ZDJ11型矿用本安型电阻率监测系统研究.pdf
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1、148Vol.55,No.8COAL ENGINEERING第55卷第8 期程炭煤doi:10.11799/ce202308027ZDJ11 型矿用本安型电阻率监测系统研究宁殿艳1,2(1中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西西安710054;2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室,陕西西安710054)摘要:针对直流电阻率法在量测过程中存在抗干扰能力弱、小信号分辨能力低和系统可重复性差等缺点,导致应用不够广泛的不足,为了提高监测的实时性、准确性,开发了ZDJ11型矿用本安型电阻率监测系统。该系统通过多频同步发射技术、智能电极控制技术、高性能信号采集技术、低噪声电源设计和地电相关电阻率辨识技术
2、等软硬件相关融合降噪方法,显著提高了系统的抗干扰能力、小信号分辨能力和系统重复性。经测试系统抗电磁干扰能力可达6 0 dB,动态范围可达100dB,小信号分辨率可达5V,数据重复误差小于2.5%。该系统的开发为矿井顶、底板水害监测预警提供良好的装备支撑。关键词:矿用本安型;电阻率监测;抗干扰能力;小信号分辨能力中图分类号:TD76文献标识码:A文章编号:16 7 1-0 959(2 0 2 3)0 8-0 148-0 6Development of ZDJ11 type coal mine intrinsically safe resistivity monitoring systemNING
3、 Dianyan.2(1.Xian Research Institute Group Corp.,China Coal Technology and Engineering Group,Xian 710054,China;2.Shaanxi Key Laboratory of Prevention and Control Technology for Coal Mine Water Hazard,Xian 710054,China)Abstract:Aiming at the weak anti-interference ability,low resolution ability of sm
4、all signal and poor repeatability in themeasurement process of DC resistivity method,in order to improve the real-time and accuracy of monitoring,the mine electricmonitoring system which is unattended underground and remotely controlled on the surface is developed.The system improved theanti-interfe
5、rence ability,small signal resolution and repeatability of the system significantly through the integration of hardwareand software related noise reduction methods,such as multi-frequency synchronous emission,intelligent electrode controltechnology,high-performance signal acquisition technology,low
6、noise power supply design and geoelectric correlation resistivityidentification algorithm.According to the tests,the anti-electromagnetic interference capability of the system reached 60 dB,thedynamic range reached 100 dB,the small signal resolution reached 5 V,and the data repeatability reached 2.5
7、%.Thedevelopment of this system provides good equipment support for monitoring and warning of water hazard in mine roof and floor.Keywords:mine intrinsically safe type;resistivity monitoring;anti-interference ability;small signal resolution ability我国是煤炭开采地质条件最为复杂的国家,在煤炭开采过程中经常受到水害威胁,给国家能源安全和国民经济稳定发展
8、带来隐患1-3。目前,矿山水害监测预警主要手段有光纤多参数传感、微震及电阻率法监测等4.5,且最新煤矿防治水细则要求对于水文地质类型复杂矿井须开展电法与微震耦合的水害监测预警6 。矿井电阻率法作为煤矿井下地质安全保障技术的一种重要手段,在煤层顶底板破坏及水害监测中的应用已有十余年的历史7.8 在实现煤炭智能化精准开采过程中,将起到更为重要的作用9。矿井电阻率法监测是在巷道围岩布设电极,并向围岩供入电流建立人工电场,测量围岩受采动和富水性影响下的人工电场,根据电场的异常响应变化规律对工作面水害是否发生进行判断4收稿日期:2 0 2 3-0 1-0 6基金项目:国家自然科学基金面上项目(42 2
