一种煤矿井下离层智能监测装置及方法

技术领域

本发明涉及煤矿安全防范技术领域，尤其是一种煤矿井下离层智能监测装置及方法。

背景技术

近年来煤矿事故的频繁发生，煤矿安全问题日益引起了人们的广泛关注，成为了一件关系国计民生的大问题。随着科技的发展，应用于煤矿现场的技术手段也不断的进步，国内对煤矿井下顶板离层检测系统的研制发展主要有机械式直读离层位移指示仪和智能化自动检测报警系统。其中，机械式直读离层位移指示仪采用的是简单的机械结构，存在较大的机械误差，且指示仪的检测值需要人员现场目力读取，导致了很大的认为误差，并且智能化程度几乎没有，在科技高度发展的今天，被淘汰是一种必然趋势。而智能化自动检测报警系统是将位移量转变为相应的电信号、磁信号等，再由数据采集设备将这些信号还原为位移值，从而进一步进行分析，自动完成数据的存储，报表，报警等数据分析，目前现有产品主要缺陷为：传感器可靠性低；没有电脑自动分析功能；通讯方式单一；系统的成本较高。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种可以实时监控各个离层变化情况，安装方便，能够在煤炭开采第一现场可靠稳定工作的煤矿井下离层智能监测装置。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种煤矿井下离层智能监测装置，包括一体化防护工装、用于对离层施工监测孔的孔深进行精确测量的微型激光测距传感模块、信号采集及无线传输模块、基站和上位机；所述微型激光测距传感模块的输出端与信号采集及无线传输模块的输入端相连，信号采集及无线传输模块与基站无线双向通讯，基站与上位机双向通讯；所述微型激光测距传感模块、信号采集及无线传输模块固设在一体化防护工装上，一体化防护工装固定安装在煤层上。

所述微型激光测距传感模块由激光测距探头和调理模块组成，所述激光测距探头的输出端与调理模块的输入端相连，调理模块的输出端与信号采集及无线传输模块的输入端相连。

所述一体化防护工装包括外罩、底盘和卡扣，所述底盘的底部设置圆盘，圆盘向上设置固定支架，固定支架的两侧面板上均开设第一安装孔，固定支架的一侧通过卡扣安装微型激光测距传感模块，固定支架的另一侧通过卡扣安装信号采集及无线传输模块，卡扣的两端开设与第一安装孔相配合的第二安装孔，圆盘的盘面上沿周向均匀开设第三安装孔；所述外罩为中空圆柱体状，外罩底部沿周向开设第四安装孔，底盘的圆盘安装在外罩的底部上，外罩的上方设置导向管，导向管位于固定盘的中心位置，固定盘的边沿处开设用于将外罩安装在煤层上的第五安装孔，所述微型激光测距传感模块上设有用于发射激光光束的发射孔以及用于接收激光光束的接收孔，所述发射孔发射的激光光束和接收孔接收的激光光束从导向管内通过。

本发明的另一目的在于提供一种煤矿井下离层智能监测装置的监测方法，该方法包括下列顺序的步骤：

(1)根据井下分布图，合理选择离层智能监测装置的安装位置，并在上位机的地图界面相应位置标出；

(2)系统初始化，上位机设置各离层智能监测装置的参数值，包括激光测距预警值、工作时间、无线传输时间间隔和工作模式；

(3)离层智能监测装置开始工作，工作于调试模式、低功耗模式及正常模式：

调试模式下，离层智能监测装置每隔几秒传输一次测距信息；

低功耗模式下，离层智能监测装置进入待机工作；

正常模式下，离层智能监测装置按设定的时间间隔启动工作，如果设备状态正常，测距信息传输完成即进入低功耗模式，待下次测试周期重新启动；如果设备状态异常，离层智能监测装置将不停发送异常情况信息，并通过一体化防护工装上安装的指示灯闪烁，提醒异常情况发生，同时，上位机接收异常情况，显示报警状态。

由上述技术方案可知，本发明的有益效果为：第一，本发明可以实时监控各个离层变化，若离层变化超过阈值时，对应微型激光测距传感模块节点进行报警，在相应的地图位置闪烁提示，能够及时应对危害；第二，本发明首次在井下应用微型激光测距传感模块测量离层变化，激光测距发射角很小，测量光斑可以做到1至10mm，反应速度快，精度高，稳定性强，可以实现精确、无接触式和不间断地长距离测距优于其他传感器；第三，本发明由于井下离层变化非常缓慢，有三种工作模式，可节约使用电量；第四，本发明由于前端设备直接安装于作业巷道中，对前端设计进行防爆设计，保证安全性。

附图说明

图1为本发明的电路框图；

图2为本发明的装置结构示意图；

图3、4、5、6分别为图2中外罩、底盘、卡扣、微型激光测距传感模块的结构示意图；

图7为本发明的方法流程图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种煤矿井下离层智能监测装置，包括一体化防护工装、用于对离层施工监测孔的孔深进行精确测量的微型激光测距传感模块1、信号采集及无线传输模块2、基站和上位机；所述微型激光测距传感模块1的输出端与信号采集及无线传输模块2的输入端相连，信号采集及无线传输模块2与基站无线双向通讯，基站与上位机双向通讯；所述微型激光测距传感模块1、信号采集及无线传输模块2固设在一体化防护工装上，一体化防护工装固定安装在煤层上。无线传输采用LoRa技术，LoRa是一种低功耗远距离传输的无线通信技术，在矿井可更可靠、传输距离的进行无线通信。

