CN112533167A - 一种基于5g通讯的煤岩动力灾害无线监测***与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于5G通讯的煤岩动力灾害无线监测***与方法，该***包括数据采集单元、数据储存与处理单元及综合预警单元，本发明基于5G通信技术借助物联网与原始通讯技术在封闭特殊环境中支持高精度定位和无线接入能力的全新无线数字通信***这一优点，以工作面煤体物理信号为基础，将煤矿井下瓦斯浓度传感器、煤体应力计、顶板压力监测监控***、声发射监测***、电磁辐射监测***、微震***及其传感器与5G通信技术进行无线对接，研制井下无线监测预警相关设备，建立煤岩瓦斯动力灾害无线、多参量判识方法及判识指标，形成煤矿煤岩瓦斯动力灾害无线多参量远程监测预警***，开发煤矿煤岩瓦斯动力灾害无线多参量远程监测综合预警平台。
Description
技术领域
本发明涉及煤岩动力灾害监测领域，特别是涉及一种基于5G通 讯的煤岩动力灾害无线监测***与方法。
背景技术
近年来，我国煤矿煤与瓦斯突出和***事故频发，成为煤矿安全 生产的最大隐患。且随着开采深度的增加，瓦斯涌出量增大，瓦斯事 故的比例还会增加。据统计，在煤矿事故中，由瓦斯引起的工伤事故 约占30％～40％，瓦斯灾害主要表现为瓦斯***和煤与瓦斯突出事故， 尤其是煤与瓦斯突出、冲击地压等事故发生的突然性、破坏性极强， 给煤矿安全生产带来了极为严重的影响，严重制约煤矿的安全生产。
目前，对煤岩瓦斯动力灾害的预警方法主要分为接触式预警方法 和非接触式预警方法，接触式预警方法简单，需要一定的工程量和较 长的预测时间，对煤矿采掘工作具有一定的影响。非接触式预警方法 主要有声发射、电磁辐射法以及神经网络预测方法、灰色理论法、自 然计算法(遗传算法、蚁群算法)、模糊理论法、聚类法、模式识别 法、可拓法等其他方法，该方法具有省时省力、工程量小等特点，不 影响采掘工作的进行。但由于该种方法多采用有线传输的方式，对安 全生产具有一定的影响，且无法对采掘工作面煤岩瓦斯动力灾害进行 实时的预测，对现场生产的作用有限。
如何在进一步揭示煤岩瓦斯动力灾害规律的基础上，运用其规律 和事故原理产生对其超前预防、控制的科学方法，特别是结合我国煤 矿的具体特点，设计一种无线、多参量、大数据、区域与局部相结合 、立体三维全覆盖的煤岩瓦斯动力灾害远程监测分级综合预警平台是 急需解决的问题。
发明内容
本发明基于5G通信技术传输速率高这一优点，以采动影响情况 下工作面煤体物理信号为基础，确定煤岩瓦斯动力灾害判识指标，建 立煤岩瓦斯动力灾害判识方法及预警技术，形成煤矿煤岩瓦斯动力灾 害的监测***，研制、开发井下无线预警相关软件及装备，形成煤岩 瓦斯动力灾害无线多参量远程监测预警技术平台。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于5G通讯的煤岩动力灾害无线监测***，包括：
数据采集装置：用于采集煤矿井下煤体应力值、瓦斯浓度顶板压 力值、声发射能量与振幅、电磁辐射强度与脉冲值、微震区域能量、 震级与事件数，通过5G通信技术上传至数据储存与处理单元中；
数据储存与处理单元：用于将采集到的数值经过整理、耦合分析 对比各参数及相应数值得出预警结果存储于服务器中，并上传至综合 预警单元；
综合预警单元：用于将所述预警结果通过光纤网络发送至移动端、 电脑端、监控大屏幕。
优选地，所述数据采集装置包括若干个无线传感器、监测装置(2) 和无线收发装置；所述无线收发装置包括电源、矿用智能手机主板、 无线收发装置主体(1)；所述无线收发装置主体(1)包括与5G通信技 术对接芯片(3)、信号接收装置导线(11)、信号接收器(4)、信号发射 器(5)；所述信号接收装置导线(11)与若干个无线传感器及监测装置 (2)相连，所述矿用智能手机主板与信号接收器(4)、信号发射器(5) 通过无线信号与5G通信技术对接芯片(3)对接。
优选地，所述若干个无线传感器包括：
煤体应力无线传感器，用于反应工作面煤体应力变化信号；
瓦斯浓度无线监测传感器，用于反应工作面瓦斯涌出浓度变化信 号；
顶板压力无线监测***，用于反应顶板压力变化；
声发射无线监测传感器，用于反映工作面煤岩体破裂声信号变化；
电磁辐射无线监测装置，用于反应工作面煤岩体破裂电辐射变化；
微震无线监测传感器，用于反应工作面煤岩体破裂微震事件变化。
