测系统及方法，属于矿震监测技术领域。包括：40台监测台站、40台大功率户外路由器、无线WiFi中继站/交换机、以太网/中国移动4G网络、数据处理服务器和终端设备；一台监测台站对应连接一台大功率户外路由器，每台大功率户外路由器均通过无线WiFi中继站/交换机和以太网/中国移动4G连接到数据处理服务器的输入端，数据处理服务器的输出端连接终端设备的输入端；终端设备的输出端通过以太网/中国移动4G网络、无线WiFi中继站/交换机、40台大功率户外路由器与40台监测台站的输出端连接。系统具有安装方便，监测范围灵活，定位精度高，监测效果好，成本低的特点，在煤矿动力灾害的监测及预警领域具有广阔的应用前景。

Description

一种矿震实时监测系统及方法

技术领域

本发明属于矿震监测技术领域，具体涉及一种矿震实时监测系统及方法。

背景技术

矿震是指矿井高应力区内煤体、岩体及断层在受外界扰动瞬间失稳破坏时，释放出很大能量而引起的以猛烈震动和爆发式破坏为特征的矿山动力现象。矿震是采矿诱发的矿井地震，是矿井的严重自然灾害，随着采掘强度和深度的加大，开采条件越来越复杂，矿震的发生频率越来越高。因此对矿震的孕育、发展、发生进行监测和预警，为煤矿的安全生产提供依据尤为重要。

在矿震现有的观测手段中，普遍存在着采样频率过低和台站间距较大的问题，不能满足对矿震在时间和空间上的全面监测。矿震是从矿区内煤岩体内部的微破裂(破裂尺度在毫米级，频率在几百赫兹至上千赫兹，甚至更高)开始，并有许多这样的微破裂通过叠加、贯通逐渐形成大尺度、低频率的破裂，从而引起较大震级矿震的发生。由于技术上和实际需求等原因，研究者没有也无法实现对信号的通频带观测。然而相对处于高频段的信号包含十分丰富有用的信息，应该加以更广泛的观测、研究和利用，所以需提高采样频率。而且，现有矿震监测系统单台仪器体积较大，多安装于地下，安装困难且成本过高，不利于大面积高密度的布设，且台站之间是独立的，没有设置远距离网络传输设备和统一管理多台监测台站的终端设备。台站布点间距过大不利于研究者分析信号在相邻测点间的传递关系及衰减规律。因为高频信号在矿区岩体中衰减十分迅速，对于矿区岩体运动产生的高频信号，台站的间距过大问题更为突出。因此，应该更加密集的布设观测台站，以便于获得更加有效的观测数据。而且，现有矿震监测系统大多采用有线网络传输监测到的信号数据，由于大多矿区处于比较偏僻的地方，建设有线网络施工周期长、对周边环境影响大，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。

发明内容

针对现有方法存在的不足，本发明提出一种矿震实时监测系统及方法。

本发明所采用的技术方案是这样实现的：

一种矿震实时监测系统，包括：40台监测台站、40台大功率户外路由器、无线WiFi中继站/交换机、以太网/中国移动4G网络、数据处理服务器和终端设备；一台监测台站对应连接一台大功率户外路由器，每台大功率户外路由器均通过无线WiFi中继站/交换机和以太网/中国移动4G连接到数据处理服务器的输入端，数据处理服务器的输出端连接终端设备的输入端；终端设备的输出端通过以太网/中国移动4G网络、无线WiFi中继站/交换机、40台大功率户外路由器与40台监测台站的输出端连接。

