矿震监测定位系统的研究及应用.pdf

第 2 6卷第 5期 2 0 0 7年 5月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g Vl0 1 ． 2 6 No ． 5 M a y， 20 07 矿震监测定位系统的研究及应用 潘一山 ，赵扬锋 ，官福海 ，李 国臻 ，马植胜 1 ．辽宁工程技术大学 力学与工程科学系，辽宁 阜新 1 2 3 0 0 0 ；2 ．辽宁工程技术大学 理学院，辽宁 阜新 1 2 3 0 0 0 3 ．北京吴华能源股份有限公司，北京 1 0 2 3 0 0 摘要为确定矿震发生的时间、地点、震级，结合煤矿实际情况，研制一套国内首台具有自主知识产权的矿区千 米尺度破坏性矿震监测定位系统。该系统采用在矿区地面布置 4个子台，子台由三分向加速度传感器组成，拾取 振动波信号。为保证 4个子台矿震数据的时间精度，采用 GP S网络授时作为时间基准，通过对振动波的频率、振 幅等特征分析，对矿震波进行 自动识别，排除放炮等振动信号。各子台矿震信号通过网络传输到中心测控机，中 心测控机对各子台进行远程控制管理，监控各子台的工作状态。中心测控机对数据进行处理和分析，计算矿震发 生时刻，通过振动波持续时间计算矿震震级，采用 3种方法计算矿震发生位置。该系统可为矿井迅速准确组织救 灾、减少损失提供依据。同时，通过对每天矿震发生的时间、次数、位置、震级进行统计分析，可对未来的矿震 发生趋势进行预测。系统的运行情况表明，监测结果与实际矿震较吻合，定位结果小于规定的误差上限。 关键词采矿工程矿震；监测定位；G P S授时 中圈分类号T D 8 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 06 9 1 5 2 0 0 7 0 51 0 0 21 0 S TUDY oN RoCKBURS T M oNI ToRI NG AND oRI ENr】 TI oN S YS TEM AND I TS AP PLI CATI oN P AN Yi s ha n ， ZHAO Ya n gf e n gl ， GUAN Fu ha i ， LI Gu o z h e n 2 ， M A Zh i s h e n g3 1 ． De p a r t me n t o f Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g S c i e n c e s ，L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i t y ，F u x i n ，L i a o n i n g 1 2 3 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f S c i e n c e ，L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i ty，F u x i n ，L i a o n i n g 1 2 3 0 0 0 ，C h i n a ； 3 ． B e ij i n g Ha o h u a E n e r g y R e s o u r c e s C o ． ，L t d ． ，B e ij i n g 1 0 2 3 0 0 ，C h i n a 1 Ab s t r a c t ．I n o r d e r t o a s c e r t a i n ti me ，p o s i t i o n a n d ma g n i t u d e o f r o c k b u r s t o c c u r r e n c e ，c o n s i d e ri n g t h e a c t u a l s i t ua t i o n o f C Oa l mi n e， r o c k bu r s t m o n i t o rin g a n d o rie n t a t i o n s ys t e m i s d e v e l op e d ．Th i s s y s t e m c a n m o n i t o r d e s t r u c ti v e r o c k b u r s t i n k i l o me t e r d i me n s i o n o f mi n i n g a r e a a n d h a s the i n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y rig h t i n Chi n a ．