优选地，所述数据储存与处理单元包括：数据存储模块、数据分 析模块；所述数据储存模块根据5G通信技术上传的各项采集的数据 参量，传输至所述数据分析模块的数据库服务器中；所述数据分析模 块调用所述数据储存模块服务器中的各项煤岩瓦斯动力灾害数据进 行数据分析及绘图，对比分析同一段时间内所述各数据参量的变化， 判断是否达到预警条件，并将分析结果上传至所述综合预警单元。
优选地，所述综合预警单元包括：自动预警模块、展示模块、数 据查询模块；所述综合预警单元通过5G通信***与其他部门建立联 系并进行数据交互，当获取预警信息时自动启动所述自动预警模块， 并将预警信息发送至所述展示模块，通过信息网络进行全方位展示； 所述数据查询模块，用于查询各传感器位置及监测值、巷道内情况和 人员位置；所述移动端、电脑端、监控大屏幕构成所述展示模块。
优选地，所述综合预警单元的预警方法包括：超限预警和趋势预 警，根据所述各传感器和***所采集的数据参量，及预设的动力灾害 判断准则，确定数据是否超限，若是，将预警信息上传，发出超限预 警；若否，判断所述采集的数据参量变化趋势是否异常，发出趋势预 警。
一种基于5G通讯的煤岩动力灾害无线监测方法，包括以下步骤：
S1、获取煤矿井下煤体应力值、瓦斯浓度、顶板压力值、声发射 能量与频率、电磁辐射强度与脉冲值、微震区域能量、震级与事件数 据，通过5G通信技术上传至数据库服务器；
S2、分析交叉比对所述步骤S1中的各项参数，依据煤岩瓦斯动 力灾害判识准则和预警的临界指标，判断是否需要上传预警信息；
S3、通过所述综合预警单元接收所述预警信息后，并在手机端、 电脑端、监控大屏幕上显示所述预警信息，发送预警区域位置及现场 实时情况。
本发明的有益效果为：
本发明基于5G通信技术借助物联网与原始通讯技术在封闭特殊 环境中支持高精度定位和无线接入能力的全新无线数字通信***这 一优点，以工作面煤体物理信号为基础，将煤矿井下瓦斯浓度传感器、 煤体应力计、顶板压力监测监控***、声发射监测***、电磁辐射监 测***、微震***及其传感器与5G通信技术进行无线对接，研制井 下无线监测预警相关设备，建立煤岩瓦斯动力灾害无线、多参量判识 方法及判识指标，形成煤矿煤岩瓦斯动力灾害无线多参量远程监测预 警***，开发煤矿煤岩瓦斯动力灾害无线多参量远程监测综合预警平 台。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描 述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来 讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他 的附图。
图1为本发明数据采集装置结构图，其中(1)为无线收发装置主 体，(2)为监测装置，(3)为与5G通信技术对接芯片，(4)为信号接收 器，(5)为信号发射器，(11)为信号接收装置导线；
图2为本发明***结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方 案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普 通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结 合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种基于5G通讯的煤岩动力灾害无线监测***与方法主要由数 据采集单元、数据储存与处理单元、综合预警单元。
所述数据采集装置(如图1所示)包括：若干个无线传感器、监 测装置(2)和无线收发装置；所述无线收发装置包括电源、矿用智能 手机主板、无线收发装置主体(1)；所述无线收发装置主体(1)包括与 5G通信技术对接芯片(3)、信号接收装置导线(11)、信号接收器(4)、 信号发射器(5)；所述信号接收装置导线(11)与若干个无线传感器 及监测装置(2)相连，所述手机主板与信号接收器(4)、信号发射 器(5)通过无线信号与5G通信技术对接芯片对接。
无线传感器包括以工作面煤体应力变化信号为基础的煤体应力 无线传感器、以工作面瓦斯涌出浓度变化信号为基础的瓦斯浓度无线 监测传感器、能反映工作面顶板压力变化为基础的顶板压力无线监测 ***、能反映工作面煤岩体破裂声信号变化为基础的声发射无线监测 传感器、能反映工作面煤岩体破裂电磁辐射变化为基础的电磁辐射无 线监测装置、能反映工作面煤岩体破裂微震事件变化为基础的微震无 线监测传感器。
