变频法煤巷超前探测仪接收模块仿真.pdf

第4 6 卷 第4 期 2 0 1 4 年 第4 期 煤炭工程 C 0A L ENG I NE ER I NG Vo 1 ． 4 6． No ． 4 No ． 4，2 01 4 d o i 1 0．1 1 7 9 9 ／c e 2 01 4 0 4 0 42 变频法煤巷超前探测仪接收模块仿 真 郝明锐 ，任 洁 ，吴 淼 1 ．中国煤炭科工集团 太原研究院，山西 太原0 3 0 0 0 6 ； 2 ．中国矿业大学 北京机电与信息工程学院，北京1 0 0 0 8 3 ； 3 ．太原工业学院 机械工程系 ，山西 太原0 3 0 0 0 8 摘要变频法煤巷超前探测仪是一种基于双频激电法煤巷 综掘超前探 测技 术的物探仪 器， 用于探测并预报煤巷掘进面前方隐伏的有害地质构造。该仪 器主要 由发射模块和接收模 块组成。 利用 S i m u l i n k建立 了变频法煤巷超前探测仪接收模 块的仿真模型 ，并将其发射模块产生的模拟激 发电流接入该模型中，可计算得到探测预报所需的激电参数，从而印证仪器接收模块结构设计的 正 确性 ，为仪 器样机 的 开发 提供 了依 据 。 关键词变频法煤巷超前探测仪 ；接收模块 ；双频激电法；仿真探测 ；S i m u l i n k 中图分类号T D 6 7 9 文献标识码B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 4 0 4 - 0 1 2 6 - 0 4 S i mu l a t i o n o n Re c e i v e M o du l e o f Co a l Ro a d wa y Pi l o t De t e c t o r Ba s e d o n Fr e q ue n c y Co n v e r s i o n HA0 Mi n gr u i ．Re n J i e ．WU Mi a o 1 ． T a iy u a n R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e ri n g G r o u p ，T a i y u a n 0 3 0 0 0 6 ，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f E l e c t rom e c h a n i c al a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e ri n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o gy B e ij i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3，C h i n a 3 ． D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ，T a i y u a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ，T a i y u a n 0 3 0 0 0 8 ，C h i n a Ab s t r a c t C o a l r o a d w a y p i l o t d e t e c t o r wi t h f r e q u e n c y c o n v e r s i o n i s a n e x p l o r a t i o n i n s t r u me n t b a s e d o n d u a lf r e q u e n c y i n d u c e d p o l a ri z a t i o n a h e a dd e t e c t i n g t e c h n o l o g y ， ma i n l y c o mp ri s e d o f a t r a n s mi s s i o n mo d u l e a n d a r e c e i v e mo d u l e ． T h e s i mu l a t i o n mo d e l o f t h e d e t e c t o r s r e c e i v e , n o d u l e w a s b u i l t b a s e d o n S i mu l i n k ． Un d e r t h e e f f e c t o f t h e d u a l f r e q u e n c y c u r r