地震勘探中多炮远程控制系统设计_郑万波.pdf

第41卷第6期 2013年12月 煤田地质与勘探 COALGEOLOGY 2.重庆大学光电工程学院， 重庆400044;3.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039 摘要针对现有矿井地震勘探超前预测数据采集过程中多采用人工放炮，操作时间长、安全隐患 多等缺点，依据国家及行业相关规程规定，采用TCP/IP和EDSL混合组网传输技术、嵌入式控制 技术，设计了一种具有远程多炮控制、盲炮集中处理和环境瓦斯浓度监测功能的系统．经过测试， 该系统可以有效减少因前方地质情况不明诱发的次生灾害，简化了操作流程，提高了生产效率。 关键词地震勘探；集中放炮系统；远程有线控制；环境监测 中图分类号P631文献标识码ADOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2013.06.0l 6 Design of the key technologies for multi-shot remote control device in seismic exploration ZHENG Wanbo1,2,3, WU Yanqing口，HUYunbing1,2,KANG Houqing1,2 1. State Key Laboratory of Gas Hazard Monitoring Control and Emergency Technology, Chongqing 400037, China; 2. School of Photoelectric Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 3. China Coal Technology and Engineering Group, Chongqing Resear℃h Institute, Chongqing 400039, China Abstract Aiming at shortcomings of data acquisition of the existing in-mine seismic exploration,such as manual shooting, long operation, many potential safety hazards etc., in accordance with the national and coal mine industry regulations, the paper used the transmission technology of TCP/IP and EDSL hybrid network, embedded control technology, designed a multi-shot remote-control system, which is characterized by multi-shot, remote control of multi-shot, centralized processing of blind shot and gas concentration monitoring. After test, the system can reduce the secondary disasters induced by unknown geological situation in working face, simplify operational processes, and improve production efficiency. Key words seismic exploration; cen位alizedshooting system; wired remote control; environmental monitoring 井下地震勘探放炮作业过程中，多采用人工方 式逐一放炮，逐一检测现场瓦斯浓度，其作业程序复 杂，时间长［汀，存在爆破有害效应，对现场作业人员 造成多种危害［23］。因此，采用远程放炮控制系统代替 人工作业的方法，可以减少和避免这些危害。 国外的放炮控制系统包括有线系统和无线系统 两种。美国Macha放炮系统［4］和法国Sercel公司制 造的408UL反L的放炮系统LSSLineShooting System）采用有线通信方式，解决了在山地及复杂地 形施工中由于通讯困难所造成的TB不能回传或不 能放炮的问题［5］。