无线传感器具有节点结构紧凑，体积小巧的优点，节点每个通道 内置有独立的高精度120-1000Ω桥路电阻和放大调理电路，可以方 便地由软件自动切换选择1/4桥，半桥，全桥测量方式，兼容各种类 型的桥路传感器，比如应变，载荷，扭矩，位移，加速度，压力，温度等。节点同时支持2线和3线输入方式，桥路自动配平，也可以存 储在节点内置的2M数据存储器。有效室外通讯距离可达300m。可连 续测量十几个小时。传感器内所有模块采用超低功耗设计，使其维护 周期大大延长。
所述应力无线传感器采用GPD450M传感器，主要用于煤矿巷道顶 板受力监测，采用了高精度应变测量技术，具有应力测量和数据通讯 等功能，此型号传感器性能稳定，具有很强的环境适应能力，可用于 井下含有瓦斯等性气体的危险性场所。
瓦斯浓度无线传感器采用型号为KGJ16B的传感器，此传感器具 有多种标准信号制式输出，联检后能与煤矿安全监测***配套使用。
声发射无线传感器采用PXR系列传感器，灵敏度高达-63dB，窄 带响应，指向性强，稳定性、可靠性、一致性都远优于同类产品。
电磁辐射无线监测装置、微震无线监测传感器皆为无线设备，数 据传送到井下基站，并通过光纤上传至所述数据储存与处理单元。
微震无线监测传感器采用CMOS系列传感器，可稳定测量任何目 标物，且无需变更设定，感测头多达20种以上，可应对所有测量状 况，可实现快达392kHz的高速取样，凭借高速取样实现其稳定性。
所述多参量包括煤矿井下煤体应力值、瓦斯浓度顶板压力值、声 发射能量与频率，电磁辐射强度与脉冲值，微震区域能量、震级与事 件数，将这些煤岩瓦斯动力灾害数据耦合分析，得出煤岩瓦斯动力灾 害监测预警指标变化规律；定量分析煤岩瓦斯动力灾害危险性和指标 的相关性，确定预警的临界指标值，得出煤岩瓦斯动力灾害判识准则； 给出多参量监测预警方法及报警方式。确定井下无线传输与地面有线 监测预警平台的对接技术；建立采掘工作面煤岩瓦斯动力灾害无线远 程监控综合预警平台；开发大数据、多参量监测预警软件***。
所述数据储存与处理单元包括，数据储存模块、数据分析模块； 所述数据储存模块根据5G网络上传的各项煤岩瓦斯动力灾害参量传 输至数据分析模块的数据库服务器中，并将各参量值和分析结果储存， 方便随时调用耦合对比；所述数据分析模块调用数据储存模块服务器 中的各项煤岩瓦斯动力灾害数据进行数据分析及绘图，对比分析同期 及一段时间内各参量的变化，以此判断是否达到预警条件，并将分析 结果上传至综合预警单元。
所述综合预警单元包括，自动预警模块、展示模块、数据查询模 块；所述综合预警单元通过5G通信***与其他部门建立联系并进行 数据交互，一旦获取预警信息自动启动预警模块，将预警信息发送至 移动端、电脑端、监控大屏幕，通过信息网络进行全方位展示；所述 展示模块，包括移动端、电脑端、监控大屏幕，实时呈现各项参量数 值及其巷道内的情况；所述数据查询模块，可查询各传感器位置及监 测值、巷道内情况和人员位置。
本发明基于5G通信技术的宽带无线接入解决方法，借助原始通 讯技术在矿井等封闭特殊环境中构建一种适于施工、布设便捷、支持 高精度定位和无线接入能力的全新无线数字通信***，满足通信、定 位、数据传输的需求，具备完整的无线通信和精确定位能力，定位精 度高，速度快，且无需大型供电及配套设施，且具有部署快速简便、 定位精度高、传输能力强、传感器监控、远程管理与智能维护、可靠 性高等特点。
***的结构如图2所示。
本发明还提供一种基于5G通讯的煤岩动力监测方法，包括以下 步骤：
S1、获取煤矿井下煤体应力值，瓦斯浓度，顶板压力值，声发射 能量与频率，电磁辐射强度与脉冲值，微震区域能量、震级与事件数 等数据，并通过5G通信技术上传至数据库服务器；
S2、分析交叉比对一段时间内上述各项参数，依据煤岩瓦斯动力 灾害判识准则和预警的临界指标，判断是否上传预警信息；
S3、收到预警信息后，同时在手机端、电脑端和监控大屏幕显示 该预警信息，并发送该区域位置及现场实时情况。
