頂板大數(shù)據(jù)智能監(jiān)測分析系統(tǒng)研究

李晉陽

（山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院，山西 晉城 048006）

1 引言

頂板動態(tài)監(jiān)測作為井下煤礦智能化開采的重要基礎(chǔ)部分，其數(shù)據(jù)的實(shí)時性和準(zhǔn)確性一直是智能化水平的重要標(biāo)志。隨著采礦設(shè)備的發(fā)展和采煤技術(shù)的進(jìn)步，高強(qiáng)度開采工作面逐漸成為現(xiàn)代化礦井的主要開采方式，此類工作面巷道斷面大、割煤高度高、煤柱應(yīng)力集中、回采擾動大，對煤層條件、巷道支護(hù)質(zhì)量、頂板管理水平要求更高。一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)延遲或上傳不及時、不全面，極易誘發(fā)片幫冒頂、煤壁彈射、壓死支架等事故，造成嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失。

2 現(xiàn)場概況

13081 巷為岳城礦一盤區(qū)礦壓顯現(xiàn)最為集中的一條順槽巷道，目前巷道均采用機(jī)械式頂板離層儀進(jìn)行頂板管理。但機(jī)械頂板離層儀讀數(shù)裝置太過分散，若對所有安裝頂板離層儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測，就必須對所有裝置進(jìn)行一遍人工輪巡，并進(jìn)行手工記錄分析后才能得到整條巷道的頂板支護(hù)狀況，費(fèi)時費(fèi)力，難以建立有效的預(yù)防決策機(jī)制[1]。當(dāng)頂板離層、壓力等參數(shù)變化過大或過快時監(jiān)測裝備極易失效，無法及時將頂板信息數(shù)據(jù)傳輸至地面，如果不及時采取支護(hù)或補(bǔ)救措施，則有可能發(fā)生頂板事故。因此計(jì)劃在13081 巷研究應(yīng)用一套頂板大數(shù)據(jù)智能監(jiān)測分析系統(tǒng)，通過電子式的頂板離層監(jiān)測設(shè)備將離層位移數(shù)據(jù)傳輸至地面并智能分析，為工作人員決策提供大數(shù)據(jù)依據(jù)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 主要內(nèi)容

在13081 巷研究應(yīng)用一套頂板大數(shù)據(jù)智能監(jiān)測分析系統(tǒng)，實(shí)時監(jiān)測巷道各個監(jiān)測點(diǎn)的離層位移參數(shù)和錨桿（索）受力參數(shù)并提出智能分析，為監(jiān)測巷道的頂板離層情況提供數(shù)據(jù)支持。其技術(shù)路線如圖1。

圖1 技術(shù)路線示意圖

如圖1，根據(jù)頂板動態(tài)監(jiān)測設(shè)備分布以及前期調(diào)研情況確定控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)，明確系統(tǒng)各層結(jié)構(gòu)的作用及通訊方式，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備安裝圖對電源、分站、傳感器及電纜進(jìn)行敷設(shè)，待調(diào)試完畢后進(jìn)行系統(tǒng)試運(yùn)行。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)方案設(shè)計(jì)思路，頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)包括三部分：井下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、地面監(jiān)測服務(wù)器系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)架圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)架圖

3.2.1 井下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

井下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由多個位移傳感器、對位移傳感器供電的電源箱、本安型分站等設(shè)備組成。通過布置在頂板的位移傳感器實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測點(diǎn)頂板離層的實(shí)時監(jiān)測，將各個測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過礦用通信電纜連接到所屬區(qū)域的本安型分站上，由本安型分站接入數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳[2]，從而實(shí)現(xiàn)對井下頂板離層的監(jiān)測。

3.2.2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著將井下頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)按照采集要求及時傳輸?shù)矫旱V監(jiān)控中心機(jī)房的服務(wù)器等設(shè)備中，通過井下環(huán)網(wǎng)，將分站中的數(shù)據(jù)傳輸至地面機(jī)房上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)井下頂板動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

3.2.3 地面監(jiān)測服務(wù)器系統(tǒng)

