白國(guó)富

（中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司礦山工程二所，北京 100032）

隨著我國(guó)對(duì)煤礦資源開采力度的加大，在煤礦的開采中出現(xiàn)的煤礦井下坍塌事故時(shí)有發(fā)生，因此，煤礦巷道礦壓監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。在保證不影響煤礦正常開采的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一套煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是整個(gè)煤礦開采行業(yè)迫在眉睫的事情。

1 煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以監(jiān)測(cè)支架防護(hù)、巷道穩(wěn)固度等參數(shù)為目的，可以為煤礦巷道設(shè)計(jì)和維護(hù)人員提供一定的理論支撐。該系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析功能，能夠準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至控制終端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的煤礦巷道礦壓監(jiān)測(cè)，保證設(shè)計(jì)和施工的安全進(jìn)行。煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于煤礦頂板壓力的監(jiān)測(cè)和分析，系統(tǒng)可以對(duì)頂板圍巖離層、錨桿載荷和支架阻力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.1 煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)接收傳感器采集到的壓力信號(hào)，由控制系統(tǒng)進(jìn)行處理和分析，然后通過(guò)屏幕或其他顯示器進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示、存儲(chǔ)，監(jiān)測(cè)人員則可以根據(jù)顯示的信息實(shí)時(shí)了解巷道礦壓情況。煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括PC機(jī)、傳輸適配器和嵌入式控制系統(tǒng)。其中，PC機(jī)接收傳輸適配器收到的信號(hào)，然后通過(guò)分析后實(shí)時(shí)進(jìn)行顯示。傳輸適配器安裝在煤礦巷道下面，其為數(shù)據(jù)接收接口，可以接收地下煤礦巷道中嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。該適配器采用RS485網(wǎng)絡(luò)通信接口，可以實(shí)現(xiàn)和PC間20km的超遠(yuǎn)信息傳輸。根據(jù)煤礦巷道分布，會(huì)設(shè)計(jì)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，然后由嵌入式系統(tǒng)采集各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感器信息，匯總到傳輸適配器，由其送給PC機(jī)。嵌入式控制系統(tǒng)硬件設(shè)備包括嵌入式控制器、傳感器的鋪設(shè)、數(shù)據(jù)信號(hào)處理和轉(zhuǎn)換等模塊，軟件則是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)計(jì)。

1.2 煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案

通過(guò)對(duì)某煤礦工作面的煤層特點(diǎn)、地質(zhì)特性、采空區(qū)狀態(tài)以及降雨情況的研究，煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以工作面300m范圍內(nèi)的巷道作為測(cè)試點(diǎn)，布置傳感器。

煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一共設(shè)置了三組測(cè)試站，三組分別距離工作面100m、150m和300m，其中，每一組包括頂板圍巖離層、錨桿載荷和支架阻力三組傳感器。煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案如圖1所示。

圖1 煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案

2 煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于傳感檢測(cè)的煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合計(jì)算機(jī)、嵌入式、傳感器、光纖通信等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤礦上方為地下煤礦巷道的礦壓監(jiān)測(cè)。煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 壓力傳感器的選擇

煤礦巷道礦壓大、噪聲強(qiáng)，一般的傳感器干擾較強(qiáng)，且容易被損壞，因此，本文選擇光纖光柵傳感器，測(cè)量煤礦巷道壓力。光纖光柵傳感器由纖芯、包層、涂覆層、增強(qiáng)纖維和外部保護(hù)套等五部分組成，纖芯是其核心部分，負(fù)責(zé)信號(hào)的傳遞，其他則起到保護(hù)纖芯的作用。

2.2 嵌入式控制模塊

工業(yè)自動(dòng)化和控制應(yīng)用需要具有高可靠性以實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，并能夠檢測(cè)和預(yù)防潛在的危險(xiǎn)狀況?；诳煽啃愿?、功耗低、傳輸速度快、距離遠(yuǎn)以及經(jīng)濟(jì)性的考慮，本文地下控制系統(tǒng)采用TI公司的16位的MSP430F413單片機(jī)為控制核心，主要包括LCD顯示、電源、數(shù)據(jù)采集、RS485通信、IV轉(zhuǎn)換等模塊。MSP430F413 MCU按照IEC61508安全標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)而成，在硬件中集成了安全功能，可以快速檢測(cè)出可能的故障模式，適用于多種工業(yè)應(yīng)用平臺(tái)。MSP430嵌入式控制模塊方案框圖如圖3所示。

圖3 MSP430嵌入式控制模塊方案框圖

2.3 I/V轉(zhuǎn)換電路

采用如圖4所示的I/V電路將光纖解調(diào)儀的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

圖4 I/V轉(zhuǎn)換電路

該I/V轉(zhuǎn)換電路采用LM324運(yùn)算放大器，可以將光纖輸入的4～20mA電流轉(zhuǎn)換成0～5V電壓值。

3 煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

MSP430F413單片機(jī)軟件主要包括通信分站主程序、IRQ中斷程序、光線數(shù)據(jù)采集和顯示電路四個(gè)部分。其中通信分站主程序如圖5所示。

如圖5所示，系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先進(jìn)行I/O的初始化，接著進(jìn)行系統(tǒng)的自檢，判斷系統(tǒng)clk、USART、USART、通信等是否工作正常。RS485通訊程序?qū)崿F(xiàn)和PC之間的數(shù)據(jù)的傳輸，接收PC機(jī)的請(qǐng)求，并發(fā)送應(yīng)答。程序定義一個(gè)64字節(jié)的數(shù)據(jù)緩存區(qū)用來(lái)存放接收到的數(shù)據(jù)或命令，循環(huán)判斷485接收標(biāo)志位是否置1，如果置位，說(shuō)明有數(shù)據(jù)存入緩存器，進(jìn)行下一步處理。

圖5 通信分站主程序圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)煤礦巷道礦壓檢測(cè)等問(wèn)題，結(jié)合計(jì)算機(jī)、嵌入式、傳感器、光纖通信等多種技術(shù)，提出了一種基于光纖光柵傳感器的煤礦巷道礦壓現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并從軟硬件兩方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了煤礦上方與地下煤礦巷道的礦壓監(jiān)測(cè)，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了保障，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。