专利名称：远程控制矿井掘进工作面超前探测预报的系统及方法
技术领域：
本发明涉及远程控制的方法和装置，具体涉及远程控制矿井掘进工作面超前探测 预报的系统及方法。
背景技术：
在矿井工作面开拓掘进过程中，掘进前方的软分层、断层、陷落柱等不良地质体是 诱发煤瓦斯、水等突出灾害的重要地质因素，矿井地质超前探测与预报技术是矿井“有掘必 探、先探后掘”的一种重要地球物理勘探手段，矿井超前预报的主要任务是查明掘进工作面 前方及周围的断层、破碎带、陷落柱、采空区等隐伏地质构造或不良地质体的分布位置及其 富水情况，提前采取相应的安全措施，保障工作面开拓掘进的施工安全。在矿井工作面开拓掘进过程中的现有地质超前预报方法主要有地质分析法、钻探 法、巷探法和矿井地球物理方法等。地质分析法预报范围很有限，特别是在巷道地质构造比 较复杂的情况下，地质描述法预报的难度较大，准确性也较差。巷探法施工周期长，成本高。 钻探法一次钻探距离有限，且成本较高、施工时间较长。矿井地球物理方法中，用于矿井掘进工作面的超前探测方法主要有地质雷达、直 流电法法、瑞雷波勘探和地震反射波法。其中地质雷达、直流电法法、瑞雷波勘探方法都属 于超前30 60米的中短距离的超前探测技术方法，这些方法最主要的问题是预测预报距 离的不足；其次是探测信息量较少，对不良地质条件的判读缺乏明确的指标，更多的是依赖 于经验；第三是不良地质对象的定位精确度不高，特别是对于与巷道走向近乎平行的断裂 带、饱水带等。这些问题和缺陷主要是由于观测条件的限制、观测方式过于简单而采集的信 息量不足，且资料分析处理方法比较粗糙等造成探测精度不高。目前，已经不能满足矿井的 规模化和高产高效的要求。地震反射波法自20世纪90年代以来，在我国国内隧道工程中作为一种主要的超 前探测技术取得了诸多成功应用的探测实例。目前国内外超前探测中应用较为广泛的主要 有TSP法、负视速度法、HSP法、TRT法、ISIS系统等反射波探测方法，这些探测方法针对隧 道工程设计，没有远程控制功能，主要采用多炮激发震源，不适合煤矿工程，更不适合于突 出矿井。根据《煤矿安全规程》，突出煤层中爆破时必须采用远距离爆破，操作人员必须撤离 到进风侧反向风门之外的全风压通风的新鲜风流中或避难硐室内安全地点起爆，爆破后进 入工作面的时间不得小于30min。据此，煤矿井下的地震反射波法如采用锤击震源，则能量 小，不能实现长距离超前探测的需要，同时受巷道开掘松动圈的影响，数量一致性较差，影 响探测效果。而如果采取多炮激发的形式，则两炮之间的间隔时间长，这不仅对便携式矿井 仪器工作时间是一个严峻的挑战，也不能满足矿井高产高效的需要。

发明内容
本发明所要解决的技术问题之一在于提供一种远程控制矿井掘进工作面超前探 测预报系统。
本发明所要解决的技术问题之二在于提供一种远程控制矿井掘进工作面超前探 测预报的方法。为了解决上述技术问题之一，根据本发明的技术方案，远程控制矿井掘进工作面 超前探测预报系统，包括远程控制系统、发炮器、爆破激发系、爆破接收系、防爆地质超前探 测仪主机，其中，所述远程控制系统控制防爆地质超前探测仪主机采集爆破接收系的数据，同时控 制防爆地质超前探测仪主机对采集到的数据进行存储、处理、上传和显示，远程控制系统还 接收防爆超前地质探测仪主机上传的采集到的数据，并将数据分析和显示；爆破接收系通过电缆与防爆地质超前探测仪主机连接，爆破接收系将机械振动信 号转换成电子信号发送给防爆地质超前探测仪主机；防爆地质超前探测仪主机采集爆破接收系的数据，并对采集到的数据进行存储、 处理和显示，当数据采集完成后将数据通过电缆上传到远程控制系统；其特点是所述远程控制系统包括防爆计算机、远程控制器主机、远程控制器从 机；所述防爆计算机与远程控制器主机连接进行双工通信；所述远程控制器主机通过电缆 与远程控制器从机进行点对点连接；远程控制器从机与防爆地质超前探测仪主机连接进行 双工通信；所述远程控制矿井掘进工作面超前探测预报系统还包括同步信号检测盒；所述发炮器的输出端连接同步信号检测盒，发炮器通过同步信号检测盒向爆破激 发系输出激发信号；所述爆破激发系的输入端通过同步信号检测盒连接发炮器，爆破激发系通过同步 信号检测盒接收发炮器发出的激发信号后激发；同步信号检测盒的输入端连接发炮器，同步信号检测盒的一个输出端连接防爆地 质超前探测仪主机，另一个输出端连接爆破激发系，同步信号检测盒的作用主要是启动同 步采样，当防爆地质超前探测仪主机的采样程序启动后，防爆地质超前探测仪主机对同步 信号检测盒供电，同步信号检测盒在线检测爆破激发系的激发状态，激发瞬间，同步信号检 测盒检测到激发信号并输出给防爆地质超前探测仪主机，触发防爆地质超前探测仪主机同 步采样，实现激发与采样的精确同步。所述防爆计算机的作用是通过远程控制器主机、通信双绞线和远程控制器从机， 实时控制防爆地质超前探测仪主机采集传感器的数据，同时控制防爆地质超前探测仪主机 对采集到的数据进行存储、处理、上传和显示，防爆计算机还接收防爆超前地质探测仪主机 上传的采集到的数据，并将数据显示。