Fo u r s u bs t a tion s c o mp os e d o f t h r e e c o m p o n e n t a c c e l e r a tio n s e ns o r s are l a i d i n t h e mi n i ng are a f l o o r ， c o l l e c t i n g v i br a t i o n wa v e s i g n a 1 ． I n o r de r t o g uara nt e e the t i me a c c u r a c y o f r oc k bu r s t d a t a o f fou r s u bs t a tio n s ，GPS n e t wo r k t i me s e r v i c e c a n b e a c h i e v e d ． Ba s e d o n t h e c h ara c t e ris t i c s a n a l y s i s o f the v i b r a t i o n wa v ee q u e n c y a n d a mp l i t u d e ，r o c k b u r s t wa v e i s i d e n t i f i e d a u t o ma t i c a l l y ； a n d v i b r a ti o n s i g n a l s o f s h o o t i n g a n d S O o n are e l i mi n a t e d ． The r o c k b u r s t s i gn als o f e v e r y s u bs t a t i on are t r a n s mi t t e d t o t he c e n t e r m e a s u rin g a n d c on t r ol l i ng c o mp ut e r b y t h e n e t wor k． Th e c e n t e r me a s u rin g a n d c o n t r o l l i n g c o mp ut e r m a na g e s e ve ry s u b s t a tio n b y r e m o t e c o n t r o l ， m o n i t o rin g wo r k i n g c o n d i t i o n o f e v e ry s u b s t a t i o n ． At the s a me t i me ，b y the c e n t e r me a s u ri n g a n d c o n tro l l i n g c o mp u t e r ，the d a t a i s a n a l y z e d a n d m a na g e d； the ti m e o f r oc k bu r s t oc c u rre n c e i s c a l c u l a t e d； a n d th e r o c k b u r s t ma g n i t u d e i s c omp u t e d b y du r a tio n o f r o c k b ur s t wa ve ． Th r e e me thod s f o r c ompu t i n g th e l o c a tio n o f r o c k b u r s t are a d o pt e d ．Th i s s y s t e m p r o v i d e s a b a s i s for p r o mp t a n d a c c u r a t e d i s a s t e r r e l i e f a n d d e c r e a s e o f l o s s i n t h e mi n e ． At the s a me t i me ， t he s t a t i s t i c a n aly s i s of the t i me， f r e q u e n c y， l o c a t i o n a nd ma g n i t ude o f r o c k bu r s t o c c u rre nc e i S c a r r i e d o u t e v e ry 收稿 日期2 0 0 61 2 0 l ；修回 日期2 0 0 7 0 20 9 基金项目l国家自然科学基金重大项 目 5 0 4 9 0 2 7 5 作者简介--d 1 1 9 6 4一 ，男，博士，1 9 8 4年毕业于阜新矿业学院矿山工程力学专业 ，现任教授 、博士生导师，主要从事岩石力学方面 的教学与研 究工作。