王硯鑫

（山西晉能控股煤業(yè)集團(tuán)沁秀公司岳城煤礦， 山西 晉城 048006）

引言

頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)作為井下煤礦智能化開(kāi)采的重要基礎(chǔ)部分，其數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性一直是智能化水平的重要標(biāo)志。隨著采礦設(shè)備的發(fā)展和采煤技術(shù)的進(jìn)步，高強(qiáng)度開(kāi)采工作面逐漸成為現(xiàn)代化礦井的主要開(kāi)采方式，此類工作面巷道斷面大、割煤高離度高，煤柱應(yīng)力集中、回采擾動(dòng)大，對(duì)煤層條件、巷道支護(hù)質(zhì)量、頂板管理水平要求更高，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)延遲或上傳不及時(shí)不全面，極易誘發(fā)片幫冒頂、煤壁彈射、壓死支架等事故。因此，要做好頂板事故的預(yù)警及防治工作，建立頂板大數(shù)據(jù)的智能化監(jiān)測(cè)分析，為煤礦提供一個(gè)安全的生產(chǎn)環(huán)境。

1 岳城礦13081 巷概況

13081 巷為岳城礦一盤(pán)區(qū)礦壓顯現(xiàn)最為集中的一條順槽巷道。目前巷道均采用機(jī)械式頂板離層儀進(jìn)行頂板管理，但機(jī)械頂板離層有讀數(shù)裝置太過(guò)分散，若對(duì)所有安裝頂板離層儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)，就必須對(duì)所有裝置進(jìn)行一遍人工輪巡，并進(jìn)行手工記錄分析后才能得到整條巷道的頂板支護(hù)狀況，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以建立有效的預(yù)防決策機(jī)制[1]。當(dāng)頂板離層、壓力等參數(shù)變化過(guò)大或過(guò)快時(shí)監(jiān)測(cè)裝備極易失效，無(wú)法及時(shí)將頂板信息數(shù)據(jù)傳輸至地面，如果不及時(shí)采取支護(hù)或補(bǔ)救措施，則有可能發(fā)生頂板事故。因此計(jì)劃在13081 巷研究應(yīng)用一套頂板大數(shù)據(jù)智能監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，通過(guò)電子式的頂板離層監(jiān)測(cè)設(shè)備將離層位移數(shù)據(jù)傳輸至地面并智能分析，為工作人員決策提供大數(shù)據(jù)依據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主要內(nèi)容

在13081 巷研究應(yīng)用一套頂板大數(shù)據(jù)智能監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巷道各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的離層位移參數(shù)和錨桿（索）受力參數(shù)并提出智能分析，為監(jiān)測(cè)巷道的頂板離層情況提供數(shù)據(jù)支持。其技術(shù)路線如圖1：

圖1 技術(shù)路線示意圖

如圖1，根據(jù)頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備分布以及前期調(diào)研情況確定控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)，明確系統(tǒng)各層結(jié)構(gòu)的作用及通訊方式，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)備安裝圖對(duì)電源、分站、傳感器及電纜進(jìn)行敷設(shè)，待調(diào)試完畢后進(jìn)行系統(tǒng)試運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)方案設(shè)計(jì)思路，頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括三部分：井下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、地面監(jiān)測(cè)服務(wù)器系統(tǒng)。如下頁(yè)圖2 所示。

2.2.1 井下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

井下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由多個(gè)位移傳感器、對(duì)位移傳感器供電的電源箱、本安型分站等設(shè)備組成。通過(guò)布置在頂板的位移傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)頂板離層的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將各個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)礦用通信電纜連接到所屬區(qū)域的本安型分站上，由本安型分站接入數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳[2]，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井下頂板離層、的監(jiān)測(cè)。

圖2 系統(tǒng)構(gòu)架圖

2.2.2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著將井下頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照采集要求及時(shí)傳輸?shù)矫旱V監(jiān)控中心機(jī)房的服務(wù)器等設(shè)備中。通過(guò)井下環(huán)網(wǎng)，將分站中的數(shù)據(jù)傳輸至地面機(jī)房上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)井下頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

2.2.3 地面監(jiān)測(cè)服務(wù)器系統(tǒng)

