煤礦水文監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李 磊 ，張 強(qiáng)

（1. 晉煤集團(tuán)技術(shù)中心，山西 晉城 048006；2. 山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 ，山西 晉城 048006）

0 引言

礦井水文地質(zhì)信息工程是礦山生產(chǎn)中直接影響煤礦安全、投資巨大的一項(xiàng)浩大工程。建立多參數(shù)水文動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的目的是通過對礦井水位、水壓、水溫、流量的監(jiān)測，及時(shí)對水害的發(fā)生做出評估和預(yù)警，避免水害的發(fā)生，保障煤礦的安全生產(chǎn)。它一方面可以自動(dòng)采集煤礦的各種水文數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯示，另一方面可以系統(tǒng)的管理礦井水文資料。因此礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)在煤礦水文地質(zhì)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，它可以及時(shí)掌握礦井地下水的動(dòng)態(tài)，為保障煤礦的安全和正常生產(chǎn)起到重要作用，同時(shí)也為煤炭企業(yè)實(shí)現(xiàn)信息化和現(xiàn)代化起到積極的作用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)主要由水壓監(jiān)測儀、明渠流量傳感器、管道超聲波流量傳感器和通訊分站組成，各傳感器將采集的不同類型的數(shù)據(jù)傳輸給通訊分站，通訊分站接收到各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總，并在顯示屏上循環(huán)顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至地面上位機(jī)[1]。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

2 通訊分站設(shè)計(jì)

通訊分站是水文監(jiān)測系統(tǒng)通信的一部分，作為數(shù)據(jù)通訊的轉(zhuǎn)接站。通訊分站實(shí)現(xiàn)井上計(jì)算機(jī)與井下各監(jiān)測點(diǎn)的交互通信，完成計(jì)算機(jī)對井下數(shù)據(jù)的采集。

通訊分站實(shí)現(xiàn)以下功能：

與井上計(jì)算機(jī)通信：接收主機(jī)命令、發(fā)送各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)包、保存設(shè)計(jì)參數(shù)。

與傳感器通信：發(fā)送命令、接收各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)并保存。

本地顯示：循環(huán)顯示各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)。

通訊分站工作原理如圖2。

圖2 工作原理

通訊分站使用雙CPU 架構(gòu)，一個(gè)CPU 與井上計(jì)算機(jī)通信，另一個(gè)CPU 與井下傳感器通信。當(dāng)通訊分站接收到計(jì)算機(jī)發(fā)送的讀取數(shù)據(jù)命令，則打包內(nèi)存數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)；同時(shí)通訊分站循環(huán)發(fā)送傳感器地址，讀取監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并保存至共享內(nèi)存，本地顯示各監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)[2]。

3 明渠流量傳感器設(shè)計(jì)

明渠流量傳感器作為礦井水文監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，實(shí)現(xiàn)對煤礦井下明渠流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測。其主要原理為用水位傳感器測得液位高低，再根據(jù)國際通用的液位- 流量公式將液位轉(zhuǎn)換為流量。明渠流量傳感器原理圖如圖3 所示。

明渠流量傳感器具有自動(dòng)測量明渠/ 水倉的水位并輸出200～1000 Hz 的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號。水位傳感元件放于水下，通過傳感元件計(jì)算當(dāng)前的水壓大小，根據(jù)水壓與水深的對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出當(dāng)前傳感元件所在水位的大小。