E ma i l p a n y i s h_c ns i n a ． c o m 维普资讯 第 2 6卷第 5期 潘一山，等．矿震监测定位系统的研究及应用 1 0 0 3 da y wi t h the s y s t e m a n d t h e f u t u r e t r e n d o f r o c kb u r s t o c c u r r e n c e c a n be f o r e c a s t e d． Th e op e r a t i o n o f t h i s s y s t e m i n a y e a r s ho ws t ha t t he m o n i t o rin g r e s u l t s are f u l l y i d e n t i c a l wi th the a c t ua l r o c k b u r s t a n d th e o rie nt a t i o n r e s u l t s are s m a l l e r t h a n t h e e rro r o f u p pe r l i mi t ． K e y wo r d s mi n i ng e ng i n e e rin g； r oc kb u r s t m o n i t o rin g； o rie n t a t i o n GPS t i me s e r v i c e 1 引 言 矿震是采矿诱发的矿井地震 ，是矿井 的一大 自 然灾害。矿震发生时，围岩迅速释放能量，煤岩瞬 间突然破坏 ，造成 冒顶片帮、支架折断、巷道堵塞 、 地面振动、房屋损坏和人身伤亡 。我 国矿井大多建 于 2 0世纪 5 0 6 0年代 ，目前这些矿井即将进入深 部开采，矿震危害将变得越来越严重【 I J 。作为矿 震预测和控制的基础工作，矿震监测和定位具有重 要的意义，不仅可以根据矿震监测结果做到迅速准 确地组织救灾，减少损失；而且可根据监测结果对 未来 的矿震进行预报 。目前，国内已有的应用研究 一 般引进 国外或 自制 的微 震监测系 统如唐礼忠 等【 j 】 在冬瓜山引进的 I S S微震监测系统；姜福兴 等[ 5 9 1 研制的微地震定位监测系统 ；李庶林等l l o 1 在 凡 口铅锌矿研制的多通道微震监测系统 ；刘英利和 徐建新【 I 研制的强震与微震观测系统 。但这些系统 都是对 已知开采危险区百米尺度 的微破裂监测，对 于矿区千米尺度内破坏性冲击地压 的监测定位国内 外还没有。本文结合煤矿的实际情况，研制 了一套 矿震监测定位系统。系统采用在矿区地面布置 4个 三分向加速度传感器组成子台，拾取振动波信号。 为了保证 4个子台矿震数据的时间精度 ，采用 G P S 网络授时作为时间基准 。通过对振动波的频率、振 幅等特征分析，对矿震波进行 自动识别，排除放炮 等振动信号。 各子台矿震信号通过网络传输到中心测 控机。中心测控机对各子台进行远程控制管理 ，监 控各子台的工 作状态。中心测控机对数据进行处理 和分析，计算矿震发生时刻，通过振动波持续时间 计算矿震震级，采用 3种方法计算矿震发生位置， 从而为矿井迅速准确组织救灾、减少损失提供了依 据 。同时，通过对每天矿震发生的时间、次数、位 置 、震级进行统计分析 ，可对 未来的矿震发生趋势 进行预测。系统的运行情况表明， 监测结果与实际矿 震较吻合，定位结果小于误差上限。 2 矿震监测定位原理 2 ． 1 矿震信号的监测 与识别 2 ． 1 _ l矿震信号的采集与识别 通过传感器测得信号后，为了排除放炮等干扰 ， 识别 出矿震信号，对所有子台测量振动信号数据进 行滑动平均滤波，判断信号频率范围为 l ～4 O H z ， 滤波后信号振幅大于原始信号的 2 ／ 3为矿震信号， 频率范围根据每个矿的实际情况选定，北京木城涧 矿频率范围为 2 0 3 0 Hz ，阜新五龙矿频率范围为 5 ～1 5 Hz 。滑动平均法的滑动窗 口取矿震信号周期 的 1 ／ 1 0 。当检测到子台的矿震信号时，进行数据存 盘 ，显示矿震波形 ，矿震声光报警，并被传输到 中 心测控机。其程序流程可参见图 l 。 基本参数设定 判断各子台接收振动信号 、、 至 滑 莩 动 I 是 ． ． ． ．． ． ． ． ．． ． ． ． ．． ． ． ．．J．．． 一 信号数据存盘 矿震波形 显示 报警 声光 否 图 1 矿震信号识别程序流程图 F i g ． 