[发明专利]基于激光诱导和SIMCA分类法的矿井突水水源识别装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及采矿技术领域，具体涉及一种基于激光诱导和SIMCA分类法的矿井突水水源识别装置及方法。

背景技术

我国地质状况复杂，煤炭开采时地质灾害频发。瓦斯、煤尘、水、火和顶板灾害并称煤矿五大灾害，自建国以来无论是从事故数量上还是死亡人数上，水害事故均仅次于瓦斯事故，位居煤矿五大灾害第二位。矿井突水的主要类型有地表水、奥陶系灰岩岩溶水、煤系砂岩裂隙水、煤系灰岩水、第四系冲积层水和老窑水这六种水，除地表水可防可控外，其余五种水由于深埋地下，因此皆存在不可预见性。矿井突水预警的主要方式即进行突水水源类型的实时在线识别。

目前尚无一种设备能实现煤矿井下的突水在线预警，传统的水源识别全部采用水化学方法，测量水中代表离子的离子浓度进行建模识别。此类方法需要人员定时在涌水点采集水样，且检测离子浓度耗时需要一小时以上，完全不能适应在线预警的要求。

因此，在突水事故发生之前及时对矿区排出水源进行识别，判断是否属于矿区已知突水水样，提前排出可能存在的水害危险，对矿区安全生产尤其重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于激光诱导和SIMCA分类法的矿井突水水源识别装置及方法，以解决传统水化学技术不能实现在线式水源类型识别、识别准确度低的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于激光诱导和SIMCA分类法的矿井突水水源识别装置，用于根据已知水样的PCA模型对被测水体进行识别，该装置包括激光器、浸入式探头、光探测器、光谱分析模块和识别模块，其中激光器与浸入式探头通过光纤连接，激光器将激光打入涌水点的被测水体，被测水体受激辐射发出荧光，由浸入式探头实时接收荧光信号，经光纤传输至光探测器；采用至少两路并行光探测器，同时分别读取设定的各个波段的荧光信号；光谱分析模块根据光探测器输出的荧光信号，并进行滤波和A/D转换，经过数据整合后输出一路完整波段的荧光光谱数据；识别模块根据输入的被测水体的荧光光谱数据以及已知水样的PCA模型，基于SIMCA算法判断被测水体属于哪种已知水样。

进一步地，所述光探测器为4个，所述光谱分析模块为FPGA，所述FPGA通过内部编程对4路并行光探测器进行控制，规定各光探测器采集的荧光光谱波段分别为400-499nm、500-599nm、600-699nm和700-799nm波段，将4路荧光光谱数据按顺序进行数据整合，输出400-799nm完整波段的荧光光谱数据。所述光探测器为4路并行NMOS光探测器，在同一时刻分别采集不同波段的荧光信号，可节约扫描时间。

具体地，所述识别模块判断被测水体属于哪种已知水样，具体执行如下操作：

读取被测水体的荧光光谱数据，采用移动平均法对该光谱数据进行数据预处理；

分别计算被测水体与不同已知水样的拟合偏差，以及总体偏差；

在显著性程度α＝5％的情况下，进行F检测，将F的计算值与临界值进行比较，若F的计算值小于临界值，则被测水体属于该F的计算值对应的已知水样。

本发明还提出了一种基于激光诱导和SIMCA分类法的矿井突水水源识别方法，用于根据已知水样的PCA模型对被测水体进行识别，该方法包括以下步骤：

激光器将激光打入涌水点的被测水体，被测水体受激辐射发出荧光，由浸入式探头实时接收荧光信号，经光纤传输至光探测器；

采用至少两路并行光探测器，同时分别读取设定的各个波段的荧光信号；

获取光探测器输出的荧光信号，进行滤波和A/D转换，经过数据整合后输出一路完整波段的荧光光谱数据；

根据被测水体的荧光光谱数据以及已知水样的PCA模型，基于SIMCA算法判断被测水体属于哪种已知水样。

进一步地，所述判断被测水体属于哪种已知水样，包括以下步骤：

读取被测水体的荧光光谱数据，采用移动平均法对该光谱数据进行数据预处理；

分别计算被测水体与不同已知水样的拟合偏差，以及总体偏差；

在显著性程度α＝5％的情况下，进行F检测，将F的计算值与临界值进行比较，若F的计算值小于临界值，则被测水体属于该F的计算值对应的已知水样。