無線多通道聲發射監測系統優化與應用

王洛鋒，李海娟，郭新禮，程建勇，張超

(1.洛陽欒川鉬業集團股份有限公司，河南 洛陽 471500；2.河南省電力公司洛陽供電公司，河南 洛陽 471000 )

巖體在破壞之前，都會出現聲發射和微震現象。基于此，通過聲發射和微震監測設備采集有效的聲發射或微震信號，分析巖體穩定性狀態，預防災害事故發生[1-2]。巖體聲發射監測技術作為一項先進的監測手段，有效應用于金屬礦山、煤礦的采空區穩定性監測[3-7]。由于地采時期施工單位多且無序開采等原因，三道莊露天礦內部形成了大規模的多層高危地下空區。據調查統計，空區體積約為1600萬m3，空區一直是該礦山的重大安全隱患。洛鉬集團按照“安全第一，預防為主，綜合治理”的方針，2007年與武漢安全環保院合作開發無線多通道巖體聲發射監測系統[8]。該系統的研制與應用，實現了地壓活動在線實時監測，全面掌握了三道莊礦區的地壓活動情況，極大地提高了礦山的地壓監測水平，是空區處理和露天礦開采的重要安全技術保證措施。

1 聲發射監測系統優化的必要性

聲發射監測系統由12V、60Ah的蓄電池供電，工作人員需定期充換蓄電池。采場監測點較多，平均每天需更換6塊蓄電池，更換電池時間長、任務量大，不利于監測技術員實時記錄整理地壓信息；監測點布置在空區上方或附近區域，人工更換電池存在一定的安全隱患，D區深部特大空區和E區復雜多層空區地壓監測尤為突出。以上區域汛期封閉，嚴禁人員進入，無法電池更換，影響危險區地壓監測。聲發射監測實現無線傳輸，但在實際應用過程中存在一定的問題，如采場監測設備信號發射儀在臺階邊坡根部、周圍有障礙物、距監控分析室較遠時，接收儀無法接收信號，影響監測效果。因此，為保證工作人員安全，節省人力，節能降耗，研制太陽能光伏供電系統為聲發射監測設備供電；為提高信號接收能力，優化信號轉發方式。

2 太陽能光伏供電系統的研制

2.1 光伏供電系統的構成

試太陽能光伏供電系統由太陽能電池板、控制器、支架及蓄電池等四部分組成。工作原理：太陽能電池板將光能轉換為電能，然后通過控制器將電能存儲至蓄電池，當蓄電池處于飽和狀態，控制器開關斷開，停止電能向蓄電池存儲；當蓄電池處于欠壓狀態，控制器開關自動打開，轉換電能存儲至蓄電池，蓄電池通過控制器為監測設備供電。

2.2 供電系統參數選取

光伏供電系統參數選擇，主要為蓄電池容量和太陽能電池板功率匹配計算。該系統仍繼續使用65Ah的蓄電池，因此，供電系統參數選擇重點計算合理的太陽能電池板的功率。

無線聲發射監測系統供電要求：監測探頭及信號發射儀功率為2W，要求監測系統每天24h不間斷連續工作，供電區連續陰雨天不超過7d。

1)計算出年用電總量

H=0.002×24×365=18 kWh

2) 計算太陽能電池板功率

式中：H為年理論用電總量；Q取值 1000 kWh，因欒川是山區，太陽輻射量較小；R為1.2 斜放太陽能板與水平面年輻射量的比值；F取值0.9用戶使用不當的效率；η1取值0.85蓄電池組充放電效率；η2取值0.9 溫度損失因子；η3取值0.9 灰塵遮蔽損失因子。

P0=18/(1000×1.2×0.9×0.85×0.9×0.9)=0.024kW=24W

P=24×(1+15%)=27.6W

為了提高供電可靠性，適當提高功率富余量，因此，太陽能電池板的功率定為30W。

2.3 供電試驗系統運行狀態分析

三道莊露天礦采用的12V、65 Ah蓄電池充電終止電壓為12.3V左右和放電終止電壓11.2V，充換電池周期為5d。因此，將蓄電池連續工作10d以上，且蓄電池電壓不低于11.5V作為驗證光伏供電系統試驗成功的標準。

供電試驗系統由太陽能板(含支架)和監測箱兩個獨立的部分組成，聲發射傳感器、數據采集儀及無線發射天線、控制器、蓄電池等設備放在監測箱內。該系統2010年12月8日為監測設備供電，至2011年1月23日試驗結束共47d，監測過程中未進行人工充換電池，記錄120組有效數據。

