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(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，河南焦作454000;3.國(guó)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(lái)，國(guó)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(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)采取有效的防護(hù)措施，對(duì)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(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

煤礦巷道頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由頂板監(jiān)測(cè)傳感器，NIWSN測(cè)量系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)主機(jī)及LabVIEW圖形化開(kāi)發(fā)環(huán)境組成。頂板監(jiān)測(cè)傳感器包括頂板位移傳感器和頂板壓力傳感器。NI－WSN測(cè)量系統(tǒng)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)和分布式測(cè)量節(jié)點(diǎn)組成。無(wú)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(cè)量節(jié)點(diǎn)以無(wú)線方式發(fā)送數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)。監(jiān)測(cè)傳感器直接與WSN測(cè)量節(jié)點(diǎn)連接，測(cè)量節(jié)點(diǎn)將傳感器采集的位移與壓力信號(hào)以無(wú)線方式發(fā)送至WSN網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)從各分布的測(cè)量節(jié)點(diǎn)收集測(cè)量數(shù)據(jù)并通過(guò)專用總線傳輸至地面監(jiān)測(cè)主機(jī)，進(jìn)行信號(hào)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(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 煤礦巷道頂板監(jiān)測(cè)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(cè)傳感器及其原理

煤礦巷道頂板離層位移監(jiān)測(cè)原理是，采用基點(diǎn)位移測(cè)量法，在巷道頂板垂直位置打入鉆孔，在孔內(nèi)設(shè)2個(gè)基點(diǎn)，孔口布置電位器式傳感器，當(dāng)頂板發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)，2個(gè)基點(diǎn)之間的距離也發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量2個(gè)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(dòng)端兩個(gè)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(shí)，可變電阻滑動(dòng)端的位置移動(dòng)，導(dǎo)致輸出電壓Uo變化，則監(jiān)測(cè)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(dòng)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(cè)點(diǎn)的頂板位移，mm;Uo為可變電阻滑動(dòng)端的電壓，mV;χ0為可變電阻的總長(zhǎng)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(cè)采用振弦式鉆孔應(yīng)力計(jì)，當(dāng)頂板壓力發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)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(cè)量變化而變化的頻率特性，通過(guò)測(cè)量頻率的變化，即可得知被測(cè)壓力的變化［3-4］。因此，頂板壓力可表示為

式中，σ為所測(cè)位置的應(yīng)力，kPa;ρ為振弦材料的密度，kg/m3;l為振弦的長(zhǎng)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(dòng)頻率，kHz;f0為振弦的初始頻率，Hz。

2.2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳感器信號(hào)傳輸系統(tǒng)，通過(guò)位置分散的獨(dú)立設(shè)備連接傳感器監(jiān)控被測(cè)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(cè)量節(jié)點(diǎn)可與無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無(wú)線通信;網(wǎng)關(guān)則連通監(jiān)測(cè)終端，幫助用戶收集、處理、分析并顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。

NI－WSN測(cè)量系統(tǒng)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)和分布式測(cè)量節(jié)點(diǎn)組成。每個(gè)測(cè)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(jí)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(wú)線，可達(dá)1 000 m戶外視距。無(wú)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(wú)線測(cè)量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，繼而通過(guò)提供網(wǎng)絡(luò)路由功能，拓展網(wǎng)絡(luò)距離和可靠性。無(wú)線網(wǎng)關(guān)可與最多8個(gè)終端節(jié)點(diǎn)或最多36個(gè)WSN測(cè)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(guó)國(guó)家儀器有限公司開(kāi)發(fā)的一種圖形化編程語(yǔ)言，又稱“G”語(yǔ)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(yǔ)言根據(jù)語(yǔ)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(chǔ)，因此，在測(cè)試，測(cè)量和自動(dòng)化等領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)。

