基于傳感檢測的煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

白國富

（中煤科工集團北京華宇工程有限公司礦山工程二所，北京 100032）

隨著我國對煤礦資源開采力度的加大，在煤礦的開采中出現(xiàn)的煤礦井下坍塌事故時有發(fā)生，因此，煤礦巷道礦壓監(jiān)測就顯得尤為重要。在保證不影響煤礦正常開采的基礎(chǔ)上，設(shè)計一套煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，是整個煤礦開采行業(yè)迫在眉睫的事情。

1 煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計

煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)以監(jiān)測支架防護、巷道穩(wěn)固度等參數(shù)為目的，可以為煤礦巷道設(shè)計和維護人員提供一定的理論支撐。該系統(tǒng)應(yīng)具備實時監(jiān)測和分析功能，能夠準確地將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至控制終端，實現(xiàn)實時、動態(tài)的煤礦巷道礦壓監(jiān)測，保證設(shè)計和施工的安全進行。煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)主要用于煤礦頂板壓力的監(jiān)測和分析，系統(tǒng)可以對頂板圍巖離層、錨桿載荷和支架阻力等進行監(jiān)測。

1.1 煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)接收傳感器采集到的壓力信號，由控制系統(tǒng)進行處理和分析，然后通過屏幕或其他顯示器進行實時的顯示、存儲，監(jiān)測人員則可以根據(jù)顯示的信息實時了解巷道礦壓情況。煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)包括PC機、傳輸適配器和嵌入式控制系統(tǒng)。其中，PC機接收傳輸適配器收到的信號，然后通過分析后實時進行顯示。傳輸適配器安裝在煤礦巷道下面，其為數(shù)據(jù)接收接口，可以接收地下煤礦巷道中嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。該適配器采用RS485網(wǎng)絡(luò)通信接口，可以實現(xiàn)和PC間20km的超遠信息傳輸。根據(jù)煤礦巷道分布，會設(shè)計多個監(jiān)測點，然后由嵌入式系統(tǒng)采集各個監(jiān)測點的傳感器信息，匯總到傳輸適配器，由其送給PC機。嵌入式控制系統(tǒng)硬件設(shè)備包括嵌入式控制器、傳感器的鋪設(shè)、數(shù)據(jù)信號處理和轉(zhuǎn)換等模塊，軟件則是負責(zé)數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)計。

1.2 煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測方案

通過對某煤礦工作面的煤層特點、地質(zhì)特性、采空區(qū)狀態(tài)以及降雨情況的研究，煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)以工作面300m范圍內(nèi)的巷道作為測試點，布置傳感器。

煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)一共設(shè)置了三組測試站，三組分別距離工作面100m、150m和300m，其中，每一組包括頂板圍巖離層、錨桿載荷和支架阻力三組傳感器。煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測方案如圖1所示。

圖1 煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測方案

2 煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于傳感檢測的煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)合計算機、嵌入式、傳感器、光纖通信等多種技術(shù)，實現(xiàn)煤礦上方為地下煤礦巷道的礦壓監(jiān)測。煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計如圖2所示。

圖2 煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1 壓力傳感器的選擇

煤礦巷道礦壓大、噪聲強，一般的傳感器干擾較強，且容易被損壞，因此，本文選擇光纖光柵傳感器，測量煤礦巷道壓力。光纖光柵傳感器由纖芯、包層、涂覆層、增強纖維和外部保護套等五部分組成，纖芯是其核心部分，負責(zé)信號的傳遞，其他則起到保護纖芯的作用。

2.2 嵌入式控制模塊

工業(yè)自動化和控制應(yīng)用需要具有高可靠性以實現(xiàn)連續(xù)運行，并能夠檢測和預(yù)防潛在的危險狀況?；诳煽啃愿?、功耗低、傳輸速度快、距離遠以及經(jīng)濟性的考慮，本文地下控制系統(tǒng)采用TI公司的16位的MSP430F413單片機為控制核心，主要包括LCD顯示、電源、數(shù)據(jù)采集、RS485通信、IV轉(zhuǎn)換等模塊。MSP430F413 MCU按照IEC61508安全標準開發(fā)而成，在硬件中集成了安全功能，可以快速檢測出可能的故障模式，適用于多種工業(yè)應(yīng)用平臺。MSP430嵌入式控制模塊方案框圖如圖3所示。

圖3 MSP430嵌入式控制模塊方案框圖

2.3 I/V轉(zhuǎn)換電路

采用如圖4所示的I/V電路將光纖解調(diào)儀的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號。

圖4 I/V轉(zhuǎn)換電路

該I/V轉(zhuǎn)換電路采用LM324運算放大器，可以將光纖輸入的4～20mA電流轉(zhuǎn)換成0～5V電壓值。

3 煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

MSP430F413單片機軟件主要包括通信分站主程序、IRQ中斷程序、光線數(shù)據(jù)采集和顯示電路四個部分。其中通信分站主程序如圖5所示。

如圖5所示，系統(tǒng)啟動后，首先進行I/O的初始化，接著進行系統(tǒng)的自檢，判斷系統(tǒng)clk、USART、USART、通信等是否工作正常。RS485通訊程序?qū)崿F(xiàn)和PC之間的數(shù)據(jù)的傳輸，接收PC機的請求，并發(fā)送應(yīng)答。程序定義一個64字節(jié)的數(shù)據(jù)緩存區(qū)用來存放接收到的數(shù)據(jù)或命令，循環(huán)判斷485接收標志位是否置1，如果置位，說明有數(shù)據(jù)存入緩存器，進行下一步處理。

圖5 通信分站主程序圖

4 結(jié)論

本文針對煤礦巷道礦壓檢測等問題，結(jié)合計算機、嵌入式、傳感器、光纖通信等多種技術(shù)，提出了一種基于光纖光柵傳感器的煤礦巷道礦壓現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，并從軟硬件兩方面進行了設(shè)計，實現(xiàn)了煤礦上方與地下煤礦巷道的礦壓監(jiān)測，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了保障，具有重要的現(xiàn)實意義。