劉 杰 劉志剛 劉明清 岳曉光 常 娟

(1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430070;2.河南省礦山信息化重點(diǎn)學(xué)科開放實(shí)驗(yàn)室，河南焦作454000;3.國家環(huán)境保護(hù)部華南環(huán)境科學(xué)研究所，廣東廣州510655)

在各類煤礦事故中，頂板事故發(fā)生起數(shù)最多，造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，據(jù)相關(guān)資料顯示，近10年來，國內(nèi)煤礦發(fā)生致人死亡的頂板事故3 372起，占煤礦事故總數(shù)的43%［1］。因此，實(shí)時監(jiān)測頂板離層的位移及壓力，判斷頂板離層及圍巖的穩(wěn)固性，及時采取有效的防護(hù)措施，對預(yù)防頂板事故的發(fā)生具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

煤礦巷道頂板監(jiān)測系統(tǒng)由頂板監(jiān)測傳感器，NIWSN測量系統(tǒng)和監(jiān)測主機(jī)及LabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境組成。頂板監(jiān)測傳感器包括頂板位移傳感器和頂板壓力傳感器。NI－WSN測量系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)和分布式測量節(jié)點(diǎn)組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)員，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)授權(quán)和消息緩存。測量節(jié)點(diǎn)以無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)。監(jiān)測傳感器直接與WSN測量節(jié)點(diǎn)連接，測量節(jié)點(diǎn)將傳感器采集的位移與壓力信號以無線方式發(fā)送至WSN網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)從各分布的測量節(jié)點(diǎn)收集測量數(shù)據(jù)并通過專用總線傳輸至地面監(jiān)測主機(jī)，進(jìn)行信號分析和處理后，獲取頂板位移信息和壓力數(shù)據(jù)。頂板監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦巷道頂板監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure diagram of roof monitoring of coal mine roadway

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 頂板監(jiān)測傳感器及其原理

煤礦巷道頂板離層位移監(jiān)測原理是，采用基點(diǎn)位移測量法，在巷道頂板垂直位置打入鉆孔，在孔內(nèi)設(shè)2個基點(diǎn)，孔口布置電位器式傳感器，當(dāng)頂板發(fā)生運(yùn)動時，2個基點(diǎn)之間的距離也發(fā)生變化，通過測量2個基點(diǎn)之間的位移差值判定頂板的下沉位移［1］。直線型電位器式傳感器由電阻元件和可變電阻的滑動端兩個部分組成，其原理圖如圖2所示。當(dāng)頂板離層產(chǎn)生位移時，可變電阻滑動端的位置移動，導(dǎo)致輸出電壓Uo變化，則監(jiān)測電壓Uo的變化即可得出頂板位移的變化量。

圖2 直線型電位器式傳感器原理Fig.2 Schematic diagram of linear potentiometer type sensor

可變電阻R0滑動端電壓的變化量與頂板離層位移量呈線性關(guān)系［2］，即

式中，χ為監(jiān)測點(diǎn)的頂板位移，mm;Uo為可變電阻滑動端的電壓，mV;χ0為可變電阻的總長度，mm;Ei為加于可變電阻R0兩端的恒定電壓。

頂板壓力監(jiān)測采用振弦式鉆孔應(yīng)力計(jì)，當(dāng)頂板壓力發(fā)生變化時，通過轉(zhuǎn)換元件引起傳感器內(nèi)部的敏感元件振弦產(chǎn)生等效剛度的變化，從而調(diào)制諧振器的固有頻率，形成諧振頻率隨被測量變化而變化的頻率特性，通過測量頻率的變化，即可得知被測壓力的變化［3-4］。因此，頂板壓力可表示為

式中，σ為所測位置的應(yīng)力，kPa;ρ為振弦材料的密度，kg/m3;l為振弦的長度，mm;s為振弦的橫截面積，mm2;ft為頂板發(fā)生位移后振弦的振動頻率，kHz;f0為振弦的初始頻率，Hz。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的傳感器信號傳輸系統(tǒng)，通過位置分散的獨(dú)立設(shè)備連接傳感器監(jiān)控被測物理量或環(huán)境量。這些獨(dú)立設(shè)備稱為節(jié)點(diǎn)，可結(jié)合路由器和網(wǎng)關(guān)創(chuàng)建典型的WSN系統(tǒng)。分布式測量節(jié)點(diǎn)可與無線傳感器網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無線通信;網(wǎng)關(guān)則連通監(jiān)測終端，幫助用戶收集、處理、分析并顯示測量數(shù)據(jù)。

