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掘进工作面超前地质预报仪研制

2025-03-08 23 上传者：管理员

摘要：煤矿井下智能掘进工作面要求及时、准确探明掘进前方的地质构造，为快速掘进及时提供地质资料。这就要求在煤矿井下进行掘进工作面超前预报探测必须快速、便捷，超前预报仪器的性能和施工的便利性，显得尤为重要。从仪器总体结构设计、关键器件选型、本安电路设计、采集电路设计和控制软件开发等方面进行了介绍。采用低功耗高性能的IMX6ULL大处理器作为控制器，研制了一套适用于煤矿井下的掘进工作面节点式超前预报仪，为矿井掘进超前预报提供装备支撑，并在煤矿井下进行了应用，取得了较好的效果。

关键词：
IMX6ULL
地质预报仪
掘进工作面
本质安全
超前探测
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煤矿掘进工作面事故是我国煤矿事故的主要类型之一,给煤炭企业安全高效生产造成了巨大影响｡掘进工作面前方地质构造不清,直接影响掘进安全和掘进效率｡目前全国各大煤矿正在开展智能掘进工作面建设,实现少人､无人化掘进,提高工作面掘进效率和掘进安全｡为此需要及时探明掘进前方的地质异常构造,为快速､智能掘进提供支撑｡煤矿井下槽波地震探测能够有效探测掘进工作面前方的断层､陷落柱等异常地质构造,为煤矿安全快速掘进提供助力[1-2]｡近些年来,通过国内外学者和研究机构的共同努力,已经有多种型号的地震仪取得了煤安认证,并在我国煤矿井下槽波勘探中得到了应用[3-4]｡但是,这些设备普遍存在设备笨重､价格偏高､施工繁琐等问题,不便于井下掘进工作面的快速探测的缺点[5-6]｡因此,急需研制一套适用于煤矿井下掘进工作面的矿用本安型超前预报仪,提高掘进前方地质超前预报能力,从而为煤矿安全高效掘进提供服务｡

1、系统硬件设计

1.1仪器总体结构

针对掘进工作面超前探测快速施工的特点,要求仪器尽可能地轻便,方便快速施工探测｡采用节点式地震仪的设计思路,系统以NXP公司的IMX6ULL处理器为核心,32位A/D转换器ADS1282､时钟模块､授时模块､数据存储和传输模块等组成系统硬件平台,仪器总体硬件结构,如图1所示｡

图1总体硬件结构图

IMX6ULL是基于ARMCortexA7内核的低功耗､高性能且低成本的应用处理器,具有较高的主频,可以达到800MHz,从而提供了较高的处理速度和性能,IMX6ULL具有丰富的外设资源,可外扩512MBDDR3L内存和8GBEMMC｡在软件层面,IMX6ULL可以运行嵌入式Linux系统,方便多线程､多任务操作及管理SD卡存储｡数据回收时,在地面通过TCP/IP协议实现对多台仪器采集数据的并行快速回收｡由于煤矿井下没有GPS信号,这就需要在地面对仪器进行GPS授时,井下利用同步机制确保各台仪器之间时钟的精准同步｡电源模块负责将电池输出转换成仪器内部需要的电压3.3､5V,模拟+2.5､-2.5V的供电电压｡

1.2关键器件选型

根据仪器设计要求,矿用便携式仪器采用电池供电的方式,这就要求仪器的功耗尽可能地低,在进行器件选择时,一方面要考虑到器件的性能满足设计要求,另一方面要考虑低功耗器件确保仪器低功耗,以便满足井下长时间的工作需求｡

(1)嵌入式处理器选择

仪器选择基于ARMCortexA7内核的低功耗､高性能且低成本的应用处理器IMX6ULL,该处理器资源丰富,能够运行Linux操作系统｡仪器参数配置和数据下载管理程序利用嵌入式Linux进行开发｡为了提高仪器的稳定性,所选处理器采用工业级芯片｡

(2)A/D芯片选择

ADS1282是为能源勘探和地震监测而设计的性能优秀的32位､Δ∑型模数转换器｡该转换器具有4阶､固有稳定Δ∑调制器,具有优良的降噪性能和线性特征,额定工作温度-40℃~+85℃,适用于能源探测､地震检测､高精度仪器仪表等要求苛刻的工业应用领域｡根据震动信号特点,需要选择高精度的A/D转换芯片以及数字滤波器,提高仪器的采样精度｡为了满足掘进施工的地质超前探测的需要,选择地震专用放大､A/D和滤波专用芯片ADS1282提高仪器的采集性能｡选择的地震专用A/D套片,利用可编程技术实现放大倍数控制､采样率设置､滤波器选择,提高了仪器的智能化水平｡

(3)电池选择

根据井下防爆要求,结合仪器功耗和工作时间等因素,电池组由单节型号为26650,标称电压3.2V､标称容量3Ah的磷酸铁锂电池3并2串,并经过电池保护电路浇封组成,电池组标称6.4V/9Ah｡