所述40台监测台站按照两监测台站之间2～3公里的距离布置在预定矿震监测区域；

所述监测台站，由记录器、三分量振动速度传感器、电荷传感器和GPS授时系统构成，其中三分量振动速度传感器、电荷传感器和GPS授时系统均各自独立地与记录器相连接。

采用所述的矿震实时监测系统的矿震实时监测方法，包括如下步骤：

步骤1：按2-3km的间距，在预定的矿震监测区域布置40台监测台站；

步骤2：将每一监测台站对应连接一台大功率户外路由器；

步骤3：建立无线WiFi中继站/交换机；

步骤4：将无线WiFi中继站/交换机通过以太网/中国移动4G网络连接到数据处理服务器；

步骤5：将数据处理服务器和终端设备连接；

步骤6：在记录器上，对采集参数进行设置或调整；所述采集参数包括：采样频率、采样通道、数据保存位置、数据存储文件名、GPS授时精度；

步骤7：启动矿震实时监测系统，开始预采集电荷感应、GPS授时和振动波全波形信号，并进行实时显示；

步骤8：根据显示的信号和数据处理服务器的分析结果，判断该矿震实时监测系统是否正常运行，是，则执行步骤9，否，则检查并调试矿震实时监测系统，再次执行步骤7；

步骤9：重新启动该矿震实时监测系统，开始进行矿震实时监测；

步骤10：根据记录器相应的命令，记录存储数据文件和相应的索引文件，并将索引文件传输至数据处理服务器；

步骤11：数据处理服务器通过索引文件绘制Hsusdorff分形维数曲线，观察曲线是否有突变点，如有突变点则视为矿震波初至，表明有矿震事件发生，即检测出矿震事件，数据处理服务器通过索引文件调用该矿震事件所对应的数据文件，进而计算矿震发震时刻、发震地点、持续时间和震级，并最终将结果传至终端设备；如无突变点，则表示无矿震发生，数据处理服务器对下一索引文件进行分析。

本发明的有益效果是：本发明的高密度高频矿震实时监测系统对矿震信号可实现高性能实时性强的320(40*8＝320)通道同步(因为每台监测台站中的记录器都连接着GPS授时系统，GPS授时系统使各监测台站的记录器时间取得一致，因此各监测台站通过时间对齐实现同步采集)采集，可做到智能识别和提取。终端设备可实现远程控制监测台站，控制记录器的采样频率、需传输的数据等。每个监测台站可由太阳能电池供电，且授时和测量同步进行，时间精度可以达到10μs,定位精度可以达到5-10m。监测台站设备轻巧易携带，监测台站中的记录器只需放置地面即可，监测台站中的传感器放于平整地面用胶固定或埋于1.5-2米深地下即可，因此可快速安装于矿区构造带的重要部位，适用于高频构造微震活动信号的观测记录，控制范围100-225km²。因此，本发明的矿震实时监测系统具有安装方便，监测范围灵活，定位精度高，监测效果好，成本低的特点，在煤矿动力灾害的监测及预警领域具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明一种实施方式矿震实时监测系统的结构示意图；

图2为本发明一种实施方式监测台站的结构示意图；

图3为本发明一种实施方式电荷传感器电路原理图；

图4为本发明一种实施方式记录器结构示意图；

图5为本发明一种实施方式预设矿震监测区域上监测台站分布示意图；

图6为本发明一种实施方式处理器工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本实施方式的矿震实时监测系统，如图1所示，包括：40台监测台站、40台大功率户外路由器、无线WiFi中继站或交换机、以太网或中国移动4G网络、数据处理服务器和终端设备；一台监测台站对应连接一台大功率户外路由器，每台大功率户外路由器均通过无线WiFi中继站或交换机和以太网或中国移动4G连接到数据处理服务器的输入端，数据处理服务器的输出端连接终端设备的输入端；终端设备的输出端通过以太网或中国移动4G网络、无线WiFi中继站或交换机、40台大功率户外路由器与40台监测台站的输出端连接。

本实施方式的监测台站，如图2所示，由记录器、三分量振动速度传感器、电荷传感器和GPS授时系统构成。所述三分量振动速度传感器、电荷传感器和GPS授时系统均各自独立地与记录器相连接。所述三分量振动速度传感器用于检测矿震监测点的振动信号。所述电荷传感器用于检测矿区煤岩破裂产生的电荷信号，即检测矿震监测点的电场变化。所述GPS授时系统能实现自动对时和监测台站的卫星定位。所述记录器用于从三分量振动速度传感器、电荷传感器和GPS授时系统采集、记录与存储矿震监测点的振动信号、电荷信号和GPS授时信号与监测台站的地球坐标数据，并通过由大功率户外路由器、无线WiFi中继站或交换机、以太网或中国移动4G网络构成的无线传输网络把数据传输到数据处理服务器；所述数据处理服务器采用基于分形理论的矿震波初至识别方法，绘制hausdorff分形维数曲线，通过识别分形维数曲线的突变点，判断矿震波信号初至时刻，进而识别矿震信号，计算出矿震的发震时刻、发震地点、持续时间和震级，且数据处理服务器把计算结果实时传输到终端设备进行显示。终端设备通过由以太网或中国移动4G网络、无线WiFi中继站或交换机和大功率户外路由器构成的数据传输网络可远程控制监测台站中记录器的采样频率、需传输的数据等。

