一種實時監(jiān)測礦井塌方系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種實時監(jiān)測礦井塌方系統(tǒng)，屬于礦山監(jiān)測設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 塌方是礦井在自然力作用下，出現(xiàn)的塌陷下墜的自然現(xiàn)象。冒頂是采掘空間內(nèi)或 者井下其他工作地點頂板巖層的墜落。在礦井施工中，塌方和冒頂是沒有本質(zhì)區(qū)別的。所 以在礦井中，這類非人為出現(xiàn)的塌陷、墜落的自然現(xiàn)象經(jīng)常被聯(lián)系在一起描述。塌方是礦井 施工中最常出現(xiàn)的重大地質(zhì)災(zāi)害，約占各類重大地質(zhì)災(zāi)害的90%以上。例如，我國的成昆 線、大秦線、衡廣線等，因塌方造成的停工約占總工期的1/4-1/3。因此，塌方是礦井施工中 出現(xiàn)最多最大的地質(zhì)災(zāi)害。如何對產(chǎn)生塌方的地域進(jìn)行實時報警，為救援團(tuán)隊提供更多、更 準(zhǔn)確的信息(如塌方發(fā)生的時間、地理位置等等)，成為人們?nèi)找骊P(guān)注的問題。
[0003] 在大量研讀國內(nèi)外有關(guān)監(jiān)測礦井塌方方面的文獻(xiàn)之后，發(fā)現(xiàn)雖然在理論研宄礦井 塌方方面成果比較多，但現(xiàn)也存在一些缺陷。例如在專利名稱為：礦井塌方報警器（【申請?zhí)枴?201220163608. 2)中，利用形狀記憶合金的電阻特性，連續(xù)監(jiān)測礦井是否有塌方的產(chǎn)生。其 監(jiān)測原理如下：把形狀記憶合金鋪設(shè)于礦井表面。在沒有塌方產(chǎn)生時，形狀記憶合金呈現(xiàn)母 相狀態(tài)，其電阻值為零，或者為一個接近零的數(shù)值；當(dāng)有塌方產(chǎn)生時，由于形狀記憶合金受 到塌方位移壓力作用而發(fā)生相變，其電阻值會變?yōu)橐粋€大于零的數(shù)。所以可以通過監(jiān)測形 狀記憶合金的電阻值是否為零，判斷是否有塌方的產(chǎn)生。但由于該方案要把形狀記憶合金 貫穿整個礦井，當(dāng)某個地區(qū)發(fā)生塌方時，就會造成形狀記憶合金的電阻發(fā)生變化，雖然能監(jiān) 測出是否有塌方的產(chǎn)生，但是監(jiān)測不出塌方的具體地理位置，不能為后續(xù)的救援提供詳細(xì) 信息；并且礦井的巷道是隨著生產(chǎn)不斷延伸的，如果想要監(jiān)測新巷道塌方產(chǎn)生情況，需要再 次鋪設(shè)新的形狀記憶合金，而且該套方案的鏈接方式全部是有線鏈接，線路復(fù)雜，在礦井下 施工不變，造價較高，易擴(kuò)展性差，不合適監(jiān)測大規(guī)模礦井的塌方情況。
[0004] 在專利名為：一種礦山安全報警器（【申請?zhí)枴?01220639899. 8)中發(fā)明了一種礦 山塌方報警器。雖然報警器在發(fā)生塌方時，會發(fā)出報警(聲音、燈光)，但是報警器只會在的 巖石墜落過程中發(fā)出報警，一旦報警器墜落到地面，就可能被砸毀，致使報警器無法繼續(xù)報 警。而且該種報警器之間不能相互通信，塌方信息不能被有效傳遞到地面安全中心中，進(jìn)而 造成更大的安全隱患。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了有效克服現(xiàn)有的監(jiān)測礦井塌方技術(shù)不能提供塌方的具體地理位置信息，以及 塌方信息不能被有效的傳遞到地面安全中心中等缺陷，本實用新型提供實時監(jiān)測礦井塌方 系統(tǒng)，該監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以有效的監(jiān)測礦井中是否有塌方產(chǎn)生，而且可以監(jiān)測出塌方的具 體地理信息以及保證塌方信息可以被有效的傳遞到地面安全中心中，本實用新型通過以下 技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0006] 一種實時監(jiān)測礦井塌方系統(tǒng)，該系統(tǒng)由安裝在地面安全中心的上位機(jī)和若干 實時監(jiān)測簇組成，每一個簇包括一個簇頭網(wǎng)關(guān)和若干簇員塌方監(jiān)測器，網(wǎng)關(guān)包括絕緣外 殼II 4、螺絲孔II 5和置于絕緣外殼II 4內(nèi)部的電路板II，每個塌方監(jiān)測器包括絕緣外 殼I 1、螺絲孔I 2和置于絕緣外殼I內(nèi)部的電路板I，網(wǎng)關(guān)中電路板II包括微型處理 器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530無線通信模塊、以太網(wǎng)MAC控制器DM9000AEP和包含 備用鋰電池的供電系統(tǒng)I，ZigBeeCC2530無線通信模塊、以太網(wǎng)MAC控制器DM9000AEP 與微型處理器STM32F103ZET6信號連接，包含備用鋰電池的供電系統(tǒng)I為微型處理器 STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530無線通信模塊、以太網(wǎng)MAC控制器DM9000AEP提供電源，網(wǎng)關(guān) 