1.3信号采集电路设计

检波器输出的信号经过运算放大器OPA1632放大后,进入ADS1282进行模数转换和滤波后,输出到IMX6ULL控制器,由控制器控制信号进行存储和传输｡检波器输出的信号IN0+､IN0-经过OPA1632放大后为OUT0+､OUT0-,信号OUT0+､OUT0-进入到ADS1282,ADS1282芯片由外部时钟模块提供4096kHz时钟驱动模数转换芯片工作｡ADS1282由IMX6ULL控制器对其进行控制工作,通过SPI接口与IMX6ULL进行通信｡ADC_REST､ADC_PWDN､ADC_SYNC信号由IMX6ULL的I/O口进行控制,转换后的数字信号通过ADC_MISO传输到IMX6ULL,由控制器进行存储和传输｡ADS1282供电分为数字电源和模拟电源,其中数字部分供电为3.3V,模拟部分为2.5V和-2.5V｡通过后面的软件配置ADS1282相关寄存器完成采样率设置和滤波器的选择｡

1.4本安电源设计

掘进工作面超前地质预报仪在煤矿井下工作面进行探测,使用环境属于爆炸性危险环境,按照煤矿设备防爆要求,仪器应满足矿用本质安全型“ib”保护等级｡电池组经过两级限压限流保护电路后输出,确保电池组为电路提供本安型电源输出｡选用低功率､低纹波､高效率的LDO和隔离DC-DC完成各路电压的输出转换,为仪器提供所需的各部分电源,电源电路图,如图2所示｡

图2电源原理图

2、软件设计

掘进工作面超前预报仪是基于嵌入式IMX6ULL处理器平台开发的智能仪器,根据仪器工作流程,程序分为配置管理程序､采集控制程序和授时程序,其中配置管理程序基于嵌入式Linux平台,实现采样参数配置和数据下载管理,采集控制程序读取SD卡中的采样参数,设置启动采样和数据存储,授时程序完成GPS对时工作,以便超前预报仪各台之间走时基准一致｡

当仪器达到采样条件(采样时间到达或者按键触发采样)时,系统自动切换到采样程序,其主要工作处理流程,如图3所示｡

图3数据采集流程图

进入采样程序后,首先,完成处理器采集控制部分I/O端口､SD卡､串口等的初始化工作;其次,读取SD卡上的配置信息,检查配置信息参数,获得采样率和采样时间等参数;接下来进行A/D初始化,读取当前时间信息,根据采样参数设置ADS1282的寄存器CONFIG0(ADDRESS01h),实现采样率和数字滤波器的配置,通过寄存器CONFIG1(ADDRESS2h)实现增益配置｡后面进行中断配置,A/D开始采集数据并将数据按照指定格式存入SD卡中完成采样｡

其中配置信息和采集数据信息的数据结构定义如下:

3、实例验证

利用研制的仪器,在内蒙古某矿4207工作面开展探测工作,其中运输顺槽布置测线600m,辅运顺槽布置测线600m,探测测线总长度1200m,实际测线长度1660m｡本次工作面探测共采集有效数据83炮,测点布设168道｡图4为其中S127炮的单炮记录,槽波较强｡从试验数据来看,仪器满足工作面超前探测的要求,采集数据质量较高,符合预期｡根据巷道揭露情况及工作面现有地质资料,解释成果符合实际｡

图4S127炮滤波前数据

4、结语

研制的掘进工作面超前预报仪采用独立采集､集中回收和时间同步的方法,克服了原有煤矿井下超前探测仪器笨重､带道能力不强等问题,减轻了井下地震装备的质量,为降低煤矿井下超前探测施工劳动强度提供了装备支持｡仪器已经开始量产,并在煤矿井下工作面超前探测中得到了应用,取得了较好的效果

参考文献:

[1]胡国泽,滕吉文,皮娇龙,等.井下槽波地震勘探——预防煤矿灾害的一种地球物理方法[J].地球物理学进展,2013,28(1):439-451.

[2]程久龙,李飞,彭苏萍,等.矿井巷道地球物理方法超前探测研究进展与展望[J].煤炭学报,2014,39(8):1742-1750.

[3]韩晓泉,穆群英,易碧金.地震勘探仪器的现状及发展趋势[J].物探装备,2008(1):1-6.

[4]程建远,江浩,姬广忠,等.基于节点式地震仪的煤矿井下槽波地震勘探技术[J].煤炭科学技术,2015,43(2):25-28.

[5]任彦宗,卢占武,张新彦,等.便携式节点地震仪数据采集和处理技术进展[J].地球物理学进展,2021,36(2):779-791.

[6]吴海.矿井节点式槽波探测仪研制[J].煤炭技术,2016,35(11):281-283.

基金资助:陕西省重点研发计划(2022GY-149);国家重点研发计划(2018YFC0807804);中煤科工西安研究院(集团)有限公司重点研发项目(2019XAYZD03);

文章来源:张鹏.掘进工作面超前地质预报仪研制[J].煤炭技术,2025,44(03):85-88.