光伏供電系統運行狀態記錄顯示：太陽能電池板為蓄電池供電最高電壓值為14.9V、最低電壓值12.1V；晴朗天氣太陽照射充足蓄電池高位電壓多穩定于13.8V左右，夜間太陽能電池板停止工作，靠蓄電池儲存電量為監測設備供電，此時電壓多穩定于12.2V左右；陰雨或多云天氣，供電系統受影響，但數據顯示連續2～3個陰天或雨雪天，該供電系統仍然正常運行且電壓值均不小于12.1V。圖1為12月11日太陽能供電系統運行狀態圖，該圖說明18∶00～9∶00太陽能電池板基本上停止電能轉換，無法向蓄電池儲存電能；9∶30～16∶30為光照條件最好時段，電池板持續為蓄電池充電，冬季露天礦充裕光照時間為6～7h。供電試驗系統連續為監測設備供電，說明試驗是成功的，系統技術指標選取是合理的。

圖1 2010年12月11日供電系統運行狀態圖

2.4 供電系統優化、改進與應用

在供電試驗系統已取得成果的基礎上，針對其不足之處，結合現場使用情況，為使供電系統和監測系統有機結合，提出對原有監測系統和供電系統進行結構優化設計,將供電系統與監測組件集成為一個系統。圖2為太陽能光伏供電與地壓監測集成系統外觀設計示意圖。太陽能電池板鑲在監測柜斜面上；為了防止雨水流入或滲入，監測柜四面均用Φ2.5mm厚鋼板封閉，監測柜后背板為可以上鎖的鋼板門；監測柜內部分為兩層，下層放置蓄電池，上層放控制器、數據采集儀，無線發射天線放在箱體外部卡槽內(長寬高分別為8.3cm、6.5cm、8.0cm)，上下兩層用鋼板隔開；監測柜四角焊接高為10cm的柜腳；監測柜左側上下及柜內二層左側各打Φ2.5cm的小孔，用于監測設備間或者與蓄電池連接；柜子底部打一排小孔，防止積水。

圖2 太陽能光伏供電系統示意圖

改進后的集成供電系統，如圖3所示。5臺新研制的供電系統于2011年6月3日應用到D區地壓監測，其中，2塊蓄電池為欠壓狀態，另外3塊蓄電池為飽和狀態，飽和狀態蓄電池一直正常工作，欠壓狀態蓄電池經太陽能板4d自動充電也達到飽和狀態。截止到9月26日，以上5套系統已連續無異常運行115d。因此，太陽能光伏供電與聲發射監測集成系統研制成功。

2.5 應用效果及前景分析

光伏供電系統能穩定為監測設備供電，保證地壓監測的實時、動態、準確性，三道莊露天采場范圍內同時布設20～30余個聲發射監測點，平均每天充換蓄電池6臺，光伏供電系統的應用將大大減少該項工作的勞動量，減少人員在空區上方的流動量，提高作業區域的安全性。另外，該技術也可以根據需要應用于其他供電設備，如GPS基站系統供電。因此，該系統具有一定的推廣應用前景。

圖3 太陽能光伏供電與聲發射監測集成系統

3 信號轉發方式的優化

為解決無線信號無法正常接收的難題，技術人員優化信號轉發方式，將不能正常接收的監測信號，先轉發至離監測中心較近的過度監測設備上，然后經過同步再轉發至監測中心，從而實現實時監控的目的。

如圖4所示，3#監測儀距監控分析中心較遠，2#監測儀位于臺階根部，由于信號發射半徑小或障礙物阻擋，監測中心無法接收到2#、3#監測信號，在監控中心和2#、3#監測儀中間增加1#過度同步收發監測儀，接收無線信號后，經同步再將信號轉發至監控中心。

圖4 轉發方式優化示意圖

優化后的信號轉發方式，在實際監測中得到很好的應用。如處理1366臺階和1354臺階下部空區時，1366臺階的監測儀信號傳輸正常，而監控中心無法接收到1354臺階根部的8#、9#、13#監測信號，信號同步轉發后才能接收以上監測點采集的數據，從而有效分析各區域地壓活動情況，有效保證安全生產和空區處理的順利進行。

4 結 論

1)根據監測設備供電要求、礦區位置、天氣等因素核算太陽能電池板合理功率為30W，現場

試驗證明了監測系統穩定運行，說明供電系統方案設計與參數選擇是合理的。

2)光伏供電系統的研制與應用，減少監測人員勞動量，提高生產作業安全性，社會效益和經濟效益明顯。

3)通過信號轉發方式的優化，使遠距離或異常信號區監測儀采集數據同步轉發至地壓監控分析中心，提高了信號傳輸能力和地壓監測水平。

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