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        井下液壓支柱支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2018-04-02 07:29:53汪澤洲田傳耕
        科技視界 2018年3期
        關(guān)鍵詞:支柱頂板液壓

        汪澤洲 唐 翔 楊 軒 田傳耕

        (1.安徽理工大學(xué)電氣學(xué)院,安徽 淮南 232000;2.徐州工程學(xué)院信電學(xué)院,江蘇 徐州 221000)

        0 引言

        目前,山東科技大學(xué)研制的煤炭頂板液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了這方面的研究?;谝簤褐Ъ鼙O(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了井上計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。但液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)采取的是有線的監(jiān)測方式,有線網(wǎng)絡(luò)壓力檢測方式存在檢測點(diǎn)少且隨開采工作面的推進(jìn)、移架、升降架等操作導(dǎo)致系統(tǒng)布線復(fù)雜、系統(tǒng)布線易被扯斷等缺陷。而液壓支柱僅僅實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場監(jiān)測方式,未構(gòu)成液壓支柱的動態(tài)監(jiān)測體系,基于無線液壓支柱監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)還未成熟。為此,文中利用模型預(yù)測來預(yù)測井下支護(hù)的可靠性和使用壽命,以此判斷井下支護(hù)是否安全。

        在實(shí)現(xiàn)井下支護(hù)狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測基礎(chǔ)上,有效地利用監(jiān)測狀態(tài)信息,分析和預(yù)測井下工作面頂板狀態(tài)的顯現(xiàn)規(guī)律,實(shí)現(xiàn)工作面頂板災(zāi)害的前兆預(yù)警,將工作面頂板的安全控制與災(zāi)害防治提升到新的層次。

        1 井下液壓支柱支護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

        本文所述的井下液壓支柱安全監(jiān)測系統(tǒng)框圖,如圖1所示。井上部分主要由服務(wù)器、交換機(jī)、地面工控機(jī)和配套軟件系統(tǒng)構(gòu)成;井下部分由壓力無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)(Sink)節(jié)點(diǎn)組成,井下部分是一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

        2.1 井下監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)思路

        無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要包括壓力無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)(Sink)節(jié)點(diǎn)。其中無線檢測節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)采集前端,直接決定采集數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確性,以及采集的數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定。該節(jié)點(diǎn)組成部分有新型壓力傳感器,本安電池,CC2530通信芯片等。

        圖1 井下支護(hù)安全監(jiān)測系統(tǒng)框圖

        (1)壓力傳感器采用新型定制壓力傳感器,最大承壓達(dá)到80MPa。該傳感器前端是承壓彈片,后端為調(diào)理電路。測量時(shí)壓力計(jì)前端貼片微弱形變產(chǎn)生微小的電信號,信號通過放大電路,通過單片機(jī)處理測量。

        (2)無線通信芯片采用 CC2530芯片,CC2530芯片是由 TI公司制造的,芯片支持ZigBee數(shù)據(jù)傳輸,通過使用Z-STACK協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,具有高效性和安全性。

        (3)壓力檢測時(shí),對應(yīng)每一個(gè)液壓支柱,有一個(gè)此壓力傳感器,可以根據(jù)用戶的需要,在注液結(jié)束以后,使用設(shè)計(jì)的新型取樣口,從液壓支柱的注入管中安裝一個(gè)壓力傳感器,傳感器中有一個(gè)頂針可以有效地頂開三用閥中的頂針,使液壓支柱里的液體可以流入到腔內(nèi),可以有效地測量出壓力,并顯示在數(shù)字顯示屏上。根據(jù)用戶需要,可以將數(shù)字通過無線的方式傳送給發(fā)成的計(jì)算機(jī),得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

        圖2 三用閥接口(取壓接頭)結(jié)構(gòu)剖面圖

        2 井下液壓支柱支護(hù)系統(tǒng)安全預(yù)警體系

        2.1 模型體系

        多模型建模分為數(shù)據(jù)集的收集、建立子集和模型輸出數(shù)據(jù)?;诰乱簤褐е姆植?,設(shè)計(jì)了預(yù)警框架,如圖 3所示。

        圖3 井下模型構(gòu)架

        綜合液壓支柱壓力、壓力計(jì)的壓力傳感器和上位機(jī)收集的數(shù)據(jù),分別得到是U1、U2和 U3,形成 3個(gè)子模型:液壓支柱子模型、壓力計(jì)子模型和頂板層子模型[1]。

        預(yù)測過程如下:首先利用聚合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法(EEMD)[2]對井下巖石監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分解然后,針對各子模型自身特點(diǎn),模擬預(yù)測的值使用向量機(jī)(SVM),并用單整自回歸移動平均模型(ARIMA)預(yù)測,對子模型所得的數(shù)值重新構(gòu)成模型預(yù)測值:S1,S2,S3。最終通過傳感器的數(shù)值將三個(gè)傳感器的數(shù)值進(jìn)行歸一化信息融合處理,研究液壓支柱動態(tài)規(guī)律,分析預(yù)測數(shù)值結(jié)果,為液壓支柱安全監(jiān)控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

        2.2 信號的EEMD分解

        通過公式Cij作為非線性信號,rn(t)作為為線性信號作為干擾。

        2.3 SVM多模型輸出

        預(yù)警模型中SVM法一般不能直接用監(jiān)測數(shù)據(jù)來作為預(yù)測樣本,通過累加各子模型預(yù)測結(jié)果得到的預(yù)測值。

        同理得到 U2和U3。

        2.4 預(yù)測模型ARIMA

        式中:d為差分階數(shù),p為自回歸階數(shù),q為移動平均階數(shù),和為模型待定數(shù)。經(jīng)過d階差分處理后,yi轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)、正態(tài)、0均值的平穩(wěn)序列 yi。

        2.5 實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果

        為了得到液壓支柱的壓力數(shù)值,從上位機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)統(tǒng)計(jì)界面,可以實(shí)時(shí)得到各個(gè)壓力計(jì)的數(shù)值,并可以排序。經(jīng)過實(shí)地測量,可以得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)柱形圖。如圖4所示。并可以查閱歷史數(shù)據(jù),如圖5所示

        圖4 液壓支柱壓力數(shù)值

        圖5 液壓支柱壓力數(shù)據(jù)查詢

        3 結(jié)論

        本研究通過監(jiān)測實(shí)現(xiàn)頂板安全預(yù)警,井下液壓支柱頂板狀態(tài)通過綜采工作面支柱收集實(shí)時(shí)壓力信息,巷道圍巖狀態(tài)監(jiān)測通過離層儀和超前壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對頂板狀態(tài)的監(jiān)測。各傳感器將監(jiān)測到的各種數(shù)據(jù),通過多模型軟件預(yù)測礦山壓力分布的情況,提高預(yù)警能力。

        【參考文獻(xiàn)】

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