付東波，徐 剛，毛德兵，秦海濤，孫學(xué)波

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

煤礦災(zāi)害中，頂板事故對礦井的建設(shè)、安全生產(chǎn)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(shù)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(chǎn)過程中缺少監(jiān)測或用監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警頂板災(zāi)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(shù)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(shù)據(jù)進行深入專業(yè)的分析，不能形成頂板災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)。目前的技術(shù)僅僅實現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(zhǔn)確、真實地反映頂板安全狀況，更無法進行頂板災(zāi)害的預(yù)警。

本文著重實現(xiàn)礦壓數(shù)據(jù)的自動分析和災(zāi)害預(yù)警，而研發(fā)煤礦頂板災(zāi)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(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)，由監(jiān)測分站及傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛娣?wù)器，通過預(yù)設(shè)的計算方法和數(shù)學(xué)模型計算預(yù)警指標(biāo)，結(jié)合煤礦工作面開采條件，實現(xiàn)采煤工作面頂板災(zāi)害的預(yù)警。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)屬于礦井監(jiān)控系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)可劃分為3個層次:設(shè)備層、傳輸層和管理層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

設(shè)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(yīng)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(gòu)成系統(tǒng)的節(jié)點。節(jié)點設(shè)備通過傳輸層把數(shù)據(jù)傳輸給地面管理層，由管理層主機分析和處理采集到的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)傳輸層采用CAN總線進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)顯示、人機對話、專業(yè)計算、統(tǒng)計分析、生成日報表、災(zāi)害預(yù)警、與管理網(wǎng)絡(luò)連接等;管理工作站或局域網(wǎng)終端一般設(shè)置在礦長、總工或礦壓科室，以便隨時了解礦井頂板災(zāi)害監(jiān)測狀況;數(shù)據(jù)服務(wù)器是主機與管理工作站及網(wǎng)絡(luò)其他用戶交換監(jiān)控信息的數(shù)據(jù)倉庫。

圖1 頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在基于CAN總線的頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)了基于千兆光纖以太環(huán)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)，基于環(huán)網(wǎng)的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備層仍然以分站和傳感器為節(jié)點，傳輸層的主干網(wǎng)絡(luò)為基于千兆光纖環(huán)網(wǎng)交換機的以太網(wǎng)，在節(jié)點不能直接連到環(huán)網(wǎng)的地方，如工作面、掘進巷道等，通過CAN總線接入環(huán)網(wǎng)。管理層則包括中心交換機和服務(wù)器 (主機)等設(shè)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(wǎng)的系統(tǒng)的無縫轉(zhuǎn)接技術(shù)，使得系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠以先進的、快捷的方式送入中央服務(wù)器和應(yīng)用決策層，為指導(dǎo)安全生產(chǎn)提供依據(jù)。

2 系統(tǒng)特點

2.1 傳感器

頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)傳感器設(shè)計上具有突出的特點。首先，頂板災(zāi)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(shè)計完全滿足頂板災(zāi)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(shù)直接在應(yīng)變體上制作應(yīng)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(shù)，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(dāng)被測介質(zhì)壓力作用于傳感器膜片時，位于另一面的惠斯頓電橋則產(chǎn)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(zhǔn)確、數(shù)據(jù)量易于控制。

2.2 監(jiān)測分站

頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測分站的作用是采集傳感器數(shù)據(jù)，并通過總線與地面主機進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)闹悄芑?。分站和地面主機定時進行心跳信號提示，當(dāng)分站接收到心跳信號時，上傳數(shù)據(jù);若無心跳信號則存儲該數(shù)據(jù)，并加入采樣時間;當(dāng)恢復(fù)心跳信號時，首先上傳存儲的歷史數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)備份。

監(jiān)測分站的控制器結(jié)構(gòu)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(nèi)核AT89C51CC03。

3 傳輸網(wǎng)絡(luò)

如前所述，頂板災(zāi)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(diào)整已有電纜較為困難;另外，頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的物理量，如煤巖體應(yīng)力、錨桿錨索載荷、頂板下沉等，多數(shù)是緩慢的連續(xù)變化的參量，對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高，但是一旦監(jiān)測結(jié)果報警，可能會發(fā)生嚴(yán)重的動力災(zāi)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(jié)構(gòu)

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(zhì)量，有利于系統(tǒng)的擴展。

(2)通訊速率設(shè)置為可調(diào)，以降低通訊速率來保證10km以上的數(shù)據(jù)傳輸距離。

(3)針對不同礦井，CAN總線通訊線路需要調(diào)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(nèi)部嵌入CAN總線收發(fā)器，增強數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)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?shù)馁|(zhì)量。在研制CAN總線進行獨立傳輸?shù)幕A(chǔ)上，研制成功工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸方式。網(wǎng)絡(luò)采用無主機設(shè)計，不僅可以服務(wù)于頂板災(zāi)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(shè)備監(jiān)測、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測，都可以接入。網(wǎng)絡(luò)接入模塊根據(jù)接入設(shè)備的通信方式選擇。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要包括實時數(shù)據(jù)設(shè)置、實時數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢和分析預(yù)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(jié)構(gòu)如圖4所示，軟件通過系統(tǒng)傳輸上的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，采用Line方法繪制實時顯示井下各傳感器的數(shù)據(jù)。可以通過SQL查詢某一時間段數(shù)據(jù)，并通過礦壓分析頂板災(zāi)害發(fā)生的可能性。應(yīng)用軟件在Visual Studio 2005編程環(huán)境下設(shè)計，采用ASP.NET(C#.Net Framework2.0)基于Active Data Objects的數(shù)據(jù)庫訪問接口技術(shù)，建立與數(shù)據(jù)庫的通訊連接、執(zhí)行T－SQL。應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫的操作，在通過執(zhí)行T－SQL查詢語句生成的結(jié)果集上執(zhí)行。

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

5 現(xiàn)場應(yīng)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(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)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(fēng)，工作面大部分支架頂梁穿透，對工作面生產(chǎn)造成了較大的影響。

根據(jù)頂板災(zāi)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(jù)軟件的數(shù)據(jù)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(dǎo)致發(fā)生頂板災(zāi)害的重要因素。因此在軟件中設(shè)置上述參量超限的預(yù)警值。

同時，為了提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性，于2011年5月15日增設(shè)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(jù)支架工作阻力數(shù)據(jù)自動分析出各項參數(shù)，與預(yù)警指標(biāo)進行比對，并進行預(yù)警。根據(jù)不同的預(yù)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(yù)警后，采取針對性措施，工作面恢復(fù)了正常生產(chǎn)，其后僅在2011年10月21號發(fā)生了較小的來壓。

6 結(jié)論

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

(2)系統(tǒng)的傳感器結(jié)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(shù)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(zhǔn)確、數(shù)據(jù)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(shè)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(shù)據(jù)。

(3)系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)為既能夠采用光纖以太環(huán)網(wǎng)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(zhì)量，有利于系統(tǒng)的擴展，通訊速率設(shè)置為可調(diào)，無中繼情況下數(shù)據(jù)傳輸距離達到10km。

(4)系統(tǒng)軟件設(shè)計在基本的數(shù)據(jù)列表圖形顯示功能的基礎(chǔ)上，通過預(yù)設(shè)的計算方法和數(shù)學(xué)模型計算預(yù)警指標(biāo)，結(jié)合煤礦工作面開采條件，實現(xiàn)頂板災(zāi)害的預(yù)警。

［1］毛德兵，藍 航，徐 剛.我國薄煤層綜合機械化開采技術(shù)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.