井下及地面通信系统

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振动信号实现灾后井下与地面救援通信系统
成都凯生科技开发有限公司
电子科技大学
一 煤矿振动探测定位系统
1， 项目构想来源
针对近年来在我国现代化建设中频频出现的煤矿矿难，大量人员被困井下。地面人员在
搜救过程中往往无法准确获取被困人员数量以及位置信息。如果在灾后能在第一时间获取较
为准确的人员信息，那将对救援工作带来巨大的方便。
2， 思路
需要利用现有的科技研发资源，产学研结合，建立一套集灾前监控，灾后救援于一体的
完善的监控系统！这就是煤矿无线监控系统的雏形。
需要利用现有的科技资源，各专业结合，建立一套集灾前监控，灾后救援于一体的完善
的监控系统！这就是煤矿无线监控系统的雏形。
系统建设步骤：
 在矿区进行全面的地理及地质数据收集，包括地质类数据和煤矿所在地的矿
井巷道的地理信息系统数据。
 根据所得数据进行传感器布局，根据实际需求达到尽量经济的布局规划方案
 根据布局方案在地面或浅表层安装高灵敏度振动波检测设备，并且组网。
 在煤矿地面部分建立监控数据收集，存储，处理大型终端。
 进行试运行，并且根据实际数据验证状况进行调整，以达到优化。
经过大量的论证，我们将传统无线电监控思路改成了振动波监控思路。这是一次极具挑
战意义的开发工作。
3，系统构思
.监控系统无须井下电力支持，由于在事故发生后，井下是停电状态，所以所有有线网
络、无线电网络都无法工作，所以振动波监控就成了唯一可行的方案。
利用振动波监控系统对事故发生地点进行一定精度的定位，评估事故影响范围、灾害程
度和制定救灾方案。
利用振动波监控系统对受困员工的相对精确的定位也就成了事故状态下搜寻幸存者最
直接有效的方法。
希望该监控系统的开发和利用，能填补在事故隐患治理关键技术研究中的某些技术空
白！
信号与传感器类型的选择
信号类型选择的依据：
① 能穿透岩石与土层
② 地下设备工作条件需求简单
③ 设备结构简练，不易受地理和矿井环境突变的影响
振动波的传播特征主要决定岩体的阻抗特性， 即岩体的密度和振动波的传播速度的乘
积。在波的传播过程中，遇到岩层两种介质的界面时，波的能量其中一部分通过交界面透射
或折射过去进入另一种介质，而另一部分就会被反射回来，波的这种透射，折射和反射性质
均与每一层面介质的阻抗特性有关，是各岩层介质阻抗特性的函数。 振动波在岩层中能够
以每秒1～2千米的速度传播，即便在浮土层，可能也有每秒数百米的传播速度。
振动波具有的优点：
接收设备相对简单。
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设备经过处理之后便携，便于安装，可加固。
穿透岩石与土层。
所以我们选择振动波作为信号传输手段。
系统构架思路：
由于矿井下与地面之间的岩石与土层分布状况以及相应的物理参数完全不可能通过传
统无线电定位方式通过获取信号之后再实施理论计算来估计位置。
只能通过以下两种方式获得信号中含有的信息：
1，通过多传感器阵组成的阵列获得先验信号的信息，在灾后利用接收到的信号进行比
对。在监控中心能观测到信号从而确认被困人员位置。
2，通过莫尔斯码的原理将振动波信号编码，被困人员按预先培训的方式将信息通过振
动信号传输到地面。
也可两种办法同时使用。
系统构架图
图1 系统构成场景示意图
图2 多通道振动采集定位系统工作示意图

数据收集，分析，
处理，显示终端

传感器系统
数据采集系统

震动波传感器阵列
图3 多通道振动采集定位系统工作示意图
图4 多通道振动波采集处理设备实物
图5 实验用高精度多分量传感器实物
4， 研究现状
信号检测理论：核心技术已经通过实验验证可行。利用多年积累的信号处理分析基础。
传感器：已选好型，完成定制。
数据采集设备：已完成16通道样机以及其中检测关键技术，样机如图4。
数据分析终端：硬件设计可采购成熟的部件，在成熟的平台下进行数据收集，分析，处
理以及显示终端；其中软件的需要大量的时间，这是本套系统对于用户的核心部分。已完成
核心处理部分。
传输系统：采用成熟的传输线，电缆和光缆均可采用。
关键技术：
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1， 传感器设计与定制。
2， 信号采集设备的关键技术。
3， 弱信号处理提取，处理，分析。
实验验证：
选用传播路径比实际井下状况更为恶劣的情况，敲击位置为山脚下，接收位置为山顶。
图6A 其中一个通道原始信号波形
图6B 局部放大秒波形
图7A 信号放大，敲击3下，间隔5秒左右。信号经过两级处理。
图7B敲击信号检测结果
图8A信号放大，敲击3下，间隔5秒左右。敲击距离比图7实验1稍近
图8B敲击信号检测结果
根据在贵州某矿的实际检测结果与此相比，实际状况下信号传播条件和接收信号的状
况相比实验条件下更好。所以我们可以建立如图123所示振动信号检测系统。当发生事故时，
井下被困人员通过敲击巷道壁，让传感器阵列接收信号，地面人员根据接收到的信号得出相
应信息，以便实施营救。
在2011年4月与某煤矿集团救援大队探讨，以此方式在模拟巷道中做实验，得出以下
结果：
1， 传感器直接放于地面，接收到的信号甚至无需处理就可轻松识别。
2， 传感器布于井下通到地面的铁轨上，接受信号能力更强。
由此，经过与救援大队的探讨与了解，得出应急通讯系统的方案。
二 煤矿灾后井下与地面应急通讯系统
图9A
图9B
1，系统构成：
由于井下充满了铁轨，水管等振动波传输的良好条件，使井下（被困）人员通过这些
管线利用振动波向地面人员传送信息大大成为可能。
即使某一处管线断裂后，由于管线在井下已经形成网络，传输路径仍然存在很大的可
能性畅通，只是可能信号不是走最短最佳路径而已。
只需在巷道口，通风口管线位置（据了解一个矿通常4至5个），布置好接收设备与处
理分析设备便可接收井下信号。
如图9所示。
传感器固定在管线上。采用不同精度多分量传感器组。
采集处理机与传感器相联（便携，不超过20公斤）。
分析处理终端可采用在监控中心，也可采用便携式工控计算机。
通过预先编码的方式，这样地面人员就能接收到相对准确的信息。敲击产生振动信号
可以人为操作，如图9A，也可在此基础上研发专门的振动信号产生器，如图9B，放在救生
仓附近，这可以作为下一步考虑。
2，编码原理：
如图10所示：
图10 敲击编码示意图
可以变成四进制码，每一位都有1 2 3 4构成。
三 现状及比较
1， 与现有安全设备比较：
救生仓：救生仓能在灾后为被困人员提供一定时间的生存，但是不能主动发送信息，