远程控制器主机和远程控制器从机的主要作用是实现G. SHDSL信号的调制解调 以及传输协议的转换，远程控制器主机接收防爆计算机输出的控制信号并将控制信号调制 解调后通过通信双绞线输出到远程控制器从机，远程控制器从机将控制信号输出到防爆地 质超前探测仪主机；同时远程控制器从机接收防爆地质超前探测仪主机上传的采集到的数 据，并将数据调制解调后通过通信双绞线输出到远程控制器主机，远程控制器主机将数据 上传到防爆计算机。本发明基于G. SHDSL技术，传输距离长、带宽高、通信稳定、通过防爆计算机101远 程控制超前探测仪主机2进行数据采集、处理、上传和显示，使得井下爆破时操作人员能够撤离到安全区域以外的远离，避免操作人员受到伤害，实现了 1000米外进行放炮激发和数 据采集的远程控制操作，适合我国煤矿采掘布置的实际情况，符合《煤矿安全规程》的要求。根据本发明所述的远程控制矿井掘进工作面超前探测预报系统的一种优选方案， 所述远程控制器主机由第二电源管理模块、交换电路、接口电路、第二中央处理器和以太网 接口电路组成；所述的第二电源管理模块为第二中央处理器、接口电路、以太网接口电路和交换 电路提供电源；所述远程控制器主机的接口电路通过电缆与远程控制器从机进行点对点连接；
第二中央处理器分别与接口电路、以太网接口电路连接，信号均为双向传输；以太网接口电路与所述防爆计算机连接。根据本发明所述的远程控制矿井掘进工作面超前探测预报系统的一种优选方案， 所述防爆地质超前探测仪主机由电源管理模块、以太网接口电路模块、中央处理器、数据采 集模块、显示电路、A/D转换电路组成；其中，电源管理模块为以太网接口电路模块、中央处理器、数据采集模块、显示电 路、A/D转换电路提供电源；以太网接口电路模块与远程控制器从机连接进行双工通信；所述数据采集模块的一端与A/D转换电路连接，接收A/D转换电路输出的数字 信号；数据采集模块的另一端与同步信号检测盒连接，接收同步信号检测盒输出的激发信 号；中央处理器分别与数据采集模块、以太网接口电路模块、显示电路连接，信号均为 双向传输；中央处理器通过以太网接口电路模块、远程控制器从机以及远程控制器主机接 收防爆计算机的控制信号，对数据采集模块进行采样控制，中央处理器控制显示电路显示 处理后的采样数据；同时在采样完成后，中央处理器将存在数据采集模块中的数据进行处 理，并将处理后的数据通过以太网接口电路模块、远程控制器从机以及远程控制器主机上 传到防爆计算机；显示电路的输入端与中央处理器连接，显示处理后的采样数据；A/D转换电路的一端与爆破接收系连接，A/D转换电路的另一端与数据采集模块 连接，A/D转换电路将爆破接收系输出的模拟信号经过处理以及A/D转换后，输出到数据采 集模块。根据本发明所述的远程控制矿井掘进工作面超前探测预报系统的一种优选方案， 所述数据采集模块包括触发电路、采集控制单元、采集数据输入单元、采集数据存储单元、 CPU接口电路；所述触发电路的一端与采集控制单元连接，触发电路的另一端与同步信号检测盒 连接，所述触发电路受同步信号检测盒的控制产生开始采集的同步信号输入到采集控制单 元，保证了所有通道数据采样的同步，使所有通道可以同时采集数据；采集控制单元还分别与采集数据输入单元、采集数据存储单元、CPU接口电路连 接，信号为双向传输，采集控制单元通过CPU接口电路接收中央处理器输出的控制信号，每 采集完成一个点后，自动产生A/D转换电路所需要的穿行数据读取信号，通过采集数据输 入单元输出到A/D转换电路，同时采集控制单元通过采集数据输入单元接收A/D转换电路输出的数字信号，并将A/D转换电路输出的数字信号转存到采集数据存储单元；当预设采 样点全部采集完成后，采集控制单元将存储在采集数据存储单元里的数据通过CPU接口电 路输出到中央处理器；所述采集数据输入单元的一端与A/D转换电路连接，采集数据输入单元的另一端与采集控制单元连接，采集数据输入单元提供信号输出的通道和采集数据输入的通道；所述采集数据存储单元为采集数据临时存储器，当预设采样点全部采集完成后， 中央处理器将存储在采集数据存储单元里的数据读出进行分析和处理；所述CPU接口电路使中央处理器通过CPU接口电路对采集控制单元进行管理。根据本发明所述的远程控制矿井掘进工作面超前探测预报系统的一种优选方案， 所述触发电路包括电阻R8、R9、Rl 1、R12、R7、R6、R10、光电耦合器，其中，电阻R8、R9、Rl 1、 Rl2构成电桥。