本发明的矿震实时监测系统中监测台站的个数，可以按照两监测台站之间2～3公里(由于需要监测震级大于-1级的矿震信号，监测台站可以接收到距离监测台站5km远的-1级的矿震信号，如果距离过远，矿震信号传播到监测台站后信号非常弱，监测台站分辨不出该信号。也就是仪器的监测范围，要检测到最小-1级的矿震信号，该矿震信号距离监测台站不能超过5km。因此，为了提高矿震定位精度和提高信号的信噪比，两相邻监测台站之间的距离设为2-3Km)的距离，根据所需矿震监测面积的大小确定监测台站个数，一般情况下矿震实时监测系统中监测台站的个数至少为5台。对于本实施方式的40台监测台站，其中1-3个台站布置在煤矿开采面正上方，可随开采面移动，控制范围100-225km²。如果是5台监测台站，其中4台监测台站直接固定布置在采煤工作面周围，其中1台固定布置在采煤工作面正上方，控制范围4-9km²(5台监测台站控制范围仅能监测1-2个采煤工作面，40台监测台站控制范围才能达到100-225km²)。前述控制范围指由监测台站构成的监测台网可监测矿震的范围，也就是监测台网能接收到该范围内的矿震信号。

本实施方式的监测台站设备轻巧易携带，监测台站中的记录器只需放置地面即可，监测台站中的传感器放于平整地面用胶固定或埋于1.5-2米深地下即可，因此可快速安装于矿区构造带的重要部位，适用于高频构造微震活动信号的观测记录。每台监测台站接收到的信号数据(包括三分量振动信号、电荷信号和GPS授时信号)通过对应的大功率户外路由器向无线WiFi中继站或交换机发送，无线WiFi中继站或交换机接收到数据后再通过以太网或中国移动4G网络传输到数据处理服务器；数据处理服务器采用基于分形理论的矿震波初至识别方法，绘制hausdorff分形维数曲线，通过识别分形维数曲线的突变点，判断矿震波信号初至时刻，而达到自动识别矿震信号，自动计算矿震的发震时刻、发震地点、持续时间、震级的目的，实现矿震发生的预测。数据处理服务器再把分析结果实时传输到终端设备以显示矿震的发震时刻、发震地点、持续时间和震级等。

本实施方式的三分量振动速度传感器采用的是北京闪石科技有限公司的型号为Antenna-VSS的三分量振动速度传感器，可检测东西、南北、垂直三个方向的振动信号，它是由1个PS-10B(垂向)与2个PSH-10B(水平向)速度传感器组装而成。本实施方式的三分量振动传感器对于频率在10Hz至1.4kHz内的震动信号能够平坦响应。这种速度传感器稳定性好，精确度高，信号采集丰富，采用旋转式线圈结构，双线圈结构提高了抗共模干扰能力，线圈可在360°内自由旋转，有效清除面波干扰，因而该速度传感器信噪比高，相位差小，具有较高的动态分辨率，温度适应性强。