e n t s i g n a l s e mi t t e d b y t h e t r a n s mi s s i o n mo d u l e ，t h e r e c e i v e mo d u l e c o u l d fi g u r e o u t t h e p a r a me t e r s wh i c h c o u l d r e f l e c t t h e g e o l o g i c a l s t r u c t u r e o f mi n e s e a m g a t e wa y ． T h e v ali d i t y o f t h e r e c e i v e mo d u l e s s t r u c t u r e wa s v e r i f i e d a c c o r d i n g t o t h e c a l c u l a t i o n r e s u l t s ． ’ Ke y wo r d s C o a l r o a d w a y p i l o t d e t e c t o r wi t h f r e q u e n c y c o n v e r s i o n； r e c e i v e mo d u l e； e x p l o r a t i o n i n s t rume n t ； s i mu l a t i o n d e t e c t i o nS i mu l i n k 基于双频激电法的煤巷综掘超前探测技术⋯是一种较 为符合煤矿井下超前探测需要的物探技术，可以实现掘进 过程中的探、掘一体化要求，从而保证掘进安全 ，提高掘 进效率。变频法煤巷超前探测仪是该技术的配套仪器，主 要 由发射模块 和接 收模 块组 成。发射模 块 的主要任 务是要 发射激发电流，使被探测区域内的地质体发生较为明显的 激发极化效应 。接收模块的主要任务是接收并处理地质 体受到激发后产生的极化电场信息，得到所需的激电参数， 从而预测探测区域内的地质构造。 利用 S i m u l i n k可以搭建变频法煤巷超前探测仪接收模 块的仿真模型。然后将仪器发射模块 的 S i mu l i n k模型 产 生的仿真激发电流接入接收模块仿真模型中，接收模块可 计算得到预测所需的激电参数。 1 接收模块的总体结构 变频法煤巷超前探测仪接收模块的主要任务是通过测 量探测区域内地质体因受到双频发射电流激发而产生的极 化电场 ，然后通过其内部的放大、滤波、采样、模／ 数转换 和计算等模块最终得到可反映地质构造二次电场信息⋯的 激电参数 ，从而判定掘进面前方地质情况。 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 3 1 基金项目国家 “ 十一五”8 6 3计划重点项目 2 0 0 8 A A 0 6 2 2 0 1 作者简介郝明锐 1 9 8 5一 ，男，山西太原人，现在中国煤炭科工集团太原研究院从事特种车辆设计工作 ，Em a i l h a o mi n g r u i 1 6 3 ． c o n。 引用格式郝明锐，任洁，等．变频法煤巷超前探测仪接收模块仿真 [ J ] ．煤炭工程，2 0 1 4 ，4 6 4 1 2 6 1 2 8 ，1 3 1 ． 】 2 6 2 0 1 4年第4 期 煤炭工程 接收模块的总体结构如图 1所示，主要由工频信号抑 制模块 、信号放大模块、信号选频模块、检波与积分模块、 数据采集模块、微处理器模块和液晶显示模块 ，以及数据 存储和通讯等模块组成。 图 1 接收模块 的总体结构 网 高 腰 囡 鞠 网 悃 测量电极接收到的电信号中同时含有高频和低频成分， 接收模块需要把其分离开来。接收到的混频电流信号经过 共同通道滤除高频、低频杂波之后，通过高频带通滤波器 和低频带通滤波器分别进入高频和低频通道，经过同步检 波、采样保持和 A ／ D转换等过程后，最后送入到计算模块 中，计算出所需的激电参数。 激电参数主要有高频视电阻率 p Q m 、低频视电 阻率p n m 以及 P 咫 P e r c e n t F r e q u e n c y E f f e c t ，百分频 率效应或视频散率 值 ，可以按以下公式求得 ‰ S 1 ‰ _ 了 ～ 了 L 1 p 札 T T z P FE x 2 0 0 ％ 3 pf I 】 式中△ 高频激发电位差 ，V； △ 低频激发电位差 ，V； 高频激发电流，A； 低频激发电流，A； S 探测面积 ，I l l ； ￡ 一探测距离 ，1“13 。 