9、7 418 4)作者简介:宁殿艳(198 0 一),女,陕西靖边人,在读博士,副研究员,主要从事水害防治工作,E-mail:30 96 58 7 2 o引用格式:宁殿艳ZDJ11型矿用本安型电阻率监测系统研究J煤炭工程,2 0 2 3,55(8):148-153.1492023年第8 期程炭研究探讨煤科研工作者在矿井电阻率法监测7 10-13 方面开展了大量研究,并在煤矿井下应用取得了一定的地质效果。但是受煤矿开采环境的防爆限制,电阻率监测系统的采集效率、抗电磁干扰能力、小信号分辨能力和系统重复性等问题一直没有得到很好地解决4。本研究研发了高效采集、高分辨率,性能稳定的井下无人值守,地面远程控
10、制的ZDJ11型矿用本安型电阻率监测系统,为矿井顶、底板水害监测预警提供良好的装备支撑。1工作原理及系统组成1.1工作原理矿井电阻率法监测技术中常用的探测方法有高密度电法、孔间电阻率CT、孔-巷间电阻率CT、巷道电法透视等10 ,为满足煤矿防爆要求,矿井电阻率法监测系统向围岩供人的电流功率必须限制在本质安全范围内,且井下电磁干扰较大,传统直流供电方法信噪比太低,测试效率低,总体监测效果差;因此,本文采用多个低频交流信号同步发射替代直流信号作为系统供电电流,以提高系统的测试能力与采集效率,并采用音频电透视的观测方法开展电阻率实时监测ZDJ11型矿用本安型电阻率监测系统的工作原理是:监测系统地面服
11、务器远程监控软件将监测分站1与监测分站2 依次轮流设置为发射与接收分站,发射分站通过服务器设置的发射功能,智能将指定基频的多个低频电流通过监测大线及电极向地下指定测点间依次供入,建立人工电场,并监测相应测点的供电电流传回地面服务器;接收分站通过服务器设置的功能,通过监测大线及电极智能将地下指定测点间电场电位差依次全波形采集,并将采集到的电位差传回地面服务器;地面服务器中安装的监控与数据处理软件将设置参数、各测点间的监测电流、电位差等存入数据库中,动态成像软件定时从数据库中读取更新数据,动态更新视电阻率成像。1.2监测系统组成ZDJ11型矿用本安型电阻率监测系统主要由地面设备和井下本安设备组成。
12、地面设备由地面服务器和配套地面光端机,以及服务器上安装的配套监控与数据处理软件、数据库、动态成像软件等组成。井下本安型设备由矿用本安型交换机及配套隔爆兼本安电源,通信光纤,收发一体监测分站1及配套隔爆兼本安直流稳压电源,收发一体监测分站2 及配套隔爆兼本安直流稳压电源,以及两个监测大线与若干电极等组成。系统组成如图1所示。系统各部分功能:地面设备用于完成远程控制监测分站测点间智能电流供电与电位差采集,并完成监测数据的读取、存储、预处理及视电阻率相关辨识,以及视电阻率的动态成像;矿用本安型交换机用于完成监测分站与地面服务器之间的信号传输;通信光纤用于井下监测站与地面服务器之间的数据传输;监测分站
13、为低频交流发射与全波形采集一体监测分站,如果监测分站设置为低频交流发射监测站,则用于完成地面服务器设置的指定基频的多个低频交流人工场源信号同步发射,智能供电电极切换等指令的执行,并将发射监测分站对应电极的发射电流值发送至地面服务器,同时根据监测电流值,实时调整接人限流电阻;如果监测分站设置为全波形接收监测分站,则用于完成地面服务器设置的智能接收电极切换,接收信号调理和低噪声全波形数据采集,并将对应测试点电极的采集电压差值发送至地面服务器;监测大线与电极,用于完成场源的建立,感应信号的收集,通过电缆大线将各电极连接至收发一体监测分站;隔爆兼本安型电源,用于井下配套设备的本质安全电源地面服务器监控
14、与数据电阻率网线地面用数据处理库动态成像光端机地面TTTTT井下井下工业环网光纤井下电网矿用本安型隔爆本交换机安电源监测大线及电极隔爆兼本安监测直流稳压电源分站1回风巷D32D9D1井下电网监测工作面推进方向D32D9D1隔爆兼本安监测运输巷直流稳压电源分站2监测大线及电极图1监测系统组成地面硬件设备、井下通信设备等为已有成熟设备,本研究主要开发收发一体监测分站及其配套的隔爆兼本安型直流稳压电源、地面服务器用监控与数据处理软件及配套数据库。其关键技术难点是:监测分站中用于提高数据采集效率的多频同步发射1502023年第8 期研究探讨程炭煤技术、电极功能与接人次序的电极智能控制技术;高分辩率、强
15、抗电磁干扰、重复性好的高性能数据采集技术,监测分站配套低噪声本安型电源电路,以及地面服务器中监控与数据处理软件的视电阻率有效辩识技术等2系统关键技术2.1收发一体监测分站组成收发一体监测分站由CPU、多频同步发射模块、智能电极控制模块、高性能采集模块、光网络模块等组成,并由配套的低噪声隔爆兼本安直流稳压电源供电,由光纤与地面服务器通信,其原理如图2所示。收发一体监测分站多频GPIO序列隔离电路多频同步FTIM发射发射模块低噪声隔爆兼本安直流从CPU电流ABALB稳压源指令智能电极电极1主CPU串口控制模块接入电极2电极MNMLAN女女指令高性能光网络模块串口串口采集模块接收电位差光纤图2电法监
16、测站系统原理2.1.1多频同步发射模块多频同步发射技术主要包括多频同步驱动波形生成技术,以及包含隔离驱动电路、全桥变换电路、双重限流保护电路以及DC/DC变换器等的本安型高压输出电路,电路原理示意如图3所示。低压驱动方波隔离驱动电路TIM1/(PWM)ARM高压方波输出Cortex-M3全桥变化电路GPIO(I)GPIO(O)过流保护电路DC/DC变换器恒流保护电路(9V/100V)双重限流保护图3多频同步发射电路原理示意1)多频同步驱动波形生成。为提高信号的采集效率,系统引人2 伪随机编码序列14,即一次可以同步发射n个主频,本文一般选用单频、3频或5频波,通过ARMCortex-M3预存储
17、2 序列,并通过设置ARMCortex-M3的高级定时器脉冲宽度调整(PW M)模式的频率与占空比,产生基频为12 8、6 4,32、16,8、4,2,1,0.48,0.2 4,0.12 H z 的单频、3频或5频等多频同步驱动方波。2)本安型高压输出电路实现。根据CB3836对煤矿井下防爆的要求15,考虑到煤层的接触电阻一般在1 2 k欧姆之间,为提高系统的有效信号检测能力,系统高功率输出电路设计为最大发射开路电压90 5V,最大供电电流50 5mA。如图3所示,多频同步发射由DC/DC变换器将直流稳压9V电源变成10 0 V,然后通过双重限流保护电路送人全桥变换电路,再被多频同步波形驱动输
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