本实施方式采用的电荷传感器是由电荷探头和前置放大电路构成，其中前置放大电路采用的是中国专利ZL200810013033.4中给出的前置放大电路，如图3所示，记载在该专利的说明书第3页的第一段中，即前置放大电路包括AD8066型运算放大器U1A和U1B，电解电容C24、C25、C36～C38、电容C26～C35和电阻R18～R27；U1A的1脚接R20、C28、C31一端，2脚接C30一端和C28、R20的另一端，3脚接地，4脚接负电源、C35一端和C37的负极，8脚接正电源、C34一端和C38的正极，C34、C35另一端、C38的负极和C37的正极相接并接地；IN接C29、R19一端和C30的另一端，C29另一端接R21一端，R21另一端接地，R19另一端接C25正极、C27、R18一端，R18另一端接C24正极、C26一端和HV电源，C25、C24负极和C27、C26另一端相接并接地；U1B的4脚接负电源，5脚接R25、R27一端和C36正极，6脚接R25另一端、R24、R26和C33一端，7脚接R26、C33另一端和OUT，8脚接正电源，R24另一端接C32、R23一端，R23另一端接R22一端和C31另一端，R22、R27、C32另一端和C36负极相接并接地。电荷探头用屏蔽线直接连接到前置放大电路的输入端IN端。电荷探头材料为软磁合金材料，对电荷(电场)有较高的灵敏度，电荷探头形状为圆形，直径有10mm、20mm、30mm三种。本实施方式采用铜皮对前置放大电路的电路板进行包装屏蔽，可最大限度的限制外界电磁信号对电路的干扰，包装后的前置放大电路形状为圆柱形，尺寸为Φ30×100mm。

GPS授时系统可确定监测台站数据采样时间与监测台站的地球坐标，其占用记录器一个采集通道。本实施方式的GPS授时系统采用的是武汉征原电气有限公司生产的型号为GPS-G503的GPS授时系统。记录器利用其外部端口读取GPS授时系统的PPS(PulsePerSecond，每秒脉冲数)信号，与振动信号和电荷信号同步采集，授时精度达10μs，以保证记录器10kHz的采样精度。

本实施方式的记录器采用的是北京闪石科技有限公司的型号为Antenna-III的高频矿震仪，它由第一前置放大器、第二前置放大器、模数转换单元、数据存储单元、控制单元、显示器、硬盘、USB模块、WiFi接口和供电模块组成，如图4所示。其中，第一前置放大器和第二前置放大器的输入端均连接三分量振动速度传感器的输出端，第一前置放大器和第二前置放大器的输出端均连接模数转换单元的输入端，所述第一前置放大器和第二前置放大器用于分路放大三分量振动速度信号，并将信号传送至模数转换单元，进行A/D转换。其中，第一前置放大器可使信号增益1/2倍，第二前置放大器可使信号增益8倍，故可使监测到的矿震信号(矿震信号就是三分量振动传感器接收的振动信号中的一部分，即矿震发生那段时间的振动信号)动态范围扩大16倍。电荷传感器和GPS授时系统的输出端也连接到模数转换单元的输入端，模数转换单元的输出端连接数据缓存单元的输入端，数据缓存单元的输出端同时连接显示器和硬盘的输入端，硬盘的输出端连接USB模块的输入端，USB模块的输出端连接WiFi接口，WiFi接口连接大功率户外路由器；控制单元同时与模数转换单元、数据缓存单元、硬盘、USB模块和WiFi接口连接，用于发送相应的指示给模数转换单元、数据缓存单元、显示器、硬盘、USB模块、WiFi接口；供电模块用于为模数转换单元、数据缓存单元、显示器、硬盘、USB模块和WiFi接口提供电压和电流。

所述模数转换单元用于在供电模块的电压支持下，根据所述控制单元的指示信号，接收所述电荷传感器发送的电荷信号、GPS授时系统授时信号及经前置放大器1和2增益后的振动信号，并进行模数转换，将产生的数字信号发送给数据缓存单元。所述数据缓存单元，用于在供电模块的电压支持下，根据所述控制单元的指示信号，临时存储所述模数转换单元发送的数字信号，并将缓存的数字信号发送给显示器和硬盘；所述显示器，用于在供电模块电压支持下，接收所述数据缓存单元的数字信号，并显示各个通道的图像；所述硬盘，用于在供电模块的电压支持下，根据所述控制单元的指示信号，存储所述数据缓存单元发送的全部数字信号，并将数字信号经USB模块传至WiFi接口；所述USB模块，用于在供电模块的电压支持下，根据所述控制单元的指示信号，传输硬盘与WiFi接口之间的数据交换及命令交换；所述WiFi接口，用于在供电模块的电压支持下，根据所述控制单元的指示信号，将数字信号传输至大功率户外路由器；