地面監(jiān)測服務(wù)器系統(tǒng)主要由部署在監(jiān)控機(jī)房的服務(wù)器設(shè)備、監(jiān)控中心的監(jiān)控設(shè)備和監(jiān)控業(yè)務(wù)管理軟件組成。監(jiān)控機(jī)房的服務(wù)器設(shè)備包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器設(shè)備、數(shù)據(jù)服務(wù)軟件、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。按照行業(yè)安全要求，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器使用Rose 雙機(jī)熱備份方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲；數(shù)據(jù)服務(wù)軟件作為頂板監(jiān)測系統(tǒng)核心設(shè)備，采用經(jīng)過主機(jī)加固的BSD UNIX，避免了病毒感染和外部攻擊。設(shè)備承載了數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制管理和業(yè)務(wù)分析軟件。

4 主要設(shè)計(jì)

4.1 分站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)上傳分站設(shè)計(jì)如圖3。

圖3 分站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖3為分站外形結(jié)構(gòu)，由殼體、進(jìn)線裝置、顯示窗、懸掛裝置、主板及彩色液晶顯示器等組成。分站主控芯片采用STM32F207，外圍電路包括2 路CAN 總線接口、1 路以太網(wǎng)電口、1 路RS485 接口、藍(lán)牙無線接口等。來自配接設(shè)備的不同制式的信號，通過主控芯片處理后，分別進(jìn)行顯示、數(shù)據(jù)存儲，并將信號上傳至交換機(jī)，供地面計(jì)算機(jī)分析和處理[3]。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本軟件開發(fā)是基于煤礦頂板地質(zhì)構(gòu)造學(xué)，采用Visual Studio2010 軟件編程開發(fā)。系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器（C/S）架構(gòu)，在安裝客戶端的計(jì)算機(jī)上，可以查看相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主要用于煤礦井下頂板離層動態(tài)的監(jiān)測和分析。軟件設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)管理和頂板離層數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊。系統(tǒng)管理模塊包含用戶管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入和監(jiān)測設(shè)備信息維護(hù)等；頂板離層數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊主要功能有：實(shí)時數(shù)據(jù)列表、歷史數(shù)據(jù)列表、歷史數(shù)據(jù)曲線、離層數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、異常值查詢、傳感器狀態(tài)查詢、實(shí)時數(shù)據(jù)圖表顯示等。

5 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

項(xiàng)目于2019 年6 月在2324 工作面開始實(shí)施，于2019 年9 月安裝調(diào)試完畢進(jìn)入試運(yùn)行。其現(xiàn)場安裝如圖4。

圖4 2324 工作面布置圖

如圖4，巷道全長約1370 m。電源與分站放置于變電所內(nèi)，并接入交換機(jī)。傳感器在23243 巷共計(jì)安裝20 臺，經(jīng)過調(diào)試后，全部傳感器數(shù)據(jù)上傳至地面。通過頂板位移傳感器對巷道頂板離層量進(jìn)行監(jiān)測，并在分站設(shè)備的屏幕上實(shí)時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過井下環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至地面計(jì)算機(jī)，最終進(jìn)行頂板離層量數(shù)據(jù)的查看、分析和輔助決策。對2324工作面巷道的頂板離層規(guī)律研究的主要結(jié)論如下：

（1）結(jié)合相關(guān)的文獻(xiàn)和本礦的現(xiàn)場情況，將回采巷道的頂板離層劃分為3 個時期：未受采動影響區(qū)、采動影響區(qū)、劇烈采動影響區(qū)。

（2）當(dāng)頂板測點(diǎn)處在采動影響范圍之外時，巷道的離層值和離層速度較小，在劇烈采動影響區(qū)，離層值呈指數(shù)型增長，增長較為劇烈。

（3）結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)的預(yù)測趨勢和數(shù)值分析，確定巷道頂板離層下沉量在110 mm 左右，由彈塑性變形、擴(kuò)容變形、碎脹變形、折曲變形等因素引起的巷道變形量在95 mm 以上，頂板層面間的分離距離在15 mm 以下，主要離層下沉區(qū)域較大可能發(fā)生巷道頂板2.5 m 以內(nèi)的錨桿控制區(qū)域。

（4）系統(tǒng)運(yùn)行中存在數(shù)據(jù)接收不全、部分?jǐn)?shù)據(jù)偏低等問題，初步分析為頂板數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊安裝不到位，造成現(xiàn)場數(shù)據(jù)未有效采集，今后應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)現(xiàn)場安裝質(zhì)量的檢查，保證數(shù)據(jù)及時有效上傳。

（5）系統(tǒng)完成了頂板動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的建立和基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的智能分析方法的實(shí)現(xiàn)，并在頂板動態(tài)監(jiān)測軟件中實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)測預(yù)警功能。