中ZigBeeCC2530無線通信模塊網(wǎng)關(guān)的天線II 6位于絕緣外殼II 4的外部，塌方監(jiān)測器中的 電路板I包括微型處理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530無線通信模塊、重力加速度傳感 器ADXL335和包含備用鋰電池的供電系統(tǒng)II，微型處理器STM32F103ZET6與ZigBeeCC2530 無線通信模塊、重力加速度傳感器ADXL335信號連接，包含備用鋰電池的供電系統(tǒng)II為微 型處理器STM32F103ZET6、ZigBeeCC2530無線通信模塊、重力加速度傳感器ADXL335提供電 源，塌方監(jiān)測器中的ZigBeeCC2530無線通信模塊塌方監(jiān)測器的天線I 3位于絕緣外殼I 1 的外部，網(wǎng)關(guān)與安裝在地面安全中心的上位機(jī)有線通訊。
[0007] 所述每一個簇中一個網(wǎng)關(guān)能最多管理254個塌方監(jiān)測器。
[0008] 上述網(wǎng)關(guān)可以直接與該簇的塌方監(jiān)測器通信，不需要其它的該簇的其它塌方監(jiān)測 器轉(zhuǎn)發(fā)信息。塌方監(jiān)測器會自行加入到一個簇中，并且每個塌方監(jiān)測器只能加入到一個簇 中。塌方監(jiān)測器與網(wǎng)關(guān)之間的通信使用ZigBee無線通信。當(dāng)把網(wǎng)關(guān)和塌方監(jiān)測器固定到 礦井巷道的頂板并上電之后，塌方監(jiān)測器會自動完成上述加入簇的過程，加入簇的過程也 稱為組網(wǎng)過程。由于ZigBeeCC2530具有快速組網(wǎng)的特性，完成上述組網(wǎng)過程只需要30毫 秒的時間。由于礦井中不同的區(qū)域，發(fā)生塌方的幾率也不近相同，并且ZigBee的短距通信 大概的10m~100m之間，如果增大發(fā)生功率，通信半徑可以達(dá)到IKm m~3Km之間，所以塌方監(jiān) 測器與網(wǎng)關(guān)安放的位置可以根據(jù)礦井的實際情況合理布置。
[0009] 實時監(jiān)測礦井塌方系統(tǒng)的原理如下：首先將監(jiān)測系統(tǒng)固定到礦井行道的頂板上， 塌方監(jiān)測儀器利用其重力加速度傳感器ADXL335監(jiān)測是否有塌方的產(chǎn)生。當(dāng)沒有塌方產(chǎn) 生的時候，塌方監(jiān)測器的重力加速度傳感器ADXL335測量到的加速度值為零；當(dāng)有塌方產(chǎn) 生時，重力加速度傳感器ADXL335測量到的加速度值為大于零的一個數(shù)值。為了保證塌方 能被實時的監(jiān)測到，塌方監(jiān)測儀器中的微型處理器STM32F103ZET6會每隔1毫秒自動讀取 一次重力加速度傳感器ADXL335的測量值，并對讀取到重力加速度傳感器ADXL335的測 量值進(jìn)行判決，判斷是否有塌方的產(chǎn)生。本實用新型利用ZigBeeCC2530無線通信模塊的 低功耗、反應(yīng)快的特點，當(dāng)塌方監(jiān)測器在監(jiān)測到有塌方產(chǎn)生時，塌方監(jiān)測儀器的微型處理 器STM32F103ZET6會在0· 2秒時間內(nèi)激活ZigBeeCC2530模塊并用ZigBeeCC2530模塊把 塌方信息(塌方的時間、地點等信息）傳遞到該簇的網(wǎng)關(guān)中。當(dāng)網(wǎng)關(guān)的ZigBeeCC2530模塊 接受塌方監(jiān)測器發(fā)出無線ZigBee信號時，會將接受到的信號發(fā)送給網(wǎng)關(guān)中的微型處理器 STM32F103ZET6,微處理器會將接受到的ZigBee信號轉(zhuǎn)換成符合TCP/IP協(xié)議的信號，并將 轉(zhuǎn)換后的信號發(fā)送給以太網(wǎng)MAC控制器DM9000AEP，以太網(wǎng)MAC控制器DM9000AEP會將接受 的信號以有線方式發(fā)送到安裝在地面安全中心的上位機(jī)，上位機(jī)以圖形界面的方式，實時 顯示礦井下方是否的塌方產(chǎn)生情況。
[0010] 設(shè)定微處理器在〇. 2秒的時間內(nèi)，把信息傳遞出去的原因如下：根據(jù)《礦山工人安 全生產(chǎn)必讀》一書規(guī)定，巷道最低高度A不得少于I. 6米，又因為礦井塌方掉落的巖石是做 自由落體運動，根據(jù)自由落體公式A = l/2g￡2 (g代表重力加速度)，可算出巖石從頂板掉落 到地面的時間為0. 56秒。為了在塌方產(chǎn)生后，確保儀器在沒有損壞之前把信息傳遞出去， 塌方監(jiān)測器在監(jiān)測到有塌方產(chǎn)生時，微型處理器STM32F103ZET6必須在0. 56秒的時間內(nèi)， 激活ZigBeeCC2530模塊并把信息傳遞到該簇的網(wǎng)關(guān)中。又為防止其他意外情況的產(chǎn)生，本 實用新型所設(shè)計的塌方監(jiān)測器會在0. 2秒的時間內(nèi)，完成激活ZigBeeCC2530模塊并把信息 傳遞到該簇網(wǎng)關(guān)中，以此保證塌方監(jiān)測器在沒有被下落的巖石損壞之前，把塌方的相關(guān)信 息發(fā)送的網(wǎng)關(guān)中。
[0011] 本實用新型的有益效果是：（1)本系統(tǒng)能監(jiān)測礦井是否有塌方產(chǎn)生，并在儀器沒