为了解决上述技术问题之二，根据本发明的技术方案，远程控制矿井掘进工作面 超前探测预报的方法，其特征在于按如下步骤进行第一步在巷道掘进头40-80米范围内，设置爆破激发系和爆破接收系；并且爆破 激发系和爆破接收系分别埋入设置在地下的孔中；第二步在距巷道掘进头1000米外的安全风门外设置防爆计算机和远程控制器 主机，将防爆计算机与远程控制器主机相连；在防爆计算机和远程控制器主机的附近设置 发炮器；第三步在距离爆破接收系几十到200米范围内设置防爆地质超前探测仪主机， 在防爆地质超前探测仪主机的附近设置同步信号检测盒和远程控制器从机，将远程控制器 主机通过电缆与远程控制器从机连接，再将远程控制器从机与防爆地质超前探测仪主机相 连；并将爆破接收系用电缆与防爆地质超前探测仪主机相连；将发炮器的输出端连接同步 信号检测盒的输入端，再将同步信号检测盒的输出端分别与防爆地质超前探测仪主机和爆 破激发系连接；第四步打开防爆地质超前探测仪主机、防爆计算机、远程控制器主机和远程控制 器从机的电源；第五步在防爆计算机、远程控制器主机、远程控制器从机、防爆地质超前探测仪 主机之间建立通讯，并对系统自检；第六步在防爆计算机中建立项目；第七步在防爆计算机中输入工作面信息、接收点信息以及设置采样参数；第八步当防爆地质超前探测仪主机的采样程序启动后，防爆地质超前探测仪主 机对同步信号检测盒供电，同步信号检测盒在线检测爆破激发系的激发状态，启动发炮器 发出激发信号，爆破激发系通过同步信号检测盒接收发炮器发出的激发信号后激发；激发 瞬间，同步信号检测盒检测到激发信号并输出给防爆地质超前探测仪主机，触发防爆地质 超前探测仪主机同步采样，爆破接收系将机械振动信号转换成电子信号发送给防爆地质超 前探测仪主机；第八步防爆地质超前探测仪主机对采集到的数据进行存储、处理和显示，当数据 采集完成后将数据通过远程控制器从机以及远程控制器主机上传到防爆计算机；第九步在防爆计算机中设置炮点空间信息包括距离，深度，高度，方位角，倾角，装药量；第十步防爆计算机对数据进行分析并显示。根据本发明所述的远程控制矿井掘进工作面超前探测预报方法的一种优选方案， 所述爆破激发系包括二个小药量电雷管，二个小药量电雷管分别设置在2个激发点内；所 述爆破接收系包括24个三分量传感器，24个三分量传感器分别设置在24个爆破接收点内， 所述爆破接收点分布在爆破激发点与掘进头之间的区间范围，并靠近掘进头一侧；所述爆 破激发点和爆破激发点的位置关系满足在巷道两边左右对称分布，并且，将激发点垂直投 影到探测方向平面上时，有一个爆破激发点与爆破接收点在投影上重合。由于采用24个三 分量高精度传感器，丰富了采集的信息量；爆破激发系和爆破接收系采用孔中激发和接收， 避免了巷道松动圈的影响，同时实现了在突出煤层条件下小放炮，从而达到采集稳定可靠 的数据和信号强的数据的目的。本发明所述的远程控制矿井掘进工作面超前探测预报系统和方法的有益效果 是①本发明基于G. SHDSL技术，传输距离长、带宽高、通信稳定、通过防爆计算机101 远程控制超前探测仪主机2进行数据采集、处理、上传和显示，使得井下爆破时操作人员能 够撤离到安全区域以外的远离，避免操作人员受到伤害，实现了 1000米外进行放炮激发和 数据采集的远程控制操作，适合我国煤矿采掘布置的实际情况，符合《煤矿安全规程》的要 求；②能够较为准确地预报了掘进工作面前方及侧帮的隐伏构造，有效避免了灾害发 生；③防爆地质超前探测仪主机2采用Windows CE嵌入式控制系统，运行稳定、速度 快；24位A/D转换器，精度高；采用12道信号通道，能实现多种观测系统观测；④采用24个三分量高精度传感器，丰富采集的信息量；⑤爆破激发系和爆破接收系采用孔中激发和接收，避免了巷道松动圈的影响，同时实现了在突出煤层条件下小放炮，从而达到采集稳定可靠的数据和信号强的数据的目 的；因此，本发明所述的远程控制矿井掘进工作面超前探测预报系统和方法满足了行业的需求，填补了市场空白，有效保障了井下工作人员的生命安全。


图1是本发明所述的防爆地质超前探测远程控制系统的原理示意图。图2为本发明所述的防爆地质超前探测远程控制系统的连接示意图。图3是本发明所述的远程控制器主机102和远程控制器从机103的电路原理框 图。图4是本发明所述的防爆超前地质探测仪主机2的电路原理框图。图5是数据采 集模块14的原理框图。图6是采集数据输入单元23的电路7是触发电路21的电路图。图8 图12是采集控制电路的电路图。
图13是数据采样控制的程序流程图。
具体实施例方式参见图1和图2，一种远程控制矿井掘进工作面超前探测预报系统，由远程控制系 统1、发炮器3、同步信号检测盒4、爆破激发系5、爆破接收系6、防爆地质超前探测仪主机2 构成，其中，所述远程控制系统1由防爆计算机101、远程控制器主机102、远程控制器从机 103构成；所述防爆计算机101与远程控制器主机102连接进行双工通信；所述远程控制器 主机102通过电缆与远程控制器从机103进行点对点连接；远程控制器从机103与防爆地 质超前探测仪主机2连接进行双工通信；所述防爆地质超前探测仪主机2采集爆破接收系 6的数据，并对采集到的数据进行存储、处理和显示，当数据采集完成后将数据通过电缆上 传到远程控制系统1 ；爆破接收系6通过电缆与防爆地质超前探测仪主机2连接，爆破接收 系6将机械振动信号转换成电子信号发送给防爆地质超前探测仪主机2 ；所述发炮器3的 输出端连接同步信号检测盒4，发炮器3通过同步信号检测盒4向爆破激发系5输出激发信 号；所述爆破激发系5的输入端通过同步信号检测盒4连接发炮器3，爆破激发系5通过同 步信号检测盒4接收发炮器3发出的激发信号后激发；所述同步信号检测盒4的输入端连 接发炮器3，同步信号检测盒4的一个输出端连接防爆地质超前探测仪主机2，另一个输出 端连接爆破激发系5，同步信号检测盒4的作用主要是启动同步采样，当防爆地质超前探测 仪主机2的采样程序启动后，防爆地质超前探测仪主机2对同步信号检测盒4供电，同步信 号检测盒4在线检测爆破激发系5的激发状态，启动发炮器3发出激发信号，激发瞬间，同 步信号检测盒4检测到激发信号并输出给防爆地质超前探测仪主机2，触发防爆地质超前 探测仪主机2同步采样，实现激发与采样的精确同步。在具体实施例中，所述防爆计算机101与远程控制器主机102以及防爆超前地质 探测仪主机2与远程控制器从机103均是通过端口的HUB以lO/lOOBase-T自适应速率连接。其中，所述防爆计算机101采用便携式结构，采用镍氢电池供电，本安兼隔爆结 构，同时在所述防爆计算机101中设置有远程控制系统的上位机软件，参见图13，其主要流 程包括设置项目信息、设置工作面信息、设置接收点信息、设置采样参数、设置炮点信息、 保存数据、传送数据、数据分析与显示，其中，采样参数包括采样频率，采样长度和采样通 道，设置成功后，可开始采集数据，采集完成后，如需要进行下一次采集，则循环进行，最后 保存采集的数据。在具体实施例中，所述爆破激发系5包括二个小药量电雷管，二个小药量电雷管 分别设置在激发点s 1和激发点s 2内；所述爆破接收系6包括24个三分量传感器，24个
三分量传感器分别设置在爆破接收点rl、r2.....r24，所述爆破接收点rl、r2.....r24分
布在爆破激发点与掘进头之间的区间范围，并靠近掘进头一侧；所述爆破激发点si和爆破 激发点s2的位置关系满足在巷道两边左右对称分布，并且，将激发点垂直投影到探测方 向平面上时，有一个爆破激发点与爆破接收点在投影上重合。参见图3，所述远程控制器主机102由第二电源管理模块108、交换电路104、接口 电路105、第二中央处理器106和以太网接口电路107组成；所述的第二电源管理模块108 为第二中央处理器106、接口电路105、以太网接口电路107和交换电路104提供电源；所述远程控制器主机102的接口电路105通过电缆与远程控制器从机103进行点对点连接； 第二中央处理器106分别与接口电路105、以太网接口电路107连接，信号均为双向传输； 远程控制器主机102的以太网接口电路107与所述防爆计算机101连接。远程控制器从机 103的电路结构与远程控制器主机102的电路结构相同。在具体实施例中，所述远程控制器主机102的接口电路105通过电缆与远程控制 器从机103的接口电路进行点对点连接，并采用16-TCPAM编码方式，上行/下行速率相同。第二中央处理器106实现G. SHDSL信号的调制解调以及传输协议的转换，传输协 议包括ITU-T G. 991. 2协议和IEEE 802. 3协议。远程控制器主机102的以太网接口电路107与所述防爆计算机101连接，远程控 制器从机103的以太网接口电路与防爆地质超前探测仪主机2连接，以太网接口电路107
起着信号驱动和隔离作用。参见图4，其中，所述防爆地质超前探测仪主机2由电源管理模块11、以太网接口 电路模块12、中央处理器13、数据采集模块14、显示电路15、A/D转换电路16组成；其中，电源管理模块11为以太网接口电路模块12、中央处理器13、数据采集模块 14、显示电路15、A/D转换电路16提供电源；以太网接口电路模块12与远程控制器从机103 连接进行双工通信；所述数据采集模块14的一端与A/D转换电路16连接，接收A/D转换电 路16输出的数字信号；数据采集模块14的另一端与同步信号检测盒4连接，接收同步信 号检测盒4输出的激发信号；中央处理器13分别与数据采集模块14、以太网接口电路模块 12、显示电路15连接，信号均为双向传输；中央处理器13通过以太网接口电路模块12、远 程控制器从机103以及远程控制器主机102接收防爆计算机101的控制信号，对数据采集 模块14进行采样控制，中央处理器13控制显示电路15显示处理后的采样数据；同时在采 样完成后，中央处理器13将存在数据采集模块14中的数据进行处理，并将处理后的数据通 过以太网接口电路模块12、远程控制器从机103以及远程控制器主机102上传到防爆计算 机101 ；显示电路15的输入端与中央处理器13连接，显示处理后的采样数据；A/D转换电路 16的一端与爆破接收系6连接，A/D转换电路16的另一端与数据采集模块14连接，A/D转 换电路16将爆破接收系6输出的模拟信号经过处理以及A/D转换后，输出到数据采集模块 14。