1 F l o wc h a r t o f r o c k b u r s t s i g n a l i d e n t i f i c a t i o n p r o g r a m 2 ． 1 ． 2矿震 P波初始时刻确定 当监测到矿震信号时，数据采集完后读取 G P S 授时器当时的绝对时刻t 。 。再根据采样频率 厂计算 出第一个采样点对应的绝对时刻 t ． ，即 f 1 t o C t - -1 0 2 4 1 3 式中 C ． 为采样长度 ，单位是 k B。 通过滑动平均标准差法 自动识别 P波的起跳样 点 Da t a i 为采样点数 。根据采样频率 ．厂，可 以 求得起跳时间 d 丁 叮 2 矿震 P波 的初至时刻 可表示为 维普资讯 1 0 0 4 岩石力学与工程学报 2 0 0 7 年 t l d T 3 S波到时的确定比 P波难度大，选用小波分析 或分数维等方法较好 。值得注意的是 ，由于振相变 化，同一地点各个通道的初动时刻可能不 同，但其 差值很小。 2 ． 1 ． 3矿震方位确定 各通道从 P波初至时刻起 ，波形的第一个波峰 或波谷 对应的数值 含正负号 即为矿震 P波在 3 个 分向上 的监测分量，记为 A E W 向 ，A S N 向 ， A， 铅垂 向 。矿震 P波的初动方向 见图 2 并非 ， A ，A， 确定 的矢量 与 3个坐标轴的方 向余弦， 而是震源E与监测台站 的线段 E 的延长线上 的 矢量 A与 3个坐标轴 的方向余弦。这是因为矿震 P波在穿过地面到达传感器时会有一个角度 的变 化。进一步研究发现 ，A， ， ，E四点在经过点 的铅垂面上，故角度 的变化是二维的， 并非三 维的变化 ，即A ，A 的矢量和 A 与 轴的夹角 始终保持不变 。 J Z ／ Az ／ ／ Ol l ，Y1 ，z 1 AE 一 ／ I ， Y o ， Z o ／ 图2 P波的初动方向 F i g ． 2 Di r e c t i o n o f P wa v e i n i t i a l mo t i o n P波初动方向可 由以下方法确定 如图 3所示 ， 地震波 的地面传播方 向与地 面的夹角称为视 出射 角，用 表示；入射波 与地面的夹角称为真出射角， 用e 表示【 。 视 出射角可 由 P 波的铅垂和水平矢量之 比求 得 ，即 t a ne A A ㈣ 生 _ ； 皇 r 4 、 l A H 0 、 ／ I E l l N l 一 真出射角与视 出射角的关系为 cos ]] ㈣ I ／ ／／ I ／ A 地 面 o ． ／ 、 ～ AH ＼ ＼ ＼ 图3 P波入射到地表示意图 F i g ． 3 S c h e ma t i c p l a n o f i n c i d e n t P wa v e a r r i v a l g r o u n d s u r f a c e 式中 ， 分别为矿震的 P波和 S波速度。则有 ⋯cos ]]} ㈣ P波的初动方 向即为入射波 与 3个坐标轴的 方 向余弦，亦即 Z c o s e c o s c t 7 mc o s e s i n c t 8 r ／ s i ne 9 其中， a r ct an l AE l 2 ． 2 震源定位 2 ． 2 ． 1单台定位 当已知矿震 波和 波的速度分别为 ， 时，通过 程序得到 波 和 波 的监测到 时分别为 ， 。P波在 3个分向上 的初动矢量可用 以下方 法进行定位假设矿震波从震源出发，沿直线传播 到各个台站；矿震 波、 波的速度在整个监测矿 区内是均匀不变的。震源点到台站的距离为 r ，t 为 发震时刻。则有 r 一t 。 1 0 r 一t 。 1 1 由式 1 O ， 1 1 可得到发震时刻为 将式 1 2 代入式 1 O 或 1 1 可得到震源点到台站 的距离为 r 至 二 f 1 3 】 维普资讯 第 2 6卷第 5期 潘一山，等．矿震监测定位系统的研究及应用 如图 4所示 ，距离 r 按初动方 向，在 3个方向 上的分量 l l ’Y l l ’Z 1 1 加上台站 0 1 的矿区坐标值 ， Y ，Z 以 1 台站为例 就可得到震源点 E的 坐标 x 0 ， Y o ， Z o ，即 o l l l l l 1 4 Y o Y 1 l Y l 1 Y l 1 5 Z o Z 1 1 Z l 1 Z 1 1 6 式中f l ，， ， l ， 均为 1 台站接收到的P波初动方 D 向。 D 图 4 单台定位简图 Fi g ． 4 Di a g r a m o f s i n g l e s t a t i o n o r i e n t a t i o n 2 ． 2 ． 