圖3 明渠流量傳感器原理圖

圖4 液位- 流量關(guān)系

明渠內(nèi)的流量較小時(shí)，液位較低；流量較大時(shí)，液位較高，如圖4 所示。一般情況下，渠道的液位與渠道的流量沒有固定的對應(yīng)關(guān)系。因?yàn)樵谒纳疃纫粯拥臈l件下，不僅渠道的橫截面積對流量有影響，渠道的坡度以及渠道的粗糙度也會(huì)對流量產(chǎn)生影響。通過量水堰槽測量明渠的流量與水位，由于堰槽的缺口小，而明渠的橫截面積大，因此，堰槽的缺口尺寸決定了明渠內(nèi)的水位與明渠流量的對應(yīng)關(guān)系。不同的渠道，如果放置的量水堰槽相同，則液位與流量的對應(yīng)關(guān)系是確定的。渠道內(nèi)的流量通過量水堰槽轉(zhuǎn)成了對應(yīng)的液位，通過測量量水堰槽內(nèi)水流的液位，再根據(jù)國際通用的液位- 流量關(guān)系（《明渠堰槽流量計(jì)》JJG711- 90可查到），可反求出流量[3]。

4 管道超聲波流量傳感器設(shè)計(jì)

管道超聲波流量傳感器通過在液體中發(fā)射并接收脈沖信號的技術(shù)監(jiān)測管道中液體的流量。其工作原理：當(dāng)超聲波束在液體中傳播時(shí)，由于液體的流動(dòng)，超聲波在液體中的傳播時(shí)間發(fā)生了相應(yīng)的變化，并且時(shí)間所產(chǎn)生的變化與液體流動(dòng)的速度成正比關(guān)系[4]，其關(guān)系符合下面表達(dá)式：

式中：θ 為聲束與液體流動(dòng)方向的夾角（單位為°）；M為聲束在液體的直線傳播次數(shù)；D 為管道內(nèi)徑（單位為mm）；Tup為聲束在正方向上的傳播時(shí)間（單位為s）；Tdown為聲束在逆方向上的傳播時(shí)間（單位為 s），ΔT=Tup- Tdown。

5 水壓監(jiān)測儀設(shè)計(jì)

水壓監(jiān)測儀是在煤礦井下實(shí)時(shí)監(jiān)測水壓觀測孔及管道水壓。監(jiān)測儀自動(dòng)測量水的壓力，可通過礦用本安型數(shù)據(jù)采集儀設(shè)定參數(shù)、啟動(dòng)分機(jī)、標(biāo)定零點(diǎn)，并通過礦用一般兼本安型數(shù)據(jù)傳輸接口與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

水壓監(jiān)測儀工作原理：對于非密封點(diǎn)的水位來講，將水壓感應(yīng)裝置放入水下一定深度，根據(jù)水中某點(diǎn)的壓強(qiáng)與深度成正比的原理，水壓感應(yīng)裝置輸出為水壓感應(yīng)裝置水下埋深，然后去減電纜線長度，即為孔內(nèi)水位與井口距離；對于井下水壓孔來講，通過壓力感應(yīng)裝置直接讀出當(dāng)前觀測點(diǎn)的壓強(qiáng)[5]。

6 應(yīng)用情況

該系統(tǒng)在晉煤集團(tuán)鳳凰山礦進(jìn)行了推廣應(yīng)用，安裝各類傳感器34 臺(tái)，并將之前測量的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行了整合，目前項(xiàng)目已成功驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)了鳳凰山礦井下所需要監(jiān)測位置的涌水量及水壓等參數(shù)的準(zhǔn)確測量，取得了良好的效果。

7 結(jié) 語

煤礦水文監(jiān)測系統(tǒng)具有多參數(shù)監(jiān)測功能，高可靠性的數(shù)據(jù)通訊和組網(wǎng)方式，完善的處理方法，科學(xué)的預(yù)測、預(yù)警功能，能把井下所有需要監(jiān)測位置的涌水量以及水壓等參數(shù)進(jìn)行較為準(zhǔn)確的測量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，完成一個(gè)較為精確的統(tǒng)計(jì)。全自動(dòng)化的監(jiān)測手段能大大減少人工成本，同時(shí)測量也更加精確，直接給礦井帶來了使用便利與成本節(jié)支降耗。同時(shí)為煤礦水文動(dòng)態(tài)分析提供有力的控制與分析手段，為礦井的安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。