本实施方式的记录器有8个采样通道：三分量振动速度传感器占用6通道，电荷传感器和GPS授时系统均占用1通道。三分量振动传感器和电荷传感器可距记录器200米(传感器输出的信号通过传输线传输到记录器，在200米内信号衰减在认可的范围内)内安装。本实施方式的记录器通过第一前置放大器和第二前置放大器对三分量振动速度信号进行分路增益放大后，再将信号转送至传至模数转换单元同步采集。该记录器可连续采集信号，每采样通道采样频率最高可达10kHz，因为采样频率较高，要占用较大的存储空间，需较大的传输速度，因此大多数仪器都采用采集信号的某些特征值，或者采用触发的模式，设定某个阈值，当信号大于该阈值时采集，小于时就不采集。因此有可能漏掉一些有用的信号或者信号的一些特征。所以本发明连续采集信号，以更好的分析采集到信号的信息。此外，记录器几何尺寸为237mm×100mm×158mm，重量仅为4043g，体积小，重量轻，便于携带和安装，供电模式多样化，亦可采用太阳能供电，可适应于各种安装环境。

本实施方式的记录器采用了高频数据采集与同步段索引压缩技术，实现了高速检索、高精度数据分段快速上传，在后处理时可高效率浏览数据、统计整体参数、筛分有效数据。

每个记录文件组(每个记录器存储的矿震信号数据文件)由两个文件组成：一个文件存储全部的数据，简称为数据文件；另外一个是对数据文件的实时简化索引数据，简称为索引文件。两个文件在采样过程中并行同步存储数据。索引文件中的所有信息都可以从数据文件中重新索引获得。每次启动记录(包括系统重启，用户停止采样存盘再重开启)都自动建立对应的新文件目录，没有中断则后续文件保持存储于该目录下。

两个文件均采用块存储结构，即以数据块为基本的存储单位，数据块逐个累加形成数据文件。数据块基本结构由两个部分组成，块头与数据体。块头描述数据的相关信息，数据体存储基本数据。

另外，为了精确对时，各个采集单元(每个记录器共8通道，每通道称1采集单元)独立同步记录GPS授时数据与控制单元的微秒时钟。该文件采取简单的行记录方式，每次对时增加一行记录。每个目录下一个GPS文件，其包括数据文件、索引文件和GPS对时文件三种文件。这三种文件单位时间产生的数据量分别如下：

数据文件单位时间产生的数据量为：10K(采样点/秒)×8(通道)×2(Byte)×3600＝576000Kbyte约576MByte/小时；

索引文件单位时间产生的数据量为：8(通道)×4(Byte)×【1(方差)+1(均值)+1(最大)+1(最小)+1(起始指针)+1(结束指针)】×7200(0.5秒一条记录)＝1382400Bytes约1.4MByte/小时；

GPS对时文件单位时间产生的数据量为：60Byte(现有记录条目长度)×144(10分钟间隔，每天对时次数)……365(1年)＝3153600Byte约3.2MByte/年；

数据文件、索引文件、GPS授时文件保存在记录器的硬盘中。数据上传时仅上传索引文件，数据处理服务器首先对接收到的索引文件调用的数据进行分析，采用基于分形理论的矿震初至震相识别方法自动识别矿震信号，如果是矿震信号，就可以直接调用索引文件对应的数据文件了。

