矿山安全监测装置及使用方法

2456 编辑：中冶有色技术网来源：福州大学

2022-02-10 14:51:04

权利要求

1.矿山安全监测装置，其特征在于，包括：气体流量监测装置、声波监测装置、通信模块、供电模块和存储器；所述气体流量监测装置包括由多个横向弧面网和多个纵向弧面网构成的与中轴固定连接的球状网体，以及转速计模块；所述声波监测装置包括设置于球状网体外侧的球状网面、多片探测振片，以及传声器模块；所述探测振片的两端分别与球状网面和中轴固定连接，并穿过球状网体；所述转速计模块和传声器模块分别与中轴连接；所述中轴通过轴承安装于监测装置本体上，并与通信模块和存储器连接。

2.根据权利要求1所述的矿山安全监测装置，其特征在于：还包括与转速计模块、传声器模块、通信模块和存储器连接的处理器。

3.根据权利要求2所述的矿山安全监测装置，其特征在于：还包括与处理器连接的位置记录装置。

4.根据权利要求3所述的矿山安全监测装置，其特征在于：所述通信模块包括无线通信模块。

5.根据权利要求1所述的矿山安全监测装置，其特征在于：还包括与处理器连接的告警模块；所述告警模块包括告警灯和蜂鸣器。

6.根据权利要求3或4所述的矿山安全监测装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：将多个监测装置分别布设于矿山的待监测点，并通过位置记录装置记录安装的位置；

步骤S2：所述处理器将转速计模块采集的中轴转速，以及传声器模块采集的声波幅值分别与预设的阈值进行比较，当转速值和/或声波值大于阈值时，触发告警模块，并通过通信模块上传告警信息；所述告警信息包括监测装置的位置信息。

7.根据权利要求5所述的矿山安全监测装置的使用方法，其特征在于：所述告警信息上传至矿山工作人员携带的告警接收装置；所述告警接收装置显示发出告警的监测装置所在的位置信息。

8.根据权利要求5所述的矿山安全监测装置的使用方法，其特征在于：所述告警信息上传至监控中心，所述监控中心根据上传告警信息的监测装置的所在位置，定位危险源所在区域，并通知矿山工作人员携带的告警接收装置。

9.根据权利要求3或4所述的矿山安全监测装置的使用方法，其特征在于：所述转速计模块采集的中轴转速信息和传声器模块采集的声波信息记录在存储器中，并通过通信模块上传至监控中心；所述监控中心根据转速信息和/或声波信息的波形特征，判断事故的类型。

说明书

技术领域

本发明属于矿山安全监测领域，尤其涉及矿山、矿区的安全监测系统，尤其是监测金属矿和煤矿矿井、矿洞内采矿区域以及地面和露天采矿等情况下的安全监测装置及使用方法。

背景技术

在金属矿山开采、煤矿采矿过程中，各类生产安全事故，一般都伴随有异常的气流或异响等现象。而这些异常的活动现象，往往先于爆炸等严重事故的发生而出现。但是在现有技术当中，尚没有有效的手段，对矿山、矿区的上述异常现象进行全面、有效的实时监控，导致各种安全预警方案存在漏洞和滞后性，难以避免时有发生的安全事故，造成生命财产的重大损失。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出一种用于矿山、矿区的安全监测装置及使用方法，用以解决现有监测装置监测手段单一、预报水平较弱，不能对监测地点实施长时有效监测的问题；实现异常气流、声响的同步长期有效监测，并提供了信息存储、上报以及响应的有效手段。其具体采用以下技术方案：

一种矿山安全监测装置，其特征在于，包括：气体流量监测装置、声波监测装置、通信模块、供电模块和存储器；所述气体流量监测装置包括由多个横向弧面网和多个纵向弧面网构成的与中轴固定连接的球状网体，以及转速计模块；所述声波监测装置包括设置于球状网体外侧的球状网面、多片探测振片，以及传声器模块；所述探测振片的两端分别与球状网面和中轴固定连接，并穿过球状网体；所述转速计模块和传声器模块分别与中轴连接；所述中轴通过轴承安装于监测装置本体上，并与通信模块和存储器连接。

