ZDJ11型矿用本安型电阻率监测系统研究.pdf

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 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 small 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-interference 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 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%.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 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。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出。经安标认证性能测试：发射频率误差为0.0 5Hz，发射开路电压为90 5V，发射电流重复误差1%，最大发射电流为50 5mA。2.1.2智能电极控制模块智能电极控制模块实现智能识别监测分站的状态（发射或接收），将布置于围岩的任意两个电极按监测系统数据采集流程智能接入供电监测分站的发射模块输出端或采集分站的采集模块输人端。智能电极控制模块设计电极奇偶编号，采用树枝型设计方法，使用了33个极化自保持式信号继电器实现了30组电极的对应功能切换，通过ARMCortex-M3控制继电器阵列的通断，将监测电极与监测分站对应输入与输出端口连接。当电极被设置为发射状态时，为防止发射电路自动保护，通过测试得到的视电阻率自动计算匹配接地电阻，并在接地电极中接人阻值分别为0，56 0，112 0 和16 8 0 Q的限流电阻。2.1.3高性能数据采集模块由于该系统在煤矿井下工作，工作环境恶劣16 ，且监测电极需要与煤岩层紧密耦合，系统会引人强电磁干扰。为保护信号输人电路，并提升信号采集质量，保证系统可靠稳定地工作，该系统需要设计前端保护电路、模拟信号调理电路、光电隔离电路等。如图4所示，系统主要包括瞬态抑制保护电路、调理电路、模数转换电路、光电隔离电路及FPGA主控电路等。工作过程中，监测站通过电极获取被测电极间的电位差信号，通过保护模块、信号调理模块对信号进行滤波放大，然后通过AD7760进行采集，并由FPGA接收缓存、处理，通过以太网接口传输至地面服务器显示、存储等。地面服务器同时可以通过以太网传输指令实现对采集数据传输速率、AD的内部抽样率、前放增益等控制；且监测站在工作过程中通过光电隔离技术将数1512023年第8 期程炭研究探讨煤字电路与模拟电路完全电隔离。串行数据传输PousFPGA主控电路光电隔光电隔光电隔离电路离电路离电路WRNIFWRN2FyncSINNDYOUTNSINNOUTSINOUTAINL+DOUTPSINPOUTPAINL-模数P一级50Hz级转换SINP瞬态放大陷波放大电路抑制电路电路电路电路保护电路调理电路模数转换图4采集电路原理1）保护电路。监测信号输人电极接在井下煤岩层上，很容易接收到来自井下电网的瞬态高能量浪涌冲击，为了吸收瞬态高能量浪涌冲击功率，该系统设计了保护电路，即使用背对背BAV99二极管瞬态抑制保护电路，使两级间的电位嵌在一个预定值，以便有效保护电路中的精密元器件。2）调理电路。本安型电法监测系统的有效信号往往在毫伏至微伏级水平。为了有效抑制干扰信号，提高信噪比，必须对输入信号进行调理，并将有效信号放大到ADC的线性量化区中心附近。该系统调理电路由前端到后端设计为程控一级放大电路、50Hz陷波电路，以及程控二级放大电路。系统选用AD8253为一级放大电路，PGA205为二级放大电路对接收电极信号进行级联放大；系统通过预采样数据计算较接近的AD8253与PGA205放大倍数组合，然后由FPGA分别控制两个仪表放大器的倍数。在同一监测环境，数据跳变不明显的情况下，监测后一般不改变增益。50Hz陷波电路。虽然信号调理电路中两级仪表放大器都选用低噪声放大器，并都具有很高的共模抑制比，但在实际测量时，仅放大调理电路很难消除50 Hz的工频干扰。所以在一级与二级放大电路中间设计了50 Hz陷波电路，以消除工频干扰，改善信号采集质量。本设计中的50 Hz陷波电路选用UAF42芯片，相比于传统的双T型陷波器，免去了陷波中心频率的调试。UAF42通用性强，并提供FLITER42CAD设计软件，简化了设计流程，具有高精度频率和高Q值；片内集成有10 0 0 pF0.5%的电容，避开了外部电容的温漂和精度问题。该系统通过软件设计带阻滤波器，其中心频点为50 Hz。3）光电隔离电路。