采煤工作面頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)的應用

付東波，徐 剛，毛德兵，秦海濤，孫學波

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013;2.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京100013)

煤礦災害中，頂板事故對礦井的建設、安全生產危害性極大［1－2］。目前我國煤礦整合力度逐漸加大，頂板控制技術逐漸增強，然而頂板事故并未減少，除了高強度回采工作面增多、對西部礦區(qū)煤層礦壓特點缺乏了解外，最主要的原因是生產過程中缺少監(jiān)測或用監(jiān)測數據預警頂板災害。我國礦壓監(jiān)測系統(tǒng)或頂板監(jiān)測系統(tǒng)及成套技術比較成熟，但是普遍存在幾個問題:一是采樣間隔時間長，僅能滿足安全監(jiān)控系統(tǒng)30s巡檢周期的要求，不能及時捕捉頂板及支護體狀態(tài);二是沒有對監(jiān)測數據進行深入專業(yè)的分析，不能形成頂板災害預警指標。目前的技術僅僅實現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)的數據采集和通信，由于對礦山壓力和頂板活動規(guī)律缺乏專業(yè)、深入的研究，系統(tǒng)不能實現(xiàn)真正意義上的連續(xù)監(jiān)測，因此不能準確、真實地反映頂板安全狀況，更無法進行頂板災害的預警。

本文著重實現(xiàn)礦壓數據的自動分析和災害預警，而研發(fā)煤礦頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)。被測量參量主要包括支架工作阻力、工作面超前支承壓力、煤體受力、巷道頂板離層、錨桿錨索受力等，該系統(tǒng)通過傳感器采集應力、應變、位移等參數，由監(jiān)測分站及傳輸網絡傳輸到地面服務器，通過預設的計算方法和數學模型計算預警指標，結合煤礦工作面開采條件，實現(xiàn)采煤工作面頂板災害的預警。

1 系統(tǒng)結構

頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)屬于礦井監(jiān)控系統(tǒng)，其結構可劃分為3個層次:設備層、傳輸層和管理層。系統(tǒng)結構如圖1所示。

設備層是系統(tǒng)在井下布置的節(jié)點，主要包括傳感器和分站。在工作面，系統(tǒng)采用壓力傳感器采集液壓支架工作阻力，監(jiān)測頂板來壓。在巷道，系統(tǒng)采用壓力傳感器采集煤巖體應力、錨桿錨索載荷等信息，采用位移傳感器采集頂板下沉位移值。這些傳感器通過總線方式與分站連接，并共同構成系統(tǒng)的節(jié)點。節(jié)點設備通過傳輸層把數據傳輸給地面管理層，由管理層主機分析和處理采集到的數據。

系統(tǒng)傳輸層采用CAN總線進行數據傳輸，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

系統(tǒng)管理層的地面主機一般選用臺式計算機，雙機或多機備份，主要用來接收監(jiān)測信號，進行數據顯示、人機對話、專業(yè)計算、統(tǒng)計分析、生成日報表、災害預警、與管理網絡連接等;管理工作站或局域網終端一般設置在礦長、總工或礦壓科室，以便隨時了解礦井頂板災害監(jiān)測狀況;數據服務器是主機與管理工作站及網絡其他用戶交換監(jiān)控信息的數據倉庫。

圖1 頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)結構

隨著網絡技術的發(fā)展，在基于CAN總線的頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上開發(fā)了基于千兆光纖以太環(huán)網的監(jiān)測系統(tǒng)，基于環(huán)網的監(jiān)測系統(tǒng)設備層仍然以分站和傳感器為節(jié)點，傳輸層的主干網絡為基于千兆光纖環(huán)網交換機的以太網，在節(jié)點不能直接連到環(huán)網的地方，如工作面、掘進巷道等，通過CAN總線接入環(huán)網。管理層則包括中心交換機和服務器 (主機)等設備。同時，頂板監(jiān)測系統(tǒng)也研究了能夠直接接入礦上已有環(huán)網的系統(tǒng)的無縫轉接技術，使得系統(tǒng)監(jiān)測數據能夠以先進的、快捷的方式送入中央服務器和應用決策層，為指導安全生產提供依據。