2 2或 3台定位 当有 2个或 3个台站获得微震信号时，通常有 两种处理方法。其一是在 2个或 3个单台定位结果 的基础上引进权系数 的方法定位 ，目前各个台站的 权系数取1 ／ n n 2或 3 ，这样所取权系数不能反 映各个台站信号的优劣，有待于根据一定数量 的定 位结果进一步加 以修正 ；其二是认为矿震波从震源 点E x o ，Y 。 ，Z o 到各个台站以射线传播，射线所在 直线 的交点或异面直线公垂线 的中点 直线不相交 时 ，即可作为震源坐标，此方法称为直线方程法。 以两 台站为例 ，如图 5所示，设台站 1 ，2矿区坐标 分别为 0 l ，Y 1 ，Z 1 和 D 2 2 ，Y 2 ，Z 2 ， 则 由两台站 P波初动方向确定 的直线方程分别为 r 】 7 1 Z l ml n l 2_ 二 2 1 8 1 Z 2 m2 n2 式中f 1 ，m， ，n ， 为 2 台站接收到的P波初动方向。 联立求解式 1 7 ， 1 8 ，如两直线交于一点 见 图 5 a ，则此 点的坐标即为震源 点 E x 。 ，Y 0 ，Z o D a 两直线相交 b 两直线异面 图5 2台定位原理图 F i g ． 5 S i mp l i f i e d o f t wo s t a t i o n s o r i e n t a t i o n 的坐标 ；绝大多数情况下 ，两直线为异面直线 见 图 5 0 o ，常采取作两异面直线的公垂线 ，以其公垂 线 的中点为所定位 的震源点。 当 3个台站测到微震信 号时，3个台站两两交 叉应用直线方程法可 以得到 3个交点或中点的坐标 值 ，引入权 函数定 出震源 点坐标 ，当权 函数都取 1 ／ 3 时就取平均值 。 2 ． 2 ． 3 多台定位 不小于 4个 台站的定位 ，称为多台定位。设矿 震震源点 E的矿 区坐标为 ，Y o ，Z 。 ，发震时刻 为 ，假定 P波在煤岩体介质中以常速度 传播， 则矿 震震源与第 f 个传感器之 间的走时方程 为 l [ 玉一 一 Z f Z o ] t o “1 ，2 ， ⋯，m 1 9 式 中 x i ， Y ，Z i 为第 i 个传感器的测量坐标； 为 监测到时；m为接收到信号的传感器个数； ，Y 。 ， Z 。 ，t 。 均为所要求 的微震源 时空参数。 维普资讯 1 0 0 6 岩石力学与工程学报 2 0 0 7年 用一般方法处理该非线性 问题 比较 困难 ，故用 第 个测点的走时方程减去第 k 个测 点的走时方程， 将式 1 9 转化为线性方程组，即 2 x i x k 2 y Y k 2 Z f Z k z 一 2 V 2 一T k t ． 一 ． 2 Y 一 Z 一z 2 一 昨 一 ，k 1 ， 2 ， ⋯，， ， 2 2 o 式 2 O 产 生 的 m m一1 ／ 2个 线 性 方程 中只 有 m一1 个是线 性独立 的 ，这 m一1 个 独立 方程 共有 C m⋯ - 1 - ， ， 种选取方法 ，随之产 生多种不 同的定位方 式。由于一般 的选取方法所得定位结果将会依赖于 某个传感器监测 的信号，使得从该传感器接收到的 错误信息过分影响定位结果，故应选取一个 以每个 传感器贡献的信息均等为准则 的特殊集合，即 2 x i x i 一 1 2 y f Y i - 1 2 z f Z i - 1 z 一 2 V 2 -r e 一 f ． 一． Y 一y 2_ Z 一 z 三 一 一 2 ， 3 ， ⋯，， ， 2 2 1 式 2 1 给出了一种这样 的特殊集合 ，其优点是 能够抵消测量得到的各个传感器 的坐标和到时的误 差，该式 以矩阵形式可表示为 A m ． X B 2 2 本系统定位问题中 n -- 4 ，下面对 m取不同值 n 0 接收到矿震信号的台站数 时的各种情况进行讨论 1 当 0 m4时，只有 3个及其 以下 的台站 受到矿震信号，应选取节 2 ． 2 ． 1或 2 ． 2 ． 2中的定位方 法。 2 当mn4时，通常这种情况是不能应用 本节的走时方程定位的。但其中的一种特殊情况可 以，即 4个 台站处于同一水平面上时。此时 ，矿震 震源点 E到 4个台站的铅垂距离相等，相当于消去 一 个 未知数 。反映在 式 2 2 上就是 3个未 知数 ， m一1 3个方程，方程组可解 ，但要注意系数矩阵 A 为病态的可能。解此线性方程组，并代入式 2 0 的任意一个方程可得到矿震震源 的初次定位结果。 3 当 m5时，如各 台站在 同一水平面上， 式 2 2 将是一超越方程组，其解法将在下一种情况 中研究，求出 x o ，Y 。 