光电隔离电路主要是发挥光电耦合器的作用，对输人、输出渠道与中心位置做到分开隔离，具体表现形式是光电耦合器能够将产生的信号通过内部构件使其变为光信号，然后再将其转化为电信号，进一步使输入、输出信号进行相应的电隔离，可有效提升系统的抗干扰能力17 。本设计采用TPL521-4光耦合器件及Adum1200数字隔离器实现控制模拟电路和数字电路的隔离，提升电路安全性。4）模数转换电路。本设计中采用AD7760进行高精度采集，AD7760是2 4位差分方式模数转换芯片，最高采样率为2.5MSa/s，动态范围大于100dB，常被用于高精度的微弱信号采集。2.2低噪声本安电源电路矿用本安电源电路必须采用两级以上保护18 即在一级故障的状态下，电路依然能满足本质安全要求。常用的本安保护电路是通过稳压或限流技术来限制能量，通过实验对比，限流型保护电路设计简单，可靠性高；而稳压型保护电路采用可编程限流值低压差线性稳压器可精确限制电流，输出电压稳定，负载能力较强，纹波很小，更适合于给小信号检测电路供电19。本研究采用正负电源分开设计，首先通过环形变压器、整流桥堆及电容将其降压整流滤波，随后通过两级线性稳压器构成稳压型本安保护电路，实现本安输出，设计电路原理如图5所示。通过试验测试，采用限流型电源供电时，本系统采集板本底噪声为10 0 V（Vp-p）以上，而采用稳压型电源供电时，该系统采集板本底噪声下降到5V(Vp-p）以下，系统小信号分辨率可达5V，改善效果非常明显，电源性能的改善保证了系统对于微弱信号的采集分辨率2.3地电相关辨识技术采用伪随机序列作为激励信号波形，利用互相整流桥堆一级稳压限流二级稳压限流+正电源AC127V一级稳二级稳整流桥堆正负电源压限流压限流一级稳二级稳压限流压限流图5低噪声本安电路原理1522023年第8 期研究探讨程炭煤关法辨识待辨识系统的频率响应是一种应用广泛的系统辨识方法2 0 。地电相关辨识算法如图6 所示，本研究基于循环互相关辨识频率响应的方法，采用计算机产生的2 序列作为参考信号，利用相关方法求出系统的传递函数H(s）。在线性时不变系统中，输人I(t）、输出U(t)的自相与互相关函数如式（1)与式(2)所示，由循环相关时间序列的FFT变换得到自功率谱密度函数pu（）与互功率谱密度函数pul（），通过互功率谱与自功率谱的比值恢复出系统的各频率响应H（），如式（3)所示，即辨识出系统各频率下的视电阻率。R(T)=R(T)R()(1)Ru(T)=R(T)H(T)（2）H(w)=Pur(o)/p(w)(3)由式(3)可得系统的传递函数H(s）。N(t)F(t)4UC0)地电系统H(0)Z()F()自相关FFTPiu(a)比值R(伪随机序运算列发生器P.u(o)H(o)自相关FFTPu(a)R.()P.(o)图6地电相关辨识算法3测试试验及工业性试验3.1防爆性能测试1）监测分站最大采集信号测试。将监测分站的采集频率设置为4kHz，由函数信号发生器给监测分站提供频率为15.6 3Hz的方波信号，其幅值为500mV，监测分站采集数据为不失真方波信号，采集10 次取平均值为50 0 mV。2）监测分站最小采集信号测试。将监测分站的采集频率设置为4kHz，由函数信号发生器经过分压电路向监测分站提供频率为15.6 3Hz的方波信号，其幅值为5V，监测分站采集数据如图7 所示的不失真信号，采集10 次取平均值为5V。3）动态范围测试。系统动态范围表示为器件满量程采集的均方根与输入短路时均方根噪声之比，可以用来表示系统可采集最大值和最小值的关系，单位为dB。动态范围越大，表示信号的可采集精度越高，动态范围计算公式见式（4）。DR=201gRMSmax(4)RMo11065V信号波形8642-2-4-6-800.1 0.20.30.40.50.60.70.80.91.0时间/s图7最小采集信号测试曲线式中,ARMSmax为可采集最大信号幅值，取500 mV;ARMSmin为可采集的最小信号幅值，取5V。测得动态范围为10 0 dB。4）系统接收信号幅值重复测量误差：在监测分站接收端用输入幅值2 0 V、频率15.6 3Hz的正弦波，模拟采集试验，重复进行5次，按照式（5)计算重复误差。2V.-V1ni=1AV=100%(5)1Vni=1式中，V为监测分站测量值；n为测量次数；AV为重复误差，测量结果见表1，可以看出该系统重复测试误差小于2.50%。表1测量重复误差序号Vin=20 mV4V119.65 mV2.13%220.38mV1.50%320.35 mV1.35%419.62 mV2.28%520.39mV1.55%3.2可靠性试验在某电厂旁边强电磁干扰环境下进行系统可靠性试验，采用单极发射、偶极接收的工作模式，试验观测装置如图8 所示。3.2.1抗电磁干扰能力试验在试验场采集了2 次背景噪声，在硬件滤波后，采集的背景噪声整体强度较大，幅值达mV量级；通过互相关提取的15Hz背景噪声强度分别为1.26V和1.43V，基本不超过2 V，表明系统对干扰电流的衰减抑制比可达6 0 dB。