中央处理器13可以采用PXA270作为核心单片机。在具体实施例中，防爆地质超前探测仪主机2采用WINDOWS CE操作系统，防爆地 质超前探测仪主机2中也设置有软件操作流程包括接收防爆计算机101的设置指令，建 立一个项目，将采集的数据保存于该项目文件中；在防爆地质超前探测仪主机2中可以输 入相关的空间信息等，包括项目信息，工作面信息，接收点信息；可以输入该次采集的采样 参数，包括采样频率，采样长度和采样通道，设置炮点空间信息，设置成功后，可开始采集数 据，采集完成后，如需要进行下一次采集，则循环进行，最后保存采集的数据；等待下一个项 目操作。参见图5，所述数据采集模块14包括触发电路21、采集控制单元22、采集数据输入 单元23、采集数据存储单元24、CPU接口电路25 ；所述触发电路21的一端与采集控制单元22连接，触发电路21的另一端与同步信 号检测盒4连接，所述触发电路21受同步信号检测盒4的控制产生开始采集的同步信号输入到采集控制单元22 ；保证了所有通道数据采样的同步，使所有通道可以同时采集数据； 采集控制单元22还分别与采集数据输入单元23、采集数据存储单元24、CPU接口电路25连 接，信号为双向传输，采集控制单元22通过CPU接口电路25接收中央处理器13输出的控 制信号，每采集完成一个点后，自动产生A/D转换电路16所需要的穿行数据读取信号，通过 采集数据输入单元23输出到A/D转换电路16，同时采集控制单元22通过采集数据输入单 元23接收A/D转换电路16输出的数字信号，并将A/D转换电路16输出的数字信号转存到 采集数据存储单元24 ；当预设采样点全部采集完成后，采集控制单元22将存储在采集数据 存储单元24里的数据通过CPU接口电路25输出到中央处理器13 ；所述采集数据输入单元 23的一端与A/D转换电路16连接，采集数据输入单元23的另一端与采集控制单元22连 接，采集数据输入单元23提供信号输出的通道和采集数据输入的通道；所述采集数据存储 单元24为采集数据临时存储器，当预设采样点全部采集完成后，中央处理器13将存储在采 集数据存储单元24里的数据读出进行分析和处理；所述CPU接口电路25使中央处理器13 通过CPU接口电路25对采集控制单元22进行管理。数据采集模块14的工作原理为中央处理器13通过CPU接口 25对数据采集控制 单元22进行控制，即判断状态和设置参数，主要有采样频率、采集点数等，数据采集控制单 元22根据中央处理器13的要求，自动生成传感器数据模数转换的控制信号，并将传感器模 数转换后的数据存储到采集数据存储单元24中，待预设的采样点数采集完成后，数据采集 控制单元22发出采集完成信号，中央处理器13获得此信号后即可开始读取采集数据存储 单元24中的数据并进行处理。参见图6至图12，所述触发电路21包括电阻R8、R9、R11、R12、R7、R6、R10、光电耦 合器U1，其中，电阻1 8、1 9、1 11、1 12构成电桥。所述触发电路21的工作原理是在爆破激发系激发之前，接插件J1的1、2脚与接 插件J1的3、4脚通过同步信号检测盒4连接在一起，在爆破激发系激发之后，接插件J1的 1、2脚与接插件J1的3、4脚被断开，电桥平衡被破坏，光电耦合器U1的1脚和2脚之间产 生电压并导通，光电耦合器U1的输出端7脚由高电平翻转为低电平信号，该低电平信号即 作为采样开始的触发信号；保证了所有通道数据采样的同步，使所有通道可以同时采集数 据，保证了采样和激发的精确同步。中央处理器13通过地址总线和数据总线对数据采集控制单元22的参数寄存器进 行设定后，数据采集控制单元22即处于待命状态，一旦触发信号发生有效触发后，即开始 按照中央处理器13设定的采样频率和采样点数产生时钟信号。数据读取的原理每采集完成一个点后，数据采集控制单元22自动产生A/D转换 电路16所需要的穿行数据读取信号，并开始接受来自A/D转换电路16的数据，自动将数据 暂存在采集数据存储单元24中。单炮采集控制流程检查是否可设置采样参数，如可以，设置采样参数；输出同步 信号，使各通道时间同步；输出准备信号，使得数据采集模块14和A/D转换电路16处于准 备数据采集状态；当起爆信号输入，数据采集模块14控制A/D转换电路16进行A/D转换， 数据采集模块14开始数据采集；采集完成后，数据采集模块14向中央处理器13输出采集 完成信号，则本次数据采集结束；中央处理器13读取数据采集模块14存储的采集数据。远程控制矿井掘进工作面超前探测预报的方法，按如下步骤进行