本实施方式的大功率户外路由器采用的是comfastCF-WA700大功率无线穿墙户外AP室外WIFI覆盖路由器。

本实施方式的数据处理服务器采用的是产品型号为ZI21S4-10898HV、处理器型号为XeonE5-2680V2的双路十核机架式服务器。

本发明的终端设备采用I5以上的普通计算机即可。

采用本实施方式的矿震实时监测系统的方法，包括如下具体步骤：

步骤1：按2-3km的监测台站间距，在预定的矿震监测区域布置40台监测台站，如图5所示；

步骤2：将每一监测台站对应连接一台大功率户外路由器；

步骤3：建立无线WiFi中继站或交换机；

所述无线WiFi中继站或交换机与大功率无线路由器组成高速局域无线网络数据传输系统，用于传输监测台站监测到的数据信号；

步骤4：将无线WiFi中继站或交换机通过以太网或中国移动4G网络连接到数据处理服务器；

步骤5：将数据处理服务器和终端设备连接；

步骤6：在记录器上，对采集参数进行设置或调整；所述采集参数包括：采样频率、采样通道、数据保存位置、数据存储文件名、GPS授时精度；

步骤7：启动矿震实时监测系统，开始预采集电荷感应、GPS授时和振动波全波形信号，并在记录器中的显示器上进行实时显示；

步骤8：根据显示器显示的信号和数据处理服务器的分析结果，判断该矿震实时监测系统是否正常运行，是，则执行步骤9，否，则检查并调试矿震实时监测系统，再次执行步骤7；

步骤9：重新启动该矿震实时监测系统，开始进行矿震实时监测；

步骤10：根据记录器相应的命令，记录存储数据文件和相应的索引文件，并通过高速局域无线网络数据传输系统将索引文件传输至数据处理服务器；

步骤11：如图6所示，数据处理服务器通过索引文件绘制Hsusdorff分形维数曲线，观察曲线是否有突变点，如有突变点则视为矿震波初至，表明有矿震事件发生，即检测出矿震事件，数据处理服务器通过索引文件调用该矿震事件所对应的数据文件，进而计算矿震发震时刻、发震地点、持续时间和震级，并最终将结果传至终端设备；如无突变点，则表示无矿震发生，数据处理服务器对下一索引文件进行分析。

Claims (2)

1.一种矿震实时监测系统，其特征在于：该系统包括：40台监测台站、40台大功率户外路由器、无线WiFi中继站/交换机、以太网/中国移动4G网络、数据处理服务器和终端设备；一台监测台站对应连接一台大功率户外路由器，每台大功率户外路由器均通过无线WiFi中继站/交换机和以太网/中国移动4G连接到数据处理服务器的输入端，数据处理服务器的输出端连接终端设备的输入端；终端设备的输出端通过以太网/中国移动4G网络、无线WiFi中继站/交换机、40台大功率户外路由器与40台监测台站的输出端连接；

所述40台监测台站按照两监测台站之间2～3公里的距离布置在预定矿震监测区域；

所述监测台站，由记录器、三分量振动速度传感器、电荷传感器和GPS授时系统构成，其中三分量振动速度传感器、电荷传感器和GPS授时系统均各自独立地与记录器相连接。

2.采用权利要求1所述的矿震实时监测系统的矿震实时监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：按2-3km的间距，在预定的矿震监测区域布置40台监测台站；

步骤2：将每一监测台站对应连接一台大功率户外路由器；

步骤3：建立无线WiFi中继站/交换机；

步骤4：将无线WiFi中继站/交换机通过以太网/中国移动4G网络连接到数据处理服务器；

步骤5：将数据处理服务器和终端设备连接；

步骤6：在记录器上，对采集参数进行设置或调整；所述采集参数包括：采样频率、采样通道、数据保存位置、数据存储文件名、GPS授时精度；

步骤7：启动矿震实时监测系统，开始预采集电荷感应、GPS授时和振动波全波形信号，并进行实时显示；

步骤8：根据显示的信号和数据处理服务器的分析结果，判断该矿震实时监测系统是否正常运行，是，则执行步骤9，否，则检查并调试矿震实时监测系统，再次执行步骤7；

步骤9：重新启动该矿震实时监测系统，开始进行矿震实时监测；

步骤10：根据记录器相应的命令，记录存储数据文件和相应的索引文件，并将索引文件传输至数据处理服务器；

步骤11：数据处理服务器通过索引文件绘制Hsusdorff分形维数曲线，观察曲线是否有突变点，如有突变点则视为矿震波初至，表明有矿震事件发生，即检测出矿震事件，数据处理服务器通过索引文件调用该矿震事件所对应的数据文件，进而计算矿震发震时刻、发震地点、持续时间和震级，并最终将结果传至终端设备；如无突变点，则表示无矿震发生，数据处理服务器对下一索引文件进行分析。