和 之后，像上一种情况一样 回代；如各 台站不在 同一水平面上 ，式 2 2 将是一 个 系 数 矩 阵为 四阶 方 阵 的 四元 一次 方程 组 ，同 mn4一样 ，需注意系数矩 阵 病态 的可能， 其他不再赘述。 4 当 ， ， 2 ≥6时，式 2 2 是一线性超越方程组， 求解此超越方程组，一般用最小二乘法 Q R 、正规 化法、奇异值分解法 S VD 、线性单纯形法等。其 中，最小二乘法应用较多，正规化法也很简单。下 面介绍正规化法 的求解过程 。 将式 2 2 两边左乘系数矩阵 A 的转置矩阵A ， 令 CA A ，DA B，则式 2 2 变换为 C X D 2 3 求解 正规线性方程组的方法很多，高斯消去法 就是一种比较实用的方法，采用全主元消去法可 以 保证矿震定位结果有足够的精度。 所得到的初次定位结果并不是最优解 ，要想得 到解 的最优形式 ，可以使用泰勒级数的展开形式对 震源时空参数进行修定，必要时还需引进数据加权 包括振相清晰度加权 、传感器加权和到时残差加 权 u 。本系统具有可视化功能，定位得到的发震时 刻和震源坐标将标注在开采布置图上 。根据定位所 得的 Z 值，程序将 自动打开相应的开采布置图层并 标注。 2 ． 3 矿震震级计算 矿震震级计算方法源于地震震级的各种计算方 法 。根据矿震不同于地震 的特 点，采用持续时间震 级计算矿震震级的大小。 B i s z t r i c s a n y于 1 9 5 8年提出利用地震波持续时 间同地震震级的相关性来反映震源强度 ，这就是持 续时间震级 d u r a t i o n ma g n i t u d e 。持续时间震级具有 如下优点 1 计算 简单 ，不依赖振幅、周期 、频率特性 等动力学参数 。 2 地震波持续时间的长短与震级大小直接相 关，并反映台站附近 的介质性质 ，而与震源区基本 无关，不受地震波辐射方 向性 的影响。 3 由于持续时间震级对记录 限幅的情况颇为 有效，所 以特别适用于地方性小型台网。 在矿震震级计算中持续时间震级公式可设为 M Da b l g r 2 4 将从 P波初动到振动衰减至信号方差等于 2倍 背景噪声方差的时间作为持续时间 。虽然振动持 续时间的长短标志着地震的强弱，但由于仪器、台 基 、地区结构特性的差别而有不同的表现。因此 ， 维普资讯 第 2 6卷第 5期 潘一山，等．矿震监测定位系统的研究及应用 1 0 0 7 不能统一给 出公式计算 ，本文应用最小二乘法确定 出系数并代入式 2 4 拟合出木城涧矿 区的持续时间 震级公式为 M D- 2 ． 9 1 9 8 4 ． 3 3 2 1 g - 2 5 现场观测结果表 明，持续时间震级公式适用于 该矿区的矿震震级计算 。 3 仪器的研制和开发 矿震监测定位系统包括 以下几个部分微震传 感器 含前置放大器 、数据采集与转换器 、GP S 网 络授时服务器、远程数据传输与控制、测控与数据 处理中心等。 3 ． 1 台站的选址研究 建立矿震监测定位系统的首要问题是监测台站 的选址 。监测区域的地质条件不仅关系到能否接收 到矿震信号，而且对提高信号的质量 、减少干扰噪 声有重要意义。台站选址应结合被监测矿 区的具体 情况有针对性地勘选。选址的基本原则如下台基 应选择在无风化、无破碎夹层 、完整、大面积 出露 的基岩上 。岩性要致密坚硬 ，如花 岗岩、辉绿岩、 石英砂岩或灰岩等 ，不宜在风 口、滑坡 、卵石和砂 土层上选台。台址的地势起伏要小，如 台基不得不 选在起伏较大的地带时，应尽可能选在低处。台站 应设在地动噪声水平较低 的地方 。 矿震监测定位系统的监测台站还需空间优化布 置 。其 目的是在构成微震信号进入监测站的时间、 监测站的空间坐标以及弹性波在给定介质中的传播 速度等组成的线性方程组时，矿震监测站的空间优 化布置能使得线性方程组解的条件较好，即监测数 据足够小的误差不至于使方程组的解产生较大的误 差。因此 ，台址在满足选址基本原则的前提下 ，不 排除为了优化布置的需要而更改位置的可能。 3 ． 2 三分向传感器的研究 传感器是一种借助于检测元件接受物理形式的 信息 一般为非电量 ，本系统中是振动加速度 ，并 按一定规律将其转换成 同种或别种物理量形式的信 息仪器 。传感器一般 由检测元件 、前置测量和转换 电路等组成，有时还包括电源。检测元件直接与被 测物体接触 ，且输出量与被测量成一定关系 ，输 出 量是便于检测的电量 。测量电路将检测元件输出的 电信号变换为便于显示、记录、控制、处理的标准 电信号。测量 电路 的选取视检测元件 的性质而定。 矿用微震传感器性能的好坏直接决定着监测定 位精度的高低。由于煤矿 的特殊条件 ，对矿用传感 器除了具有普通传感器的所有要求外 ，还有如下特 殊要求 1 输入与输出之 间有一定的函数关系 ，最好 是单值线性关系。 