NI－WSN測量系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)和分布式測量節(jié)點(diǎn)組成。每個測量節(jié)點(diǎn)提供4路模擬通道和4路數(shù)字通道，可將各路通道按需配置為輸入、漏極輸出或源級輸出。功耗低，可在惡劣環(huán)境下正常運(yùn)行;其通信借助基于ZigBee的2.4 GHz無線，可達(dá)1 000 m戶外視距。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)使用基于ZigBee技術(shù)的協(xié)議，能與無線測量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，繼而通過提供網(wǎng)絡(luò)路由功能，拓展網(wǎng)絡(luò)距離和可靠性。無線網(wǎng)關(guān)可與最多8個終端節(jié)點(diǎn)或最多36個WSN測量節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信。

3 LabVIEW圖形化程序程序設(shè)計(jì)

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是美國國家儀器有限公司開發(fā)的一種圖形化編程語言，又稱“G”語言，G指的是Graphical Programming Langunge。LabVIEW的核心是數(shù)據(jù)流編程方式，與傳統(tǒng)文本編程語言根據(jù)語句和指令的先后順序決定程序執(zhí)行順序不同［5］，LabVIEW提供了大量的工具與函數(shù)用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示和存儲，因此，在測試，測量和自動化等領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢。

基于LabVIEW的煤礦頂板監(jiān)測系統(tǒng)主要包括3個模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲與查詢模塊和報(bào)表生成模塊。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集(Data Acquisition，DAQ)是指從傳感器和其他待測設(shè)備等模擬或數(shù)字單元中自動采集信息的過程［6］。傳感器將感應(yīng)的物理信號轉(zhuǎn)換為電信號，如電壓或電流，計(jì)算機(jī)不能直接讀取傳感器的信號，必須配合使用數(shù)據(jù)采集卡，它是計(jì)算機(jī)與外部的接口。LabVIEW圖形化編程軟件使計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡形成了一個完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過Lab-VIEW開發(fā)的數(shù)據(jù)采集程序可以對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示和存儲。因此，數(shù)據(jù)采集模塊是整個巷道頂板監(jiān)測系統(tǒng)的核心。

煤礦頂板變形是一個流變—突變的過程，巷道開挖后，破壞了巖體的應(yīng)力平衡狀態(tài)，造成巷道周圍一定范圍內(nèi)的應(yīng)力重新分布，在重新形成平衡狀態(tài)前，頂板周圍的應(yīng)力都在發(fā)生變化，當(dāng)巷道頂板壓力超過某一臨界值時，將造成頂板冒落。對巷道頂板的監(jiān)測是一個連續(xù)、動態(tài)的過程。數(shù)據(jù)采集模塊需要同時采集兩路信號，一路是頂板離層傳感器產(chǎn)生的電壓數(shù)據(jù)，另一路是頂板鉆孔應(yīng)力計(jì)產(chǎn)生的頻率信號，頂板電壓采集程序框圖與頻率采集程序框圖如圖3所示。

圖3 頂板離層電壓(上)與應(yīng)力頻率(下)采集程序框圖Fig.3 Acquisition program diagram of roof separation voltage(upper)and stress frequency(lower)

數(shù)據(jù)采集程序的采樣模式選擇1采樣(按要求)，這種采樣模式適合低速以及對時間精度要求不高的場合，與巷道頂板緩慢的變化狀態(tài)相符合。采樣時間間隔可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，在巷道開挖完成初期，頂板應(yīng)力變化較大，可以縮短采樣間隔以增加數(shù)據(jù)密度，當(dāng)采集的數(shù)據(jù)變化較小時，可以適當(dāng)增大采樣時間間隔以減少數(shù)據(jù)冗余。定時結(jié)構(gòu)為數(shù)據(jù)采集提供了精確的定時時間，更適用于采樣間隔時間較長的情況。