基于LabVIEW的煤礦頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括3個(gè)模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)設(shè)備等模擬或數(shù)字單元中自動(dòng)采集信息的過(guò)程［6］。傳感器將感應(yīng)的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，如電壓或電流，計(jì)算機(jī)不能直接讀取傳感器的信號(hào)，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(gè)完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過(guò)Lab-VIEW開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集程序可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示和存儲(chǔ)。因此，數(shù)據(jù)采集模塊是整個(gè)巷道頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心。

煤礦頂板變形是一個(gè)流變—突變的過(guò)程，巷道開(kāi)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(guò)某一臨界值時(shí)，將造成頂板冒落。對(duì)巷道頂板的監(jiān)測(cè)是一個(gè)連續(xù)、動(dòng)態(tài)的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集模塊需要同時(shí)采集兩路信號(hào)，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(hào)，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(duì)時(shí)間精度要求不高的場(chǎng)合，與巷道頂板緩慢的變化狀態(tài)相符合。采樣時(shí)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(kāi)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(shí)，可以適當(dāng)增大采樣時(shí)間間隔以減少數(shù)據(jù)冗余。定時(shí)結(jié)構(gòu)為數(shù)據(jù)采集提供了精確的定時(shí)時(shí)間，更適用于采樣間隔時(shí)間較長(zhǎng)的情況。

3.2 數(shù)據(jù)管理模塊

在對(duì)煤礦巷道頂板進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，同時(shí)需要當(dāng)前時(shí)間實(shí)時(shí)采集的頂板相關(guān)數(shù)據(jù)以及查詢歷史數(shù)據(jù)，此時(shí)，需要程序與數(shù)據(jù)庫(kù)建立通訊，建立相關(guān)數(shù)據(jù)的表，存儲(chǔ)已采集的數(shù)據(jù)，并調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢。LabVIEW提供了數(shù)據(jù)庫(kù)連接工具包來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢，插入、修改等操作。數(shù)據(jù)庫(kù)連接工具包不能創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，需要借助第三方的數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，因此，選用Microsoft office中的ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的管理工具。

頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理模塊包括2個(gè)子模塊，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)子模塊與數(shù)據(jù)查詢子模塊。數(shù)據(jù)存子儲(chǔ)模塊將采集的數(shù)據(jù)按日期、通道，是否超過(guò)預(yù)警值分別寫入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于后期對(duì)數(shù)據(jù)查詢分析;數(shù)據(jù)查詢子模塊能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)信息的實(shí)時(shí)查詢與顯示，了解巷道頂板變化的動(dòng)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(kù)連接工具包操作數(shù)據(jù)庫(kù)之前，需要建立與數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)［7］。本系統(tǒng)選擇DSN來(lái)連接數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)采集的電壓數(shù)據(jù)與頻率數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)程序首先會(huì)建立與數(shù)據(jù)的連接，并在數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建兩個(gè)新表分別存儲(chǔ)兩種數(shù)據(jù)，按編號(hào)、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(kù)的連接。頂板離層電壓數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序框圖如圖4所示，應(yīng)力頻率數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序與之類似。

數(shù)據(jù)查詢子程序連接數(shù)據(jù)庫(kù)后，調(diào)用已存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)表中的歷史數(shù)據(jù)，將其顯示在監(jiān)測(cè)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(chǔ)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(cè)系統(tǒng)界面

監(jiān)測(cè)界面是用戶與系統(tǒng)交互的窗口，主要分為3個(gè)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(duì)各參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，開(kāi)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(shí)，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(shí)，下方表格中會(huì)顯示歷史數(shù)據(jù)及報(bào)警狀態(tài)。程序模擬運(yùn)行時(shí)的監(jiān)測(cè)界面如圖6所示。

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

4 結(jié)論

運(yùn)用監(jiān)測(cè)傳感器、無(wú)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(cè)系統(tǒng)。對(duì)煤礦頂板離層位移和頂板壓力進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，基于LabVIEW的監(jiān)測(cè)程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與分析、監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示與報(bào)警等功能，可實(shí)時(shí)反映巷道頂板的狀態(tài)，為評(píng)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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