第一步在巷道掘进头40-80米范围内，设置爆破激发系5和爆破接收系6，并且 爆破激发系5和爆破接收系6分别埋入在地下设置的孔中；第二步在距巷道掘进头1000米外的安全风门外设置防爆计算机101和远程控制 器主机102，将防爆计算机101与远程控制器主机102相连；在防爆计算机101和远程控制 器主机102的附近设置发炮器3 ；第三步在距离爆破接收系6大约50至200米范围内设置防爆地质超前探测仪主 机2，在防爆地质超前探测仪主机2的附近设置同步信号检测盒4和远程控制器从机103， 将远程控制器主机102通过电缆与远程控制器从机103连接，再将远程控制器从机103与 防爆地质超前探测仪主机2相连；并将爆破接收系6用电缆与防爆地质超前探测仪主机2 相连；将发炮器3的输出端连接同步信号检测盒4的输入端，再将同步信号检测盒4的输出 端分别与防爆地质超前探测仪主机2和爆破激发系5连接；第四步打开防爆地质超前探测仪主机2、防爆计算机101、远程控制器主机102和 远程控制器从机103的电源；第五步在防爆计算机101、远程控制器主机102、远程控制器从机103、防爆地质 超前探测仪主机2之间建立通讯，并对系统自检；第六步在防爆计算机101中建立项目；第七步在防爆计算机101中输入工作面信息、接收点信息以及设置采样参数；其 中输入工作面信息包括高度，半径，左右边距，掌子面距，参考距离；输入接收点信息包括距 离，深度，高度，方位角，倾角；设置输入采样参数包括采样频率，采样长度、采样分量和采样 通道；第八步当防爆地质超前探测仪主机2的采样程序启动后，防爆地质超前探测仪 主机2对同步信号检测盒4供电，同步信号检测盒4在线检测爆破激发系5的激发状态，启 动发炮器3发出激发信号，爆破激发系5通过同步信号检测盒4接收发炮器3发出的激发 信号后激发；激发瞬间，同步信号检测盒4检测到激发信号并输出给防爆地质超前探测仪 主机2，触发防爆地质超前探测仪主机2同步采样，爆破接收系6将机械振动信号转换成电 子信号发送给防爆地质超前探测仪主机2 ；第八步防爆地质超前探测仪主机2对采集到的数据进行存储、处理和显示，当数 据采集完成后将数据通过远程控制器从机103以及远程控制器主机102上传到防爆计算机 101 ；第九步在防爆计算机101中设置炮点空间信息包括距离，深度，高度，方位角， 倾角，装药量；第十步防爆计算机101对数据进行分析并显示。所述爆破激发系5包括二个小药量电雷管，二个小药量电雷管分别设置在激发点 si和激发点s2内，激发点si和激发点s2孔深lm至2m,孔间距3m至5m ；所述爆破接收系
6包括24个三分量传感器，24个三分量传感器分别设置在爆破接收点rl、r2.....r24,所
述爆破接收点rl、r2.....r24孔深lm至2m，孔间距lm至2m所述爆破接收点rl、r2.....
r24分布在爆破激发点与掘进头之间的区间范围，并靠近掘进头一侧；所述爆破激发点si 和爆破激发点s2的位置关系满足在巷道两边左右对称分布，并且，将激发点垂直投影到 探测方向平面上时，有一个爆破激发点与爆破接收点在投影上重合。
在具体实施例中，所述爆破接收点采用高精度三分量检波器。远程控制矿井掘进 工作面超前探测预报系统和方法，其工作原理是小药量炸药激发的地震波在煤岩中以球面 波形式传播，当遇到掘进头前方和巷道周围的岩石物性界面即波阻抗差异界面，例如断层、 岩石破碎带、陷落柱等构造时，一部分地震信号反射回来。高精度三分量检波器接收到的信 号包括反射回来的地震波和直接传播到传感器的直达波，数据采集模块14采集的数据，包 括掘进头前方和巷道周围的反射回来的地震波，以及直接传播到传感器的直达波。由于在 防爆计算机101中设置有控制软件，防爆计算机101能够通过远程控制器主机102、远程控 制器从机103实时控制防爆超前探测仪主机2采集爆破接收系即三分量检波器的信号，同 时控制防爆超前地质探测仪主机2存储、处理和上传采集到的数据；所述的数据采集由防 爆超前地质探测仪主机2的数据采集模块完成，同时防爆超前地质探测仪主机2在采样完 成后将采集的数据通过远程控制器从机103以及远程控制器主机102上传到最后由防爆计 算机101结合输入的工作面信息、接收点信息、炮点空间信息以及设置的采样参数，对数据 进行频谱分析、速度分析、反滤波、静校正、动校正、叠加、偏移处理、时深转换等处理后，得 到动态弹性参数曲线图和成果剖面图，再通过对动态弹性参数曲线图和成果剖面图的综合 分析，就能识别目标体对象。同时，在防爆超前地质探测仪主机2中也设置有数据采集控制程序，可以通过防 爆超前地质探测仪主机2设置项目信息、设置工作面信息、设置接收点信息、设置采样参 数、设置炮点信息等，控制防爆超前探测仪主机2采集爆破接收系即三分量检波器的信号， 并控制防爆超前地质探测仪主机2存储、处理和上传采集到的数据。
权利要求