接收模块就是要从接收到的混频信号中，把高频成分 △ 、 和低频成分 △ 、， ￡ 分离出来。 3 接收模块的 S i mu l i n k模型 根据接收模块的信号处理流程 ，并参考同类型仪器的 仿真模型 ] ，将仪器接收模块分为共同通道子系统、滤波 调理子系统、检波与积分子系统和计算子系统四个部分。 通过 S i m u l i n k搭建了如图 3所示的接收模块仿真模型。 图 3 接收模块 的 S i mu l i n k模型 该仿真模型由信号发射系统 向接收模块输出模拟的 混频信号，由输出端 口V o l t a g e和 C u r r e n t 分别把混频电压 和电流信号送入到电压和电流信号处理系统中。电压和电 流信号处理过程和系统相同，都是经过共同通道子系统、 滤波调理子系统、检波与积分子系统 ，把混合信号中的高 频电位差 △ 和电流 ，低频电位差 △ 和电流 分离出 来 ，送入到计算子系统 中进行计算，求得高频视电阻率 p 低频视电阻率 p n 和 P 肛 值，并通过各 自的显示模块 D i s p l a y 显示 出来。以下分别介绍各模块的 S i m u l i n k模型及 经过各系统后电压信号的输出波形。 3 ． 1 共 同通道 子 系统 的 S i m u l i n k模 型 共同通道子系统 ，由一个高通滤波器和一个低通滤波 器组成。其作用是让发射模块发射的高频和低频混合信号 1 2 7 煤炭工程 2 0 1 4年第4期 可以通过，同时滤除信号中的高次谐波和超低频大地电流， 消除此类杂波对有效电信号的干扰。 信号发射系统 S i g n a l G e n e r a t o r m o d u l e向接收模块输出模 拟的混频信号经过共同通道子系统后其波形显示如图4所 示。 4 0 2 0 0 2 0 4 0 0 2 4 6 8 1 O 1 2 时间／ s 图4共同通道子 系统输 出的波形 3 ． 2滤 波调 理子 系统 的 S i m u l i n k模 型 经过共同通道后的高、低频混合信号，进入滤波调理 子系统中。该子系统由一个高频带通滤波器和一个低频带 通滤波器组成 ，可将高、低频混合信号分开 ，使其分别进 入高频、低频通道。通过滤波调理子系统后 ，混频信号分 为了高频和低频两部分，其波形显示如图5所示。 2 0 1 0 0 1 O ．2 0 乏 l O 0 一l O O 2 4 6 8 1 O l 2 时间／ s a 高频带通滤波器输出的波形 0 2 4 6 8 l 0 1 2 时间／ s b 低频带通滤波器输出的波形 图5 滤波调理子系统输出的波形 3 ． 3 检 波与积 分子 系统 的 S i m u l i n k模 型 信号经过高频和低频带通滤波器后，高频成分和低频 成分分别进入了高频通道和低频通道，经过同步检波与积 分后得 到所 需 的电压 和电流值。检波与 积分子系统 的 S i m u l i n k 模型如图6所示，上面部分为高频通道的检波与积 分系统 ，下面部分为低频通道 的检波与积分 系统 。 3 ． 4计算子系统的 S i m u l i n k模型 计算子系统的 S i m u l i n k模型如图 7所示。计算子系统 从电压信号的检波和积分系统中取得高频、低频电位差 △ 和 △ ，从 电流信号的检波和积分系统 中取得高频、 低频电流值 和 ，进行计算求出高频视电阻率P 低频 视电阻率P 以及 P F 值，并通过显示模块输出结果。 4 计算结果分析 为了验证接收模块结构设计 的准确性，更好地观察信 号在各个子系统中的变化情况，该模型直接将发射模块 S i mu l i n k模型 产生的双频激电信号接入到接收模块 中进 行测试 ，中间并没有经过可产生激电效应的探测区域模型． 1 2 8 积分 器示波 图 6 检波 与积分子 系统 的 S i mu l i n k模型 图7 计算子系统的 S i mu l i n k模型 因此激发极化现象并不明显 ，其所得的高频视 电阻率 p 低频视电阻率 P 应大致相等，同为发射模块的内阻电阻 率， 值应接近于零。 运行模型后，该模型的输 出结果如图 8所示，求得的 ，和p 都为 2 ． 4 Q r i l ，此为发射模块的内阻电阻率值。求 得的P F E值很小，可以忽略不计。结果与预期一致，证明 了接收模块总体结构设计的正确性。 示波器 图 8 模型的输 出结果 5 结语 双频激电法煤巷综掘超前探测技术是为解决巷道掘进 过程中存在的 “ 探、掘”矛盾，提高掘进效率和安全性而 开发的新技术。该技术的配套仪器变频法煤巷超前探 测仪，作为该技术的重要组成部分，其设计与开发具有重 要意义。利用 S i m u l i n k工具搭建该仪器的仿真模型．