3.2 數(shù)據(jù)管理模塊

在對煤礦巷道頂板進(jìn)行監(jiān)測的過程中，會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，同時需要當(dāng)前時間實(shí)時采集的頂板相關(guān)數(shù)據(jù)以及查詢歷史數(shù)據(jù)，此時，需要程序與數(shù)據(jù)庫建立通訊，建立相關(guān)數(shù)據(jù)的表，存儲已采集的數(shù)據(jù)，并調(diào)用數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對歷史數(shù)據(jù)的查詢。LabVIEW提供了數(shù)據(jù)庫連接工具包來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫查詢，插入、修改等操作。數(shù)據(jù)庫連接工具包不能創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，需要借助第三方的數(shù)據(jù)庫管理軟件，因此，選用Microsoft office中的ACCESS數(shù)據(jù)庫作為監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的管理工具。

頂板監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理模塊包括2個子模塊，數(shù)據(jù)存儲子模塊與數(shù)據(jù)查詢子模塊。數(shù)據(jù)存子儲模塊將采集的數(shù)據(jù)按日期、通道，是否超過預(yù)警值分別寫入到數(shù)據(jù)庫中，便于后期對數(shù)據(jù)查詢分析;數(shù)據(jù)查詢子模塊能實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫信息的實(shí)時查詢與顯示，了解巷道頂板變化的動態(tài)信息，掌握當(dāng)前巷道頂板的狀態(tài)。

使用LabVIEW數(shù)據(jù)庫連接工具包操作數(shù)據(jù)庫之前，需要建立與數(shù)據(jù)庫的連接，可以使用 DSN(Data Source Names)、UDL(Universal Data Link)等不同方式連接數(shù)據(jù)庫［7］。本系統(tǒng)選擇DSN來連接數(shù)據(jù)庫。當(dāng)采集的電壓數(shù)據(jù)與頻率數(shù)據(jù)需要存儲時，監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫存儲程序首先會建立與數(shù)據(jù)的連接，并在數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建兩個新表分別存儲兩種數(shù)據(jù)，按編號、日期、通道編碼和是否預(yù)警的表頭將數(shù)據(jù)存入表中并保存，最后關(guān)閉與數(shù)據(jù)庫的連接。頂板離層電壓數(shù)據(jù)存儲程序框圖如圖4所示，應(yīng)力頻率數(shù)據(jù)存儲程序與之類似。

數(shù)據(jù)查詢子程序連接數(shù)據(jù)庫后，調(diào)用已存儲在數(shù)據(jù)表中的歷史數(shù)據(jù)，將其顯示在監(jiān)測面板中，頂板離層電壓數(shù)據(jù)查詢程序框圖如圖5所示，頂板應(yīng)力頻率數(shù)據(jù)查詢程序框圖與之類似。

圖4 頂板離層電壓數(shù)據(jù)存儲程序框圖Fig.4 Data storage program diagram of the roof separation voltage

圖5 頂板離層電壓數(shù)據(jù)查詢程序框圖Fig.5 Data query program diagram of the roof separation voltage

3.3 煤礦頂板監(jiān)測系統(tǒng)界面

監(jiān)測界面是用戶與系統(tǒng)交互的窗口，主要分為3個部分，即參數(shù)設(shè)置，波形數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)查詢界面［8］。根據(jù)實(shí)際工況對各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，開始采集后，波形將在波形圖和數(shù)組空間上顯示，若采集到的數(shù)值高于預(yù)警值時，下方紅色報(bào)警燈將點(diǎn)亮。當(dāng)數(shù)據(jù)查詢按鈕按下時，下方表格中會顯示歷史數(shù)據(jù)及報(bào)警狀態(tài)。程序模擬運(yùn)行時的監(jiān)測界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)測界面圖Fig.6 Monitoring interface diagram

4 結(jié)論

運(yùn)用監(jiān)測傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和LabVIEW圖形化編程環(huán)境設(shè)計(jì)一套煤礦巷道頂板監(jiān)測系統(tǒng)。對煤礦頂板離層位移和頂板壓力進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，基于LabVIEW的監(jiān)測程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與分析、監(jiān)測結(jié)果顯示與報(bào)警等功能，可實(shí)時反映巷道頂板的狀態(tài)，為評估頂板離層的穩(wěn)定性與安全性提供有力的科學(xué)依據(jù)，起到避免頂板事故發(fā)生的作用。

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