2 系統(tǒng)特點

2.1 傳感器

頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)傳感器設計上具有突出的特點。首先，頂板災害監(jiān)測包括支架工作阻力、頂板下沉量、錨桿錨索載荷以及煤巖體的受力等物理量的測量，傳感器設計完全滿足頂板災害監(jiān)測物理量的物理接觸要求。其次，壓力傳感器采用濺射薄膜壓力傳感器，這種傳感器是利用薄膜技術直接在應變體上制作應變電橋的一種一體化敏感元件，即在高真空度中，利用離子束濺射技術，將絕緣材料、電阻材料、焊接材料以分子形式淀積在彈性不銹鋼膜片上，形成分子鍵合的絕緣薄膜、電阻材料薄膜及焊接金屬薄膜，并與彈性不銹鋼膜片融合為一體。在彈性不銹鋼膜片表面上形成牢固而穩(wěn)定的惠斯頓電橋。當被測介質壓力作用于傳感器膜片時，位于另一面的惠斯頓電橋則產生正比于壓力的電輸出信號。最為重要的是，傳感器采樣采用定時定值模式，采集迅速準確、數據量易于控制。

2.2 監(jiān)測分站

頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測分站的作用是采集傳感器數據，并通過總線與地面主機進行數據通信。監(jiān)測分站的主要特點是:

(1)監(jiān)測分站通過總線能夠連接不同類型的傳感器，使傳感器的布置安裝更加靈活和簡便，不受限制。

(2)監(jiān)測分站實現(xiàn)了數據傳輸的智能化要求。分站和地面主機定時進行心跳信號提示，當分站接收到心跳信號時，上傳數據;若無心跳信號則存儲該數據，并加入采樣時間;當恢復心跳信號時，首先上傳存儲的歷史數據。另外，地面主機定時給分站下發(fā)時鐘校正指令，防止分站時鐘出現(xiàn)偏差。同時，監(jiān)測分站備有U盤存儲，作為數據備份。

監(jiān)測分站的控制器結構如圖2所示?？刂破髦饕▎纹瑱C系統(tǒng)、電源管理部分、存儲部分、一級總線控制電路和二級總線控制電路。單片機選用51內核AT89C51CC03。

3 傳輸網絡

如前所述，頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)有其不同于礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的特點，在井下重新布線或調整已有電纜較為困難;另外，頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的物理量，如煤巖體應力、錨桿錨索載荷、頂板下沉等，多數是緩慢的連續(xù)變化的參量，對數據傳輸速率要求不高，但是一旦監(jiān)測結果報警，可能會發(fā)生嚴重的動力災害，因此必須實時監(jiān)測。針對以上特點，傳輸層現(xiàn)場總線選用CAN總線解決方案。

圖2 監(jiān)測分站控制器結構

圖3 CAN總線收發(fā)器的電路原理

(1)CAN總線收發(fā)器采用嵌入式模塊，保證CAN總線的通訊質量，有利于系統(tǒng)的擴展。

(2)通訊速率設置為可調，以降低通訊速率來保證10km以上的數據傳輸距離。

(3)針對不同礦井，CAN總線通訊線路需要調節(jié)匹配電阻，保證分支部分正常通訊。

一般來說，CAN總線在分支或分叉處要進行特殊的處理［3－4］，CAN總線系統(tǒng)主要通過2種方式解決:一是在監(jiān)測節(jié)點和中繼器內部嵌入CAN總線收發(fā)器，增強數據傳輸質量;二是在中繼器中增加匹配電阻，延長總線分支部分的通訊距離。CAN總線收發(fā)器的電路原理如圖3所示，通常CAN總線的收發(fā)器由芯片6N137，82C250和外圍電路組成。CAN收發(fā)器增加了三極管S3904的發(fā)送信號鉗位電路和由74LS00組成的接收信號抑制電路，從而保證信號傳輸的質量。在研制CAN總線進行獨立傳輸的基礎上，研制成功工業(yè)以太環(huán)網傳輸方式。網絡采用無主機設計，不僅可以服務于頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)，其他監(jiān)測系統(tǒng)如安全監(jiān)測、工況監(jiān)測、設備監(jiān)測、環(huán)境參數監(jiān)測，都可以接入。網絡接入模塊根據接入設備的通信方式選擇。