可以 低成本 、 高效率地进行仪器的设计与开发。 文中介绍了变 下转第 1 3 1页 A／ A／ 2 0 1 4年第4 期 煤炭工程 短钢丝绳与轨道的距离，使钢丝绳牵引力集中于轨道中心， 增大牵引力矩，从而提高煤矿井下无极绳单轨吊系统 的牵 引力和运行稳定性。压绳轮组结构如图5所示。 图 5 压绳轮组结构 2 ． 5 牵引车 梭车 目前煤矿运输系统普遍采用牵引头和牵引梭车均是 固 定连接在一起，由于煤矿的通道高低起伏不平，牵引头和 牵引梭车在运动中也会存在转弯和起伏，由于牵引头和牵 引梭车固定连接 ，就会在转弯和高低起伏 的轨道上移动不 平稳 ，甚至出现卡死现象。该系统是将牵引头和牵引梭车 通过拉杆组件联接，而且拉杆组件包括螺杆拉杆和螺孔拉 杆 ，螺杆拉杆和螺孔拉杆螺纹连接，且螺杆拉杆的一端装 在第一连接销上 ，螺孔拉杆的一端装在第二连接销上，因 此在牵引头和牵引梭车移动中，拉杆组件能够很好的起到 过渡作用 ，提高牵引头和牵引梭车的移动平稳性。 2 。 6 回绳轮 导 向 系统 尾轮导向系统图如图 6所示，将回绳轮倒挂安装在顶 部轨道的下方，用压板固定，再在 回绳轮上安装顶座 ，确 保进一步夹紧钢轨 ；且 回绳轮上设有吊挂轮组，在回采或 向前掘进时无需拆卸回绳轮及钢丝绳，直接在轨道上滑动， 大大减少拆除及安装工作量 ，节省 了时间，保证了安全 ； 另外为防止回绳轮受力摆动，在回绳轮尾部采用链条拉紧 固定装置，以满足煤矿井下无极绳单轨吊系统掘进延伸和 回采工作需要。 2 ． 7控 制 系统 为保证钢丝绳牵引单轨吊安全运行，研制新型电气综 、 、 合保护控制系统，该系统采用 P L C为控制核心，将钢丝绳 牵引单轨吊电控系统高度集成，使系统更加智能化、集约 化、科学化，系统实现 了对单轨吊司机的识别与控制及单 轨吊多重过卷、过速等保护 ，集成了泄漏通讯、电动机正 反转及软启动和单轨吊沿线无线移动视频监控等保护功能。 2 3 4 5 6 7 1 一移动滑轮 ；2 一 回绳轮 ；3 一 前连接座 ；4 一收紧链条 ； 5 一 手摇葫芦 ；6 ～ 轨道 ；7 一后连接座 图 6 尾轮导 向系统图 3结语 钢丝绳牵引单轨 吊技术经过调研、设计 和不断创新， 最终完成了新产品的开发 ，2 0 1 3年 4月，在淮北矿业集团 祁南煤矿 3 6 6风巷和 3 1 5机巷安装试用，成功解决了工作 面机风巷和掘进头材料、设备和人员运输难题，具有设计 合理、工艺先进、结构简单、安装方便、安全可靠等特点， 产生了显著的经济效益和安全效益，达到了预期 目标，满 足了煤矿安全生产需要。 参考 文献 [ 1 ] 尹成排．振兴煤矿井下单轨 吊运输系统设计 [ J ] ．科技与 企业 。2 0 1 3 2 O 2 0 ． [ 2 ] 国秀亭．浅谈 单轨 吊在井 下辅助 运输 的应 用 [ J ] ． 中 国科 技博览 ，2 0 1 3 2 7 1 51 6 ． [ 3 ] 郭德秀．单轨吊驱动机构的应用改进[ J ] ．机械工程师， 2 0 1 2 1 3 73 9 ． [ 4 ] 张 庆，徐西鹏．单轨吊液压制动系统研究与维护 [ J ] ． 山东煤炭科技 ，2 0 1 3 1 5 7 5 8 ． [ 5 ] 王旭东 ，赵亚东 ，杨志勇．矿用单轨吊机车液压 系统 的设计 [ J ] ．煤矿机电， 2 0 1 3 1 2 1 2 3 ． 责任编辑赵巧芝 上接 第 1 2 8页 频法煤巷超前探测仪接收模块的总体结构及其 S i mu l i n k仿 真模型，并通过输入仪器发射模块 S i mu l i n k模 型产生 的电 信号验证了接收模块工作的有效性，证明了接收模块总体 结构设计及基本原理的正确性 ，为下一步仪器样机的开发 做好了准备。 参考文献 [ 1 ] 张伟杰，郝明锐，杜毅博，等．基于双频激电法的煤矿超前 探测新技术初探 [ J ] ．煤炭科学技术，2 0 1 0 3 7 3 7 5 ， 7 9 ． 、 [ 2 ] 李金铭．激发极化方法技术指南 [ M] ．北京 地质 出版社 ， 2 0 0 4． [ 3 ] 郝 明锐 ，张伟杰 ，张维振 ，等．变频法煤巷超前探测仪发射 模块仿真 [ J ] ．煤炭科 学技术 ，2 0 1 1 8 9 09 2，9 9 ． [ 4 ] 陈儒军．双频激电仪的建模与仿真分析 [ J ] ．物探化探计 算技术，2 0 0 3 2 2 3 2 5 ． [ 5 ] 何继善．双频激电法 [ M] ．北京高等教育出版社， 2 0 0 6 ． [ 6 ] 丁亦农．S i m u l i n k 与信号处理 [ M] ．北京北京航空航天 大学 出版社 ，2 0 1 0 ． 责任编辑赵巧芝 1 3l