远程控制矿井掘进工作面超前探测预报系统，包括远程控制系统(1)、发炮器(3)、爆破激发系(5)、爆破接收系(6)、防爆地质超前探测仪主机(2)，其中，所述爆破接收系(6)通过电缆与防爆地质超前探测仪主机(2)连接，爆破接收系(6)将机械振动信号转换成电子信号发送给防爆地质超前探测仪主机(2)；所述防爆地质超前探测仪主机(2)采集爆破接收系(6)的数据，并对采集到的数据进行存储、处理和显示，当数据采集完成后将数据通过电缆上传到远程控制系统(1)；其特征在于所述远程控制系统(1)包括防爆计算机(101)、远程控制器主机(102)、远程控制器从机(103)；所述防爆计算机(101)与远程控制器主机(102)连接进行双工通信；所述远程控制器主机(102)通过电缆与远程控制器从机(103)进行点对点连接；远程控制器从机(103)与防爆地质超前探测仪主机(2)连接进行双工通信；所述远程控制矿井掘进工作面超前探测预报系统还包括同步信号检测盒(4)；所述发炮器(3)的输出端连接同步信号检测盒(4)，发炮器(3)通过同步信号检测盒(4)向爆破激发系(5)输出激发信号；所述爆破激发系(5)的输入端通过同步信号检测盒(4)连接发炮器(3)，爆破激发系(5)通过同步信号检测盒(4)接收发炮器(3)发出的激发信号后激发；所述同步信号检测盒(4)的输入端连接发炮器(3)，同步信号检测盒(4)的一个输出端连接防爆地质超前探测仪主机(2)，另一个输出端连接爆破激发系(5)，同步信号检测盒(4)在线检测爆破激发系(5)的激发状态，激发瞬间，同步信号检测盒(4)检测到激发信号并输出给防爆地质超前探测仪主机(2)，触发防爆地质超前探测仪主机(2)同步采样。
2.根据权利要求1所述的远程控制矿井掘进工作面超前探测预报系统，其特征在于 所述远程控制器主机(102)由第二电源管理模块(108)、交换电路(104)、接口电路(105)、 第二中央处理器(106)和以太网接口电路(107)组成；所述的第二电源管理模块(108)为第二中央处理器(106)、接口电路(105)、以太网接 口电路(107)和交换电路(104)提供电源；所述远程控制器主机(102)的接口电路(105)通过电缆与远程控制器从机(103)进行 点对点连接；第二中央处理器(106)分别与接口电路(105)、以太网接口电路(107)连接，信号均为 双向传输；以太网接口电路(107)与所述防爆计算机(101)连接。
3.根据权利要求2所述的远程控制矿井掘进工作面超前探测预报系统，其特征在于 所述防爆地质超前探测仪主机(2)由电源管理模块(11)、以太网接口电路模块(12)、中央 处理器(13)、数据采集模块(14)、显示电路(15)、A/D转换电路(16)组成；其中，电源管理模块(11)为以太网接口电路模块(12)、中央处理器(13)、数据采集模 块(14)、显示电路(15)、A/D转换电路(16)提供电源；以太网接口电路模块(12)与远程控制器从机(103)连接进行双工通信； 所述数据采集模块(14)的一端与A/D转换电路(16)连接，接收A/D转换电路(16)输 出的数字信号；数据采集模块(14)的另一端与同步信号检测盒(4)连接，受同步信号检测 盒⑷的控制；中央处理器(13)分别与数据采集模块(14)、以太网接口电路模块(12)、显示电路(15)连接，信号均为双向传输；中央处理器(13)通过以太网接口电路模块(12)、远程控制器从 机(103)以及远程控制器主机(102)接收防爆计算机(101)的控制信号，对数据采集模块 (14)进行采样控制，中央处理器(13)控制显示电路(15)显示处理后的采样数据；同时在 采样完成后，中央处理器(13)将存在数据采集模块(14)中的数据进行处理，并将处理后的 数据通过以太网接口电路模块(12)、远程控制器从机(103)以及远程控制器主机(102)上 传到防爆计算机(101)；显示电路(15)的输入端与中央处理器(13)连接，显示处理后的采样数据； A/D转换电路(16)的一端与爆破接收系(6)连接，A/D转换电路(16)的另一端与数据 采集模块(14)连接，A/D转换电路(16)将爆破接收系(6)输出的模拟信号经过处理以及 A/D转换后，输出到数据采集模块(14)。
4.根据权利要求3所述的远程控制矿井掘进工作面超前探测预报系统，其特征在于 所述数据采集模块(14)包括触发电路(21)、采集控制单元(22)、采集数据输入单元(23)、 采集数据存储单元(24)、CPU接口电路(25)；所述触发电路(21)的一端与采集控制单元(22)连接，触发电路(21)的另一端与同步信号检测盒(4)连接，所述触发电路(21)受同步信号检测盒(4)的控制产生开始采集的同 步信号输入到采集控制单元(22)；采集控制单元(22)还分别与采集数据输入单元(23)、采集数据存储单元(24)、CPU接口电路(25)连接，信号为双向传输，采集控制单元(22)通过CPU接口电路(25)接收中央处 理器(13)输出的控制信号，每采集完成一个点后，自动产生A/D转换电路(16)所需要的穿 行数据读取信号，通过采集数据输入单元(23)输出到A/D转换电路(16)，同时采集控制单 元(22)通过采集数据输入单元(23)接收A/D转换电路(16)输出的数字信号，并将A/D转 换电路(16)输出的数字信号转存到采集数据存储单元(24)；当预设采样点全部采集完成 后，采集控制单元(22)将存储在采集数据存储单元(24)里的数据通过CPU接口电路(25) 输出到中央处理器(13)；所述采集数据输入单元(23)的一端与A/D转换电路(16)连接，采集数据输入单元 (23)的另一端与采集控制单元(22)连接，采集数据输入单元(23)提供信号输出的通道和 采集数据输入的通道；所述采集数据存储单元(24)为采集数据临时存储器，当预设采样点全部采集完成后，中央处理器(13)将存储在采集数据存储单元(24)里的数据读出进行分析和处理；所述CPU接口电路(25)使中央处理器(13)通过CPU接口电路(25)对采集控制单元 (22)进行管理。