美国SeismicSource公司生产的最 新一代放炮系统BOOMBOX具备中继功能，可有 效解决408叽仪器在山区、沙漠等地形复杂地区实 现无线放炮的问题［6］。 收稿日期2012-12-12 基金项目国家科技重大专项课题（20l 1ZX05040-002 本文讨论一种适用于煤矿井下、隧道等环境下地 震勘探中多炮有线远程通信控制系统的设计方案。 1 系统设计 根据煤矿安全规程［7］的一炮三检原则，在装 药前、爆破前和爆破后，应有瓦斯员检查瓦斯浓度， 所以系统挂接了瓦斯传感器。整个系统采用矿用本安 型设计，适用于煤矿井下、高瓦斯隧道等环境。根据 地质勘探安全规程［8］和爆破安全规程［坷，线 路铺设应该避开输电线路，爆破作业站应设置在上风 方向的安全区内，并与炮口有良好的通视。 如图1所示，根据施工现场位置，分为安全区 域和危险区域。在安全区域，安装信号转换器B、 矿用本安型计算机和起爆器；在危险区域安装信号 作者简介郑万波（1981），男，四川自贡人，助理研究员，硕士，从事矿井救援通信技术和工程物探仪器开发研究． ChaoXing 第6期郑万波等地震勘探中多炮远程控制系统设计 65 信号转换器A 危险区域 距离＜2km 信号转换器B 矿用本安型计笋机 本安型起爆器 圭盒里星 图1地震勘探中多炮远程控制系统框图 The block diagram of multi-shot remote control system in seismic exploration Fig. 1 转换器A、信号盒、瓦斯传感器、多炮控制器、引 爆设备和炸药。 2 远程通信功能设计 远程通信功能设计包括端对端数据转换模块和 嵌入式控制模块两部分。端对端数据转换模块完成 长距离通信数据传输；嵌入式控制模块为上位机操 作指令的执行机构。 2.1 长距离端对端数据转换 如图2所示，矿用本安计算机与信号转换器A、 防爆地质超前探测仪、信号转换器B采用TCP／囚 的通信方式。信号转换器A和信号转换器B采用高 带宽的EDSL协议传输。信号转换器实现EDSL信 号向以太网信号转换。双绞通信线即铺即用，实现 双绞线上的长距离通信。 表1命令帧 Table 1 Frame of orders 3 4 5 类型字符数据高字节数据低字节 byte 无无 表2数据帧 Table 2 Frame of data 3 4 5 类型字符数据高字节数据低字节 lbyte 4byte 4byte 序号 数据名称 字符数 起始字符 lbyte 2 地址字符 lbyte 序号 数据名称 字符数 起始字符 lbyte 2 地址字符 byte 图2端到端长距离传输网络铺设图 Fig. 2 End-to-end long distance communication network 矿用本安型计算机采用WINDOWSXP操作系 统，通过人机交互软件发送远程操作命令，远程控 制防爆地质超前探测仪。 防爆地质超前探测仪采用WINDOWSCE操作系 统，通过接收矿用本安型计算机发送控制指令，执行 多炮控制操作、传输环境监测数据和炮点信息存储查 询操作。 2.2 嵌入式控制模块通信协议设计 在协议设计过程中，需要考虑的问题有a.具 有易识别的帧头、帧尾；b.扩展方便，既可以是较 短命令帧，也可以是较长的数据帧；c.主从机具有 自己的B号；d.校验方式；e.接收数据容易解析； 1符合TCP/IP电气特性，可以与井下工业以太网和 信号转换器连接通信。 2.2.1 帧结构设计 通信数据由前导码、起始字节、地址字节、类 型字节、数据长度字节、数据字节、校验字节和结 束字节。其帧结构如表1和表2所示。 2.2.2 通信规则 在通信的过程中应该遵循以下规则 a.主机（本安计算机）定时轮询各个节点，并需 要从机（放炮控制器）提交对应的设备状态。 b.主机发送数据请求后，进入接收状态，同时 开启超时控制。如果在规定时间内不能收到正确应 答，则判断从机不在线，取消这次查询。 c.从机复位后，将等待主机发送指令，并根据 具体的指令内容做出应答。如果接收到的指令帧错 误，则直接丢掉该帧，并向上位机发送错误报告。 d.盲炮检测。放炮完后进行盲炮检测，并向主 机返回测试报告。 6 校验字符 无 符 7－字”， －←口RHLO - -RJqL 结 6 校验字符 2byte 7 结束字符 2byte ChaoXing 66 煤田地质与勘探第41卷 3 多炮集中控制功能 多炮集中控制主要考虑正常的放炮控制和后期 的盲炮处理。 3.1 放炮控制 如图3所示，控制系统采用AT89C52单片机， 控制N路继电器对炮线进行控制，同时采用 RT8019AS作为以太网的驱动芯片，与上位机（矿用 本安型计算机）通信，实现远程控制数据传输。串口 作为采集控制板的测试口。 