地面監(jiān)測(cè)服務(wù)器系統(tǒng)主要由部署在監(jiān)控機(jī)房的服務(wù)器設(shè)備、監(jiān)控中心的監(jiān)控設(shè)備和監(jiān)控業(yè)務(wù)管理軟件組成；監(jiān)控機(jī)房的服務(wù)器設(shè)備包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器設(shè)備、數(shù)據(jù)服務(wù)軟件、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，按照行業(yè)安全要求，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器使用Rose 雙機(jī)熱備份方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)服務(wù)軟件作為頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心設(shè)備，采用經(jīng)過(guò)主機(jī)加固的BSD UNIX，避免了病毒感染和外部攻擊。設(shè)備承載了數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制管理和業(yè)務(wù)分析軟件。

3 主要設(shè)計(jì)

3.1 分站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)上傳分站設(shè)計(jì)如圖3 所示。圖3 為分站外形結(jié)構(gòu)由殼體、進(jìn)線裝置、顯示窗、懸掛裝置、主板及彩色液晶顯示器等組成，分站主控芯片采用STM32F207，外圍電路包括 2 路 CAN 總線接口、1 路以太網(wǎng)電口、1 路RS485 接口、藍(lán)牙無(wú)線接口等。來(lái)自配接設(shè)備的不同制式的信號(hào)，通過(guò)主控芯片處理后，分別進(jìn)行顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并將信號(hào)上傳至交換機(jī)，供地面計(jì)算機(jī)分析和處理[3]。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖3 分站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

本軟件開(kāi)發(fā)是基于煤礦頂板地質(zhì)構(gòu)造學(xué)，采用Visual Studio2010 軟件編程開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器（C/S）架構(gòu)，在安裝客戶端的計(jì)算機(jī)上，可以查看相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主要用于煤礦井下頂板離層動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)和分析。軟件設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)管理和頂板離層數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊。系統(tǒng)管理模塊包含：用戶管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入和監(jiān)測(cè)設(shè)備信息維護(hù)等；頂板離層數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模塊主要功能有：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)列表、歷史數(shù)據(jù)列表、歷史數(shù)據(jù)曲線、離層數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、異常值查詢、傳感器狀態(tài)查詢、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖表顯示、機(jī)械式離層儀數(shù)據(jù)錄入、機(jī)械式與電子式離層儀數(shù)據(jù)對(duì)比、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、Excel 報(bào)表等。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

項(xiàng)目于2019 年6 月在2324 工作面開(kāi)始實(shí)施，于2019 年9 月安裝調(diào)試完畢進(jìn)入試運(yùn)行，其現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖4 所示：

圖4 2324 工作面布置圖

如圖，巷道全長(zhǎng)約1 370 m。電源與分站放置于變電所內(nèi)，并接入交換機(jī)。傳感器在23243 巷共計(jì)安裝20 臺(tái)，經(jīng)過(guò)調(diào)試后，全部傳感器數(shù)據(jù)上傳至地面。通過(guò)頂板位移傳感器對(duì)巷道頂板離層量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在分站設(shè)備的屏幕上實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)井下環(huán)網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至地面計(jì)算機(jī)，最終進(jìn)行頂板離層量數(shù)據(jù)的查看、分析和輔助決策。通過(guò)對(duì)2324 工作面巷道的頂板離層規(guī)律進(jìn)行研究，研究的主要結(jié)論如下：

1）結(jié)合相關(guān)的文獻(xiàn)和本礦的現(xiàn)場(chǎng)情況，將回采巷道的頂板離層劃分為3 個(gè)時(shí)期：未受采動(dòng)影響區(qū)、采動(dòng)影響區(qū)、劇烈采動(dòng)影響區(qū)。

2）當(dāng)頂板測(cè)點(diǎn)處在采動(dòng)影響范圍之外時(shí)，巷道的離層值和離層速度較小，在劇烈采動(dòng)影響區(qū)，離層值呈指數(shù)型增長(zhǎng)，增長(zhǎng)較為劇烈。

3）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)趨勢(shì)和數(shù)值分析，確定巷道頂板離層下沉量在110 mm 左右，由彈塑性變形、擴(kuò)容變形、碎脹變形、折曲變形等因素引起的巷道變形量在95 mm 以上，頂板層面間的分離距離在15 mm 以下，主要離層下沉區(qū)域較大可能發(fā)生巷道頂板2.5 m 以內(nèi)的錨桿控制區(qū)域。

4）系統(tǒng)完成了頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立和基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的智能分析方法的實(shí)現(xiàn)，并在頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)軟件中實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)預(yù)警功能。