5.根据权利要求4所述的远程控制矿井掘进工作面超前探测预报系统，其特征在于 所述触发电路(21)包括电阻R8、R9、R11、R12、R7、R6、R10、光电耦合器(Ul)，其中，电阻R8、 R9、R11、R12构成电桥。
6.远程控制矿井掘进工作面超前探测预报的方法，其特征在于按如下步骤进行第一步在巷道掘进头40-80米范围内，设置爆破激发系(5)和爆破接收系(6)；并且爆破激发系(5)和爆破接收系(6)分别埋入设置在地下的孔中；第二步在距巷道掘进头1000米外的安全风门外设置防爆计算机(101)和远程控制器 主机(102)，将防爆计算机(101)与远程控制器主机(102)相连；在防爆计算机(101)和远程控制器主机(102)的附近设置发炮器(3)；第三步在距离爆破接收系(6)几十到200米范围内设置防爆地质超前探测仪主机(2)，在防爆地质超前探测仪主机(2)的附近设置同步信号检测盒(4)和远程控制器从机 (103)，将远程控制器主机(102)通过电缆与远程控制器从机(103)连接，再将远程控制器从机(103)与防爆地质超前探测仪主机(2)相连；并将爆破接收系(6)用电缆与防爆地质 超前探测仪主机(2)相连；将发炮器(3)的输出端连接同步信号检测盒(4)的输入端，再将同步信号检测盒(4)的输出端分别与防爆地质超前探测仪主机(2)和爆破激发系(5)连 接；第四步打开防爆地质超前探测仪主机(2)、防爆计算机(101)、远程控制器主机(102) 和远程控制器从机(103)的电源；第五步在防爆计算机(101)、远程控制器主机(102)、远程控制器从机(103)、防爆地质超前探测仪主机(2)之间建立通讯，并对系统自检；第六步在防爆计算机(101)中建立项目；第七步在防爆计算机(101)中输入工作面信息、接收点信息以及设置采样参数；第八步当防爆地质超前探测仪主机(2)的采样程序启动后，防爆地质超前探测仪主 机(2)对同步信号检测盒(4)供电，同步信号检测盒(4)在线检测爆破激发系(5)的激发状态，启动发炮器(3)发出激发信号，爆破激发系(5)通过同步信号检测盒(4)接收发炮器(3)发出的激发信号后激发；激发瞬间，同步信号检测盒(4)检测到激发信号并输出给防爆地质超前探测仪主机(2)，触发防爆地质超前探测仪主机(2)同步采样，爆破接收系(6)将 机械振动信号转换成电子信号发送给防爆地质超前探测仪主机(2)；第八步防爆地质超前探测仪主机(2)对采集到的数据进行存储、处理和显示，当数据采集完成后将数据通过远程控制器从机(103)以及远程控制器主机(102)上传到防爆计算机(101)；第九步在防爆计算机(101)中设置炮点空间信息包括距离，深度，高度，方位角，倾 角，装药量；第十步防爆计算机(101)对数据进行分析并显示。
7.根据权利要求6所述的远程控制矿井掘进工作面超前探测预报的方法，其特征在于所述爆破激发系(5)包括二个小药量电雷管，二个小药量电雷管分别设置在激发点 (si)和激发点(s2)内；所述爆破接收系(6)包括24个三分量传感器，24个三分量传感器分别设置在爆破接收点(rl、r2、…、r24)，所述爆破接收点(rl、r2、…、r24)分布在爆破 激发点与掘进头之间的区间范围，并靠近掘进头一侧；所述爆破激发点(si)和爆破激发点 (s2)的位置关系满足在巷道两边左右对称分布，并且，将激发点垂直投影到探测方向平 面上时，有一个爆破激发点与爆破接收点在投影上重合。
全文摘要
本发明公开了一种远程控制矿井掘进工作面超前探测预报的系统及方法，包括远程控制系统、发炮器、爆破激发系、爆破接收系、防爆地质超前探测仪主机，其特征在于所述远程控制系统包括防爆计算机、远程控制器主机、远程控制器从机；所述防爆计算机与远程控制器主机连接进行双工通信；所述远程控制器主机通过电缆与远程控制器从机进行点对点连接；远程控制器从机与防爆地质超前探测仪主机连接进行双工通信；所述远程控制矿井掘进工作面超前探测预报系统还包括同步信号检测盒；所述发炮器的输出端连接同步信号检测盒，发炮器通过同步信号检测盒向爆破激发系输出激发信号，避免了操作人员受到伤害。
文档编号G01V1/40GK101798923SQ20101013646
公开日2010年8月11日 申请日期2010年3月30日 优先权日2010年3月30日
发明者何刚, 何昭友, 吴燕清, 康厚清, 胡运兵, 邵雁, 郑万波 申请人:煤炭科学研究总院重庆研究院