2 较 高的灵敏度 、精度 ，且有较快 的反映速 度 。 3 特性 曲线 的重复性和 随时间变化 的稳定性 好 。 4 对机械、温度 、湿度 、电过载等抗干扰能 力强。 5 防潮 、防爆、体积小、质量轻 、坚固耐用。 为确定矿震波传播方向，必须采用三维测量 ， 即使用三分向加速度传感器 见图 6 ，该传感器具有 微体积、微功耗 、微噪声、高可靠性、抗高冲击过 载、抗恶劣环境 、温度漂移小、动态范围大、测试 精度高等特点。 该传感器能记录到里氏震级为一 1 ～ 3级的微震信号。表 1列出了矿震监测定位 系统加 速度传感器的技术指标 。 图6 三分向加速度传感器 F i g ． 6 T h r e e - c o mp o n e n t a c c e l e r a t i o n s e n s o r 3 ． 3 数据采集器研究 数据采集 器将矿震传感器 输出的三分 向微震 信号进行放大 、滤波、采样、量化 以及编码成数字 信号，便于进行数字传输和计算机处理 。数据采集 器从 结构和 功能上可分 为前置放大 器、滤波器和 A／ D转换器 3个部分 。 被测矿震经传感器转换得到的电信号幅度往往 很小，无法进行 A／ D转换 。因此，需前置放大器对 这些模拟电信号进行放大处理。前置放大器可以设 计成 固定增益或者是程控增益 ，保证仪器具有足够 的放大能力和动态范围，以适应不同强度矿震信号 的记录要求。 维普资讯 O ～2 g --1 1 g 一l ～1 g 0 2 0 0 一3 d B带宽 O ．5 ％ j 小于一6 0d B 即噪声峰峰值债 量程值不大于 1 ／ ％ o l 2 2 5 ～ 4 O 在系统整个监测过程 中，受周围环境与工作环 境的影响不可避免地会有许多干扰信号进入系统， 检测部分与有效信号混杂，如不加以分离 ，则无法 进行正确判断。由于一般有效信号频率集中在某个 频段，故使滤波成为可能。虽然滤波可以在软件当 中实现，但在实际应用中如不先进行硬件滤波 ，干 扰信号将使系统无法正常工作 ，故硬件 电路部分需 加滤波环节。由于所测量信号频率属于低频范围， 而且考虑到后面信号分析的需要，应采用宽频带滤 波，所 以系统采用低通滤波，最后在软件中再进行 数字滤波 。 A ／ D转换器将经过放大和滤波处理的模拟信号 就地转换为数字信号，迭加 GP S时钟编码，通过光 电转换后，由光纤传输 到中心处理单元。图 7为数 据采集器的工作原理图。 图7 数据采集器的工作原理图 Fi g ． 7 Op e r a t i n g p r i n c i p l e d i a g r a m o f d a t a c o l l e c t o r 图 8为矿震监测定位系统采用的 1 6位、8通道 数据采集器 ；图 9显示 了数据采集器的接 口。其中， 系统在等待信号触发时 ，绿色触发指示灯和红色数 据采满指示灯都处于关 闭状态；当信号强度超过触 发门槛 ，系统采样开始时，绿色触发指示灯亮起 ， 当数据采集完毕，缓冲区装满时，红色数据采满指 示灯亮起 ；再次进入采样状态 ，配置采样参数 时， 绿色触发指示灯和红色数据采满指示灯会再次进入 关闭状态 。GP S接 口连接系统提供专用外接天线， RS 2 3 2接 口电缆使用屏蔽线，长度小于 5 m。 3 ．4 网络授时的研究 时间精度是提高矿震监测数据质量 的关键 。这 是因为存储的矿震数据是用离散数据来表达连续物 图 8 数据采集器实物图 Fi g ． 8 Ac t u a l d i a g r a m o f d a t a c o l l e c t o r a 前面板 b 后面板 l 一 电源开关；2 一 电源指示灯；3 ～ 绿色触发指示灯；4 一红色数据 采满指示灯；5 一传感器接 口；6 一GP S天线接 口；7 _ R s 2 3 2接 口； 8 一u s B接 口9 一E P P接 口；l O 一 电源接 口 图9 数据采集器的接 口 F i g ．9 I n t e r f a c e s o f d a t a c o l l e c t o r 理量。 在数值上 ， 只要整个过程严格遵守采样定理 ， 则不可 能产生误差； 但是， 在数值 的时间对应性上 ， 如果不加注意 ，离散化以后的结果将会产生半个采 样 间隔的误差 。在数据传输过程中，为了保证不发 生丢失数据 、顺序颠倒或混乱，在矿震监测定位系 统中必须使每个数据的采集和离散化与绝对时间严 格地对应起来 。在整个通信和处理过程 中，必须使 维普资讯 第 2 6 卷第 5期 潘一山，等．矿震监测定位系统的研究及应用 1 0 0 9 每个数据与时间码严格对应，这就保证了矿震数据