4 系統(tǒng)軟件設計

頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要包括實時數據設置、實時數據顯示、數據查詢和分析預警等功能，軟件顯示分為本地顯示和遠程顯示。系統(tǒng)軟件結構如圖4所示，軟件通過系統(tǒng)傳輸上的數據保存到數據庫中，采用Line方法繪制實時顯示井下各傳感器的數據?？梢酝ㄟ^SQL查詢某一時間段數據，并通過礦壓分析頂板災害發(fā)生的可能性。應用軟件在Visual Studio 2005編程環(huán)境下設計，采用ASP.NET(C#.Net Framework2.0)基于Active Data Objects的數據庫訪問接口技術，建立與數據庫的通訊連接、執(zhí)行T－SQL。應用程序對數據庫的操作，在通過執(zhí)行T－SQL查詢語句生成的結果集上執(zhí)行。

圖4 系統(tǒng)軟件結構

5 現(xiàn)場應用

伊泰集團某煤礦6上105－2工作面采用放頂煤開采，工作面采用四柱支撐掩護式支架。工作面頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)數據從2011年4月7日開始上傳，此時工作面已推進了112.3m，從開采至4月22日期間，工作面推進了182m，共發(fā)生了8次較大的來壓，來壓時工作面有颶風，工作面大部分支架頂梁穿透，對工作面生產造成了較大的影響。

根據頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)軟件的分析發(fā)現(xiàn)，該工作面支架初撐力較低，ZF15000/26/42型支架額定初撐力為12818kN，實際工作面平均初撐力如表1所示。從表中可以看出，實際初撐力不到額定初撐力的50%，一般在40%左右。

表1 工作面支架實際初撐力

根據軟件的數據處理和分析發(fā)現(xiàn)，除了初撐力、前后柱受力不均、安全閥開啟頻率、工作面推進速度等是導致發(fā)生頂板災害的重要因素。因此在軟件中設置上述參量超限的預警值。

同時，為了提高監(jiān)測的準確性，于2011年5月15日增設了測點，保證工作面從10號支架開始，每隔5架均布安裝1臺壓力傳感器，同時進行重點支架重點監(jiān)測。

完善監(jiān)測系統(tǒng)后，系統(tǒng)根據支架工作阻力數據自動分析出各項參數，與預警指標進行比對，并進行預警。根據不同的預警，有針對性地采取措施。6上105－2綜放工作面開采初期，在4月14日、15日和22日發(fā)生過大面積來壓，采用該系統(tǒng)加強觀測和預警后，采取針對性措施，工作面恢復了正常生產，其后僅在2011年10月21號發(fā)生了較小的來壓。

6 結論

(1)系統(tǒng)在設計上采用設備層、傳輸層和管理層的3層結構。結構清晰，每層設備都具有兼容性和擴展性。

(2)系統(tǒng)的傳感器結合被測物理量的要求，充分考慮煤礦井下的環(huán)境條件，利用離子束濺射技術實現(xiàn)壓力傳感器的高精度可靠測量。傳感器采樣采用定時定值模式，采集迅速準確、數據量易于控制。系統(tǒng)在監(jiān)測分站的研發(fā)中采用智能化設計，通過總線連接不同類型的傳感器，并與地面主機定時進行握手對時、備份數據。

(3)系統(tǒng)的傳輸網絡為既能夠采用光纖以太環(huán)網傳輸，也能夠單獨使用現(xiàn)場總線傳輸?，F(xiàn)場總線CAN的收發(fā)器采用嵌入式模塊，保證CAN總線的通訊質量，有利于系統(tǒng)的擴展，通訊速率設置為可調，無中繼情況下數據傳輸距離達到10km。

(4)系統(tǒng)軟件設計在基本的數據列表圖形顯示功能的基礎上，通過預設的計算方法和數學模型計算預警指標，結合煤礦工作面開采條件，實現(xiàn)頂板災害的預警。

［1］毛德兵，藍 航，徐 剛.我國薄煤層綜合機械化開采技術現(xiàn)狀及其新進展［J］.煤礦開采，2011，16(3):11－14.

［2］國家煤礦安全監(jiān)察局.“十一五”期間全國煤礦事故分析報告［R］.北京:國家煤礦安全監(jiān)察局，2010.

［3］付東波.基于uCAN總線的礦山壓力監(jiān)測遠程傳輸解決方案［J］.煤礦開采，2010，15(4):121－124.

［4］孫繼平.礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社.