3.2.2重复性试验采用先完成一整条测线的8 个点观测，再对整条测线进行重复观测的实验步骤，总共完成9次观153灰2023年第8 期程煤研究探讨70mA无穷远B三10mM8M7M6M5M4M3M2M11111111N8N7N6N5N4N3N2N1图8试验观测装置测。单频点15Hz的观测结果如图9(a)所示，单个测点数据的相对标准偏差不超过3.8 5%；并在同一试验地间隔10 d进行同一步骤观测，3频波的16Hz、8 H z 和4Hz频点观测结果如图9(b）所示，测点1 7 的数据相对标准偏差不超过1.0%，第8测点的相对标准偏差为2.30%；通过单频波与3频波观测结果可以看出监测系统的数据重复性好。2.4观测1观测2 观测3观测4*观测52.2观测6+观测7-观测8-观测92.01.81.61.41.21.00123456789测点编号(a)单频点(15 Hz)0.11-1-16Hz-1-8Hz1-4 Hz0.102-16Hz2-8Hz2-4Hz0.090.080.070.060.050.0412345678测点编号(b)3频波(16 Hz、18 H z 和4 Hz)图9试验观测结果4结语针对现有电阻率监测系统采集效率低、抗电磁干扰能力差、小信号分辨能力弱，以及系统重复性较低等问题，本研究通过多频同步发射技术、智能电极控制技术、高性能数据采集技术、低噪声电源设计，以及地电相关电阻率辨识技术等软硬件相关融合降噪方法，开发了煤矿井下恶劣电磁环境下有效监测本安人工电场的ZDJ11型矿用本安型电阻率监测系统；通过试验测试，该系统抗电磁干扰能力可达6 0 dB，小信号分辨率可达5V，动态范围可达10 0 dB。Z D J11型矿用本安型电阻率监测系统符合矿井监测高效化、智能化、无人化的发展趋势，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。目前，该系统在应用中应避免带式输送机、采煤机等大型机电设备的电磁干扰，后续在信号去噪处理方面研发仍有较大空间。参考文献：1董书宁，姬亚东，王皓，等鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害防控技术与应用J煤炭学报，2 0 2 0，45(7):2367-2375.2董书宁人工智能技术在煤矿水害防治智能化发展中的应用J煤矿安全，2 0 2 3，54(5)：1-12.3董书宁煤矿安全高效生产地质保障的新技术新装备【J.中国煤炭，2 0 2 0，46(9)：15-2 3.4靳德武，赵春虎，段建华，等煤层底板水害三维监测与智能预警系统研究J煤炭学报，2 0 2 0，45(6)：2 2 56-2 2 6 4.5鲁晶津工作面采动破坏过程电阻率动态响应特征研究J 工矿自动化，2 0 2 3，49(1)：36-45，10 8.6国家煤矿安全监察局煤矿防治水细则【M北京：煤炭工业出版社，2 0 18.7鲁晶津，王冰纯，李德山，等。矿井电阻率法监测系统在采煤工作面水害防治中的应用J煤田地质与勘探，2 0 2 2，50(1):36-44.8高银贵复合勘探技术在奥灰承压水害防治中的应用J.煤炭工程，2 0 2 0，52(S1)：58-6 1.9岳建华，杨海燕，冉华矿井电法勘探研究现状与发展趋势J煤田地质与勘探，2 0 2 3，51(1）：2 59-2 7 6.10刘志新，王明明环工作面电磁法底板突水监测技术【J.煤炭学报，2 0 15，40(5)：1117-112 5.11王冰纯、基于2 伪随机序列的矿井电法监测系统研制D北京：煤炭科学研究总院，2 0 16.12张平松，孙斌杨煤层回采工作面底板破坏探查技术的发展现状J地球科学进展，2 0 17，32（6）：57 7-58 8.13崔伟雄，袁博。矿井电阻率法监测数据质量评价方法探讨J煤田地质与勘探，2 0 2 3，51(4：143-151.14何继善著广域电磁法和伪随机信号电法【M北京：高等教育出版社，2 0 10.15GB/T3836.42021爆炸性环境第4部分：由本质安全型“”保护的设备.16袁亮，张平松。煤矿透明地质模型动态重构的关键技术与路径思考J煤炭学报，2 0 2 3，48（1）：1-14.17刘成芳单片机PLC控制系统抗干扰能力途径探究J.黑龙江科学，2 0 2 2，13（18）：57-59.18王韶勋矿用本质安全型开关电源的研究【J江西煤炭科技，2 0 2 3,17 7(1)：191-193.19王冰纯，田小超，贾茜。截流及限流保护电路在本安电源中的应用J煤炭技术，2 0 15，34(10）：2 45-2 47.20刘立超，丁凯来，林、君，等。基于伪随机系统辩识的电磁法仪器标定J仪器仪表学报，2 0 14，35(8)：17 2 1-17 2 8.（责任编辑赵巧芝）