优选地，还包括与转速计模块、传声器模块、通信模块和存储器连接的处理器。

优选地，还包括与处理器连接的位置记录装置。

优选地，所述通信模块包括无线通信模块。

优选地，还包括与处理器连接的告警模块；所述告警模块包括告警灯和蜂鸣器。

优选地，其使用方法，包括以下步骤：

步骤S1：将多个监测装置分别布设于矿山的待监测点，并通过位置记录装置记录安装的位置；

优选地，所述告警信息上传至矿山工作人员携带的告警接收装置；所述告警接收装置显示发出告警的监测装置所在的位置信息。

优选地，所述告警信息上传至监控中心，所述监控中心根据上传告警信息的监测装置的所在位置，定位危险源所在区域，并通知矿山工作人员携带的告警接收装置。

优选地，所述转速计模块采集的中轴转速信息和传声器模块采集的声波信息记录在存储器中，并通过通信模块上传至监控中心；所述监控中心根据转速信息和/或声波信息的波形特征，判断事故的类型。

相较于现有技术，本发明及其优选方案实现了在固定位置的长期、全向气流流速和声波监测，通过对多个待检测点的布置，即可实现对矿山、矿区的全方位监控，同时在第一时间实现异常现象的发现和跟踪定位，并及时发出警示的信息，最大限度地提升了矿山生产工作的安全性。同时，通过提供的装置的信息的全面收集，还可以进一步对气流和声响的波形信息进行分析，利用大数据进行特征分析，对事故可以进一步进行准确的分类和定位。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明实施例各模块及安装位置示意图；

图2是本发明实施例气体流量监测装置侧视示意图；

图3是本发明实施例气体流量监测装置俯视示意图；

图4是本发明实施例声波监测装置侧视示意图；

图5是本发明实施例声波监测装置俯视示意图；

图6是本发明实施例控制按键示意图；

图中：100-中轴；200-气体流量监测装置；201-横向弧面网；202-纵向弧面网；203-流量监测孔；300-声波监测装置；301-球状网面；302-探测振片；400-通信模块；500-壳体；600-供电模块；700-存储器；800-蜂鸣器；900-处理器；1000-位置记录装置；1100-按键模块；1101-存储时间间隔设置按键；1102-监测数据存储时间间隔设置按键；1103-电源切换按键；1104-警示灯开关；1105-气流监测范围设置按键；1106-声波波谱监测范围设置按键；1107-总开关；1108-气流监测开关；1109-声波监测开关；1200-告警灯。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

如图1-图6所示，本实施例装置带有一个外部壳体500，并在壳体500当中设置以下部件和功能模块：中轴100、气体流量监测装置200、声波监测装置300、通信模块400、供电模块600、存储器700、蜂鸣器800、告警灯1200、处理器900、位置记录装置1000和按键模块1100。

其中实现功能的最主要结构是共同安装在中轴100上的球形的气体流量监测装置200和声波监测装置300，安装在壳体500上的圆形通槽当中，确保能够监控到各个方位传递来的气流和声波的信息。中轴100为金属轴，通过轴承安装于监测装置本体上，在受力的情况下能够自由转动，并与通信模块400和存储器700连接。

其中，如图2-图3所示，气体流量监测装置200具体包括由多个横向弧面网201和多个纵向弧面网202构成的与中轴100固定连接的球状网体，以及转速计模块，气流通过球状网体上的流量监测孔203，并带动中轴100转动，转速计模块用于采集中轴100转动的转速并输出为电信号传送至存储器700和处理器900当中，转速计模块可以采用现有技术当中常规的转速计的转速采集方案，如激光式转速采集、电机式转速采集等。

如图4-图5所示，声波监测装置300则包括设置于球状网体外侧的球状网面301、多片探测振片302，以及传声器模块；其中，探测振片302的两端分别与球状网面301和中轴100固定连接，并穿过球状网体上的流量监测孔203，确保在感测到声波的情况下能够进行同步的振动响应；本实施例设计的声波监测装置300本质上与振片式麦克风的机理一致，但可以实现360°的声音采集，同时与气体流量监测装置200联合安装，在节约空间的同时，还确保了与气流采集的同步性和精度；探测振片302采集到的振动传递至中轴100，再通过传声器模块采集并转化为对应的电信号传送至存储器700和处理器900当中；其中传声器模块可以采用现有的传声器（麦克风）装置的振动-电转化模块的电路设计方案。

在本实施例中，处理器900的主要任务是将转速计模块和传声器模块采集的信号与预设的阈值进行比较，当超出阈值时，启动告警的程序。因此，在本实施例中，处理器900最低可以采用两个比较电路进行实现，为了保证系统更为稳定的运行，以及阈值可调等功能，本实施例优选采用单片机最小系统或PLC作为处理器900。

为了在上传采集数据和告警的同时，附带装置所在位置的信息，本实施例采用一个位置记录装置1000记录装置所固定安装的位置，该位置信息可以是一个具体的坐标信息，也可以是一个给定的名称，还可以是一个位置ID，所采用的位置记录装置1000优选采用闪存芯片等低成本低容量的存储器700件，并与处理器900连接，当然，也可以通过在用于存储数据的存储器700上开辟位置信息的存储空间来实现。

