技术领域

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。

技术背景

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。

发明内容

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。 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。 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 型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。

一种使用上述系统的掘进灾害超前探测方法， 包括如下歩骤： 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；

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；

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；

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 歩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。 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。

附图说明

图 1是本发明的超前探测系统原理结构图。

图 2是本发明的超前探测装置的电磁波探测器结� �图 图 3是本发明的超前探测装置安装在掘进机上的� �意图。 图 4是本发明的超前探测装置在掘进机上工作的� �意图。 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； 17-掘进机； 18-掘进机悬臂； 19-掘进 头。

具体实施方式

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 11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 13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。

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 14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。

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。

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发出和接收电磁波波的信号， 超前探测装置开始工作， 进行超前探测。

一种运用上述系统的掘进灾害超前探测方法如 下：

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 5和振 动传感器 6紧密固定在掘进机悬臂 18上； b. 当掘进机 17开始工作时， 倾斜传感器 5和振动传感器 6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 根据倾斜传感器 5和振动传感器 6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; 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� ��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 歩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。

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。