控制信号输入 仑 信号转换器A 图3单片机控制电路框图 Fig. 3 The block diagram of single-chip microcomputer control circuit 3.2 盲炮处理 在盲炮检测中，监测雷管的电阻，如果放炮成 功，采用绿灯显示，则电雷管处于一种高阻状态； 如果第一次放炮不成功，采用黄灯显示，则雷管处 于一种低阻状态。补放盲炮不成功，用红灯显示。 出现盲炮时应从炮孔中取出拒爆药包销毁；不能从 炮孔中取出药包者，可装填新起爆药包进行诱爆。 3.3 多炮控制流程 如图4所示，上位机（矿用本安型计算机）对从 机（放炮控制器）进行通信控制检验，检验系统是否 能够正常通信；如果系统能够正常工作，释放死锁 装置，开始进入循环放炮并采集地震波程序，放完 第N;il～n）炮，进行盲炮检测；完成一次放炮后进 行瓦斯浓度检测，如果瓦斯浓度超标，则系统锁死， 等待操作员排除现场隐患；如果瓦斯不超标则进入 掌子面 2号洞炮位图示 .. 隧道 下一炮的处理程序；最后统一进行补放盲炮处理， 并在处理过程中对盲炮序号进行标记，避免数据反 演中原始数据序号错乱。 开始放第N，炮il-n 图4多炮控制流程 Fig. 4 Multi- shot control flow chart 4 环境监测功能设计 在环境监测中，选用两个200～1000 险的瓦斯 传感器，分别置于第1炮和第N炮附近，测量量程 为0～5VN），采用单片机的定时器和计数器对频 率信号进行统计，从而测量出瓦斯浓度。外部中断 采用上升沿触发方式。 根据一炮三检原则，由系统控制勘探数据采集 并上传现场瓦斯浓度。当瓦斯浓度超过1，系统发 出声光报警，现场操作人员排除不安全因素后，再 进行进一步放炮操作。 5 实验测试 多炮集中远程控制系统在重庆市歌乐山隧道2 号工段进行测试。如图5所示，测试炮数为24炮， 隧道洞口 图5系统隧道测试网络铺设示意图 Fig. 5 The scheme of test laying the system in tunnel ChaoXing 第6期郑万波等地震勘探中多炮远程控制系统设计 67 瓦斯传感器A放置在掌子面附近，瓦斯传感器B 放置在钢管附近，信号转换器A、放炮控制器和防 爆地质探测仪放置在检测传感器附近，本安计算 机、信号转换器B和起爆器放置在洞口。采用4 芯通信线，信号转换器和起爆器控制各用2芯。现 场设置第10炮保持低阻状态（盲炮），补炮操作前接 上雷管。 经过测试，系统能够按照放炮流程执行第1- 24炮，检测出第10炮为盲炮，并进行补炮处理。 该系统避免了放炮员和瓦斯检查员每放一炮就得在 炮点和安全区域走动，减少了放炮引发的瓦斯突出、 水害、飞石、有毒有害气体等危害可能对施工人员 造成的次生灾害。系统铺设时间大约等于人工操作 完成一次采集的时间，提高了工作效率。 6结论 a.依据矿山安全规程、地质勘探安全规 程和爆破安全规程中的相关规定，为解决地质 勘探中的人工放炮作业存在的问题，提出了一种基于 双绞线的多炮远程集中控制系统关键技术设计。 b.该系统除具有一般放炮系统的集中放炮控 制功能外，还根据矿井作业的实际需求，增加了环 境检测和盲炮集中处理功能。 （上接第63页｝ 可将开采上限提至－130m，此时实际最小煤岩柱52m, 大于规程要求的50.3m防水煤岩柱厚度，符合“三下” 开采规程规定，开采是安全可行的。 5结论 a.通过研究西三采区水文地质资料，确定西 31000工作面第四系底部含水层为弱富水性，水体采 动等级为E级。按“三下”采煤规程，可按防砂留设安 全煤岩柱，但为安全起见，西31000工作面先按防水 设计，待成功试采后，再按防砂进一步缩小安全煤岩 柱。 b.确定西31000工作面采厚3m时最大导水裂 缝带高度为41.3m，按防水设计，可将开采上限提至 -130 m。 c.在缺乏提高开采上限经验并且对风氧带抑制 导水裂缝带高度的程度认识不够情况下，分阶段提高 巨厚松散含水层下煤层开采上限是安全、合理的。 西31000工作面已成功采出原煤22.1万t，取得 了巨大的经济效益，获得了巨厚松散含水层下提高煤 层开采上限的宝贵经验，同时也为进一步提高开采上 限打下了良好的基础。 c.采用机器控制代替人工操作，保障了作业人 员安全，简化了操作流程，节约了作业时间。 d.系统即铺即用，工作稳定，值得在煤矿，非 煤矿山、高瓦斯隧道的地震波探测过程中推广应用。 参考文献 [I］郑万波，吴燕清基于EDSL的防爆地质超前探测远程控制装 置设计及应用［月．煤田地质与勘探，2011,395 66--68. 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