本发明基于5G通信技术传输速率高这一优点，以采动影响情况 下工作面煤体物理信号为基础，确定煤岩瓦斯动力灾害判识指标，建 立煤岩瓦斯动力灾害判识方法及预警技术，形成煤矿煤岩瓦斯动力灾 害的监测***，研制、开发井下无线预警相关软件及装备，形成煤岩 瓦斯动力灾害无线多参量远程监测预警技术平台。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本 发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普 通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本 发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于5G通讯的煤岩动力灾害无线监测***，其特征在于，包括：
数据采集装置：用于采集煤矿井下煤体应力值、瓦斯浓度顶板压力值、声发射能量与振幅、电磁辐射强度与脉冲值、微震区域能量、震级与事件数，通过5G通信技术上传至数据储存与处理单元中；
数据储存与处理单元：用于将采集到的数值经过整理、耦合分析对比各参数及相应数值得出预警结果存储于服务器中，并上传至综合预警单元；
综合预警单元：用于将所述预警结果通过光纤网络发送至移动端、电脑端、监控大屏幕。
2.根据权利要求1所述的基于5G通讯的煤岩动力灾害无线监测***，其特征在于，所述数据采集装置包括若干个无线传感器、监测装置(2)和无线收发装置；所述无线收发装置包括电源、矿用智能手机主板、无线收发装置主体(1)；所述无线收发装置主体(1)包括与5G通信技术对接芯片(3)、信号接收装置导线(11)、信号接收器(4)、信号发射器(5)；所述信号接收装置导线(11)与若干个无线传感器及监测装置(2)相连，所述矿用智能手机主板与信号接收器(4)、信号发射器(5)通过无线信号与5G通信技术对接芯片(3)对接。
3.根据权利要求2所述的基于5G通讯的煤岩动力灾害无线监测***，其特征在于，所述若干个无线传感器包括：
煤体应力无线传感器，用于反应工作面煤体应力变化信号；
瓦斯浓度无线监测传感器，用于反应工作面瓦斯涌出浓度变化信号；
顶板压力无线监测***，用于反应顶板压力变化；
声发射无线监测传感器，用于反映工作面煤岩体破裂声信号变化；
电磁辐射无线监测装置，用于反应工作面煤岩体破裂电辐射变化；
微震无线监测传感器，用于反应工作面煤岩体破裂微震事件变化。
4.根据权利要求1所述的基于5G通讯的煤岩动力灾害无线监测***，其特征在于，所述数据储存与处理单元包括：数据存储模块、数据分析模块；所述数据储存模块根据5G通信技术上传的各项采集的数据参量，传输至所述数据分析模块的数据库服务器中；所述数据分析模块调用所述数据储存模块服务器中的各项煤岩瓦斯动力灾害数据进行数据分析及绘图，对比分析同一段时间内所述各数据参量的变化，判断是否达到预警条件，并将分析结果上传至所述综合预警单元。
5.根据权利要求1所述的基于5G通讯的煤岩动力灾害无线监测***，其特征在于，所述综合预警单元包括：自动预警模块、展示模块、数据查询模块；所述综合预警单元通过5G通信***与其他部门建立联系并进行数据交互，当获取预警信息时自动启动所述自动预警模块，并将预警信息发送至所述展示模块，通过信息网络进行全方位展示；所述数据查询模块，用于查询各传感器位置及监测值、巷道内情况和人员位置；所述移动端、电脑端、监控大屏幕构成所述展示模块。
6.根据权利要求1所述的基于5G通讯的煤岩动力灾害无线监测***，其特征在于，所述综合预警单元的预警方法包括：超限预警和趋势预警，根据所述各传感器和***所采集的数据参量，及预设的动力灾害判断准则，确定数据是否超限，若是，将预警信息上传，发出超限预警；若否，判断所述采集的数据参量变化趋势是否异常，发出趋势预警。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于5G通讯的煤岩动力灾害无线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取煤矿井下煤体应力值、瓦斯浓度、顶板压力值、声发射能量与频率、电磁辐射强度与脉冲值、微震区域能量、震级与事件数据，通过5G通信技术上传至数据库服务器；
S2、分析交叉比对所述步骤S1中的各项参数，依据煤岩瓦斯动力灾害判识准则和预警的临界指标，判断是否需要上传预警信息；
S3、通过所述综合预警单元接收所述预警信息，并在手机端、电脑端、监控大屏幕上显示所述预警信息，发送预警区域位置及现场实时情况。
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2020
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