如图1、6所示，所述微型激光测距传感模块1由激光测距探头和调理模块组成，所述激光测距探头的输出端与调理模块的输入端相连，调理模块的输出端与信号采集及无线传输模块2的输入端相连。

如图3、4、5、6所示，所述一体化防护工装包括外罩、底盘和卡扣6，所述底盘的底部设置圆盘3，圆盘3向上设置固定支架4，固定支架4的两侧面板上均开设第一安装孔5，固定支架4的一侧通过卡扣6安装微型激光测距传感模块1，固定支架4的另一侧通过卡扣6安装信号采集及无线传输模块2，卡扣6的两端开设与第一安装孔5相配合的第二安装孔7，圆盘3的盘面上沿周向均匀开设第三安装孔8；所述外罩为中空圆柱体状，外罩底部沿周向开设第四安装孔9，底盘的圆盘3安装在外罩的底部上，外罩的上方设置导向管10，导向管10位于固定盘11的中心位置，固定盘11的边沿处开设用于将外罩安装在煤层上的第五安装孔12，所述微型激光测距传感模块1上设有用于发射激光光束的发射孔13以及用于接收激光光束的接收孔14，所述发射孔13发射的激光光束和接收孔14接收的激光光束从导向管10内通过。

如图7所示，本方法包括下列顺序的步骤：

(1)根据井下分布图，合理选择离层智能监测装置的安装位置，并在上位机的地图界面相应位置标出；

(2)系统初始化，上位机设置各离层智能监测装置的参数值，包括激光测距预警值、工作时间、无线传输时间间隔和工作模式；

(3)离层智能监测装置开始工作，工作于调试模式、低功耗模式及正常模式：

调试模式下，离层智能监测装置每隔几秒传输一次测距信息；

低功耗模式下，离层智能监测装置进入待机工作；

正常模式下，离层智能监测装置按设定的时间间隔启动工作，如果设备状态正常，测距信息传输完成即进入低功耗模式，待下次测试周期重新启动；如果设备状态异常，离层智能监测装置将不停发送异常情况信息，并通过一体化防护工装上安装的指示灯闪烁，提醒异常情况发生，同时，上位机接收异常情况，显示报警状态。

以下结合图1至7对本发明作进一步的说明。

外罩的导向管10用于激光光束的导向，指导微型激光测距传感模块1的光束打在离层施工监测孔，凹型的固定盘11便于在煤层上安装；底盘可拆卸，便于更换，保证测试设备可反复利用。底盘下面带有不同颜色的高亮度LED指示灯，在以下情况可提示：激光测距探头上覆盖杂物需要清理及离层发生变化。

所述的信号采集及无线传输模块2实现将微型激光测距传感模块1数据采集并上传至基站，基站将数据打包后与地面控制终端进行通信；通过上位机界面实时监控、查询井下离层情况。信号采集及无线传输模块2完成以下功能：第一，对微型激光测距传感模块1的启动与关闭工作，定时实现对测试洞深进行测量。测试完毕后，切断微型激光测距传感模块1的电源，这样可以减少功耗，也避免微型激光测距传感模块1长时间工作带来的散热问题，同时保证了微型激光测距传感模块1的使用寿命。第二，微型激光测距传感模块1测试数据进行简单判断，根据数据的大小，判断微型激光测距传感模块1的工作状况，并通过高亮度LED灯显示。第三，实现对测量数据的无线传输，对每个测量节点进行节点唯一标识，确保数据的同步性与传输的可靠性，防止某节点传输的丢失。因考虑到煤矿的复杂环境，将基站放置在矿下，不宜放置地面上。此外，考虑井下巷道的曲折情况，如拐弯多造成信号传输的折射衰减严重，根据具体情况增加无线传输AP中继器。

所述的基站用于完成对各无线节点的数据采集，编帧上传，将数据打包后与上位机进行通信，传输距离不小于3000米。因考虑到煤矿的复杂环境，将基站放置在矿下，不宜放置于地面上。

所述上位机用于实时监控、查询井下离层情况，实现以下功能：第一，人机交互界面上嵌入井下巷道中的二维微型激光测距传感模块1位置地图，微型激光测距传感模块1节点与地图形成坐标对应关系，可随时访问任意微型激光测距传感模块1节点的监测离层情况；第二，保存一定时间段的各微型激光测距传感模块1节点监测的离层情况，可通过人机交互界面绘制沿时间轴的离层变化情况；第三，对离层变化超过阈值的微型激光测距传感模块1节点进行报警，在相应的地图位置闪烁提示；第四，如果因水或粉尘遮住微型激光测距传感模块1探头，无法进行正常的监测时，在相应的地图位置提示工作人员进行人工干预处理。

由于用于井下恶劣环境探测，微型激光测距传感模块1具有优异的测试精度和极高的稳定性，可以实现精确、无接触式和不间断地长距离测距。微型激光测距传感模块1环境适应性较好，但同时要求被测钻孔应基本笔直，其主要技术指标有：测量量程为0.15-50m；测量精度典型值为±2mm；可测平面倾斜度最大达75°；防护等级：IP67；II类安全激光，具有特殊处理的全密封防护外壳，可在恶劣环境下使用，如0℃至40℃；功耗稳定，耗电量小，功耗不大于1W。

综上所述，本发明可以实时监控各个离层变化，若离层变化超过阈值时，对应传感器节点进行报警，在相应的地图位置闪烁提示，能够及时应对危害；本发明首次在井下应用微型激光测距传感模块1测量离层变化，激光测距发射角很小，测量光斑可以做到1至10mm，反应速度快，精度高，稳定性强，可以实现精确、无接触式和不间断地长距离测距优于其他传感器。