至于存储器700方面，使用常规的较大容量并可以保障长期稳定运行的可读写存储设备即可。其作用在于根据需求，可以设置不同时间段的间隔，并将所监测到的气体流量数据、声波异常数据储存，为后续人工数据分析、对比以及预测可能发生的气体异常提供依据。

在本实施例提供的方案当中，实现数据向监控中心的上传可以采用有线传输的形式，也可以采用无线传输，而实现告警信息通知矿区内的手持式告警接收装置时，则只能采用无线传输的方式，因此通信模块400需要包含无线传输模块，优选可以结合5G物联网基站采用5G通信模块400，也可以采用Zigbee等蓝牙通信模块400，配合基站的布设，可以实现无线网络在矿山、矿区内充分的覆盖，保障信息的有效传递。本地告警则通过蜂鸣器800和告警灯1200发出提示。

如图6所示，在功能设置和开关控制方面，本实施例提供的按键模块1100包括9个按键，包括：存储时间间隔设置按键1101、监测数据存储时间间隔设置按键1102、电源切换按键1103、警示灯开关1104、气流监测范围设置按键1105（用以设置按照不同时间间隔来记录不同时间点的气体流量）、声波波谱监测范围设置按键1106（用以设置需要采集的声波频谱范围，过滤杂音）、总开关1107、气流监测开关1108和声波监测开关1109。

在供电方面，可以采用有线供电模块600，直接利用矿区铺设的电网系统，也可以采用基于蓄电池的供电模块600。

基于本实施例以上提供的装置，本实施例提供的使用方法包括以下步骤：

步骤S1：将多个监测装置分别布设于矿山的待监测点，至少应当覆盖可能存在安全隐患的区域、工作人员密集的区域，其分布的疏密也可以根据实际需要进行调整，并通过位置记录装置1000记录安装的位置；如，设备可以按照不同的方式固定在矿山、矿井的各个部位，包括了矿坑、矿井的顶部、底部和侧部等各个不同位置，以达到安全监测装置可以在不同的监测位置达到长时、有效监测的功效。

步骤S2：安装完成值之后，设置好阈值等参数并开启装置，此时，如果任意方向有超过最低强度的气流产生，则会通过气体流量监测装置200带动中轴100转动；如果任意方向有超过最低强度的声响发出，则会被声波监测装置300采集；处理器900将转速计模块采集的中轴100转速，以及传声器模块采集的声波幅值分别与预设的阈值进行比较，当转速值和/或声波值大于阈值时，触发告警模块，并通过通信模块400上传告警信息；告警信息包括监测装置的位置信息。考虑到在矿山、矿区当中，包括设备开动的声响、人员交谈的声音均为可能干扰声波监测装置300采集异常信息的“杂音”，因此，本实施例方案的阈值判别机制可以考虑以气体流量监测装置200的判别为主，如，在有强声音波动的情况下，如果没有气流反应，则一般不判断为泄露事故。一般有短时、强烈波动的气流反映，则很有可能有事故的发生，再结合声音属性判断事故的类型。同时，通过监控中心的信息汇总，可以通过工程进度安排等信息，进一步排除在施工区域的高强度施工等情况对装置采集进行的干扰。当然，对于声波的采集，可以通过设置只采集特定频段的与事故相关联的声音信息，以过滤掉无关的声音。

在告警相应方面，一方面，告警信息上传至矿山工作人员携带的告警接收装置；告警接收装置可以为手持式装置，也可以与安全帽等其他安全设备集成设置，告警接收装置显示发出告警的监测装置所在的位置信息。工作人员根据提示信息，可以及时作出撤离或者规避的行为。

同时，告警信息也上传至监控中心，监控中心根据上传告警信息的监测装置的所在位置，一般事故发生时，会有多个监测装置发出告警，根据监控中心的汇总，可以根据发出告警的分布情况定位危险源所在区域，同时也可以初步分析出安全位置（未发出告警的区域），以便规划出逃生路线，并通知矿山工作人员携带的告警接收装置，使预警更为精确。

进一步地，由于转速计模块采集的中轴100转速信息和传声器模块采集的声波信息记录在存储器700中，并通过通信模块400上传至监控中心；监控中心可以根据转速信息和/或声波信息的波形特征，结合大数据分析，初步判断事故的类型。

两种告警提示可以先后送达，前者作为前置预警，使工作人员做好充分准备，而在后的正式告警，则可以为一线工作人员提供充分的危险来源和逃生信息。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的矿山安全监测装置及使用方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。