馬 艷，尚秀全

(神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 神木 719315)

在煤礦中需要設(shè)置安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，及時(shí)建立穩(wěn)定、精確、安全的采掘工作面的瓦斯爆炸監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)瓦斯爆炸做好預(yù)警，提出有效的預(yù)防措施，是煤礦安全生產(chǎn)管理工作的重中之中[1-2]。煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的安裝與應(yīng)用，對(duì)于控制煤礦瓦斯排放與利用起到關(guān)鍵的作用，通過(guò)具體設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，證明可以延長(zhǎng)通信距離，減少不必要的調(diào)制解調(diào)器、中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備等，使通信設(shè)備得到優(yōu)化，從而使其達(dá)到體積小、質(zhì)量輕、性價(jià)比高、移動(dòng)方便，能被更多生產(chǎn)單位所接受，使安全監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于礦井每一個(gè)角落，對(duì)礦井生產(chǎn)真正起到安全保障作用[3-4]。

1 井田邊界掘進(jìn)工作面采空區(qū)積水利用

哈拉溝煤礦井田與11個(gè)煤礦相鄰，其中部分礦井已完成了與哈拉溝煤礦井田邊界處的回采[5]。為了確保安全生產(chǎn)，掘進(jìn)井田邊界時(shí)需對(duì)存在的采空區(qū)進(jìn)行探測(cè)，對(duì)采空區(qū)積水進(jìn)行疏放。根據(jù)哈拉溝煤礦 22413回風(fēng)巷邊界掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，邊界采空區(qū)水水質(zhì)較好，若通過(guò)水質(zhì)化驗(yàn)達(dá)標(biāo)，可通過(guò)清污分離將清水直接輸送至采空區(qū)過(guò)濾，作為生產(chǎn)或灌溉用水[6]。22413 回風(fēng)巷布置示意如圖1所示，22410 回風(fēng)巷富水區(qū)剖面如圖2所示。

圖1 22413 回風(fēng)巷布置示意Fig.1 Layout of 22413 return airway

圖2 22410 回風(fēng)巷富水區(qū)剖面Fig.2 22410 section of water rich area of return airway

2 煤礦水監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)存在的問(wèn)題

目前，在我國(guó)煤礦使用的很多早期安裝的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)處于淘汰、停產(chǎn)狀態(tài)，其主要原因是技術(shù)水平低，功能差。另外，傳感器安裝位置、安裝數(shù)量、傳感器的靈敏度、可靠度、監(jiān)測(cè)閾值等不滿足要求[7]。一些礦井已經(jīng)安裝檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，但是由于通信等條件的限制，被監(jiān)控地點(diǎn)一般是主回風(fēng)巷、泵房、中心變電所、井底車場(chǎng)等固定生產(chǎn)地點(diǎn)，而對(duì)于瓦斯經(jīng)常超限的采煤、掘進(jìn)移動(dòng)工作面則采用獨(dú)立式報(bào)警裝置(非網(wǎng)絡(luò)化，或局部網(wǎng)絡(luò)化)，或由安檢員流動(dòng)檢查，不能把井下實(shí)際生產(chǎn)狀況全面地、實(shí)時(shí)地反映到井上中心控制室[8]。礦井構(gòu)造復(fù)雜、通信距離長(zhǎng)、通信線路與動(dòng)力線之間容易發(fā)生信號(hào)干擾，使檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋礦井每個(gè)角落。監(jiān)控設(shè)備復(fù)雜，數(shù)據(jù)信號(hào)需要調(diào)制及解調(diào)器或中繼轉(zhuǎn)發(fā)等工序，這給經(jīng)常移動(dòng)的采掘工作面安裝監(jiān)控設(shè)備造成困難。目前需要的檢測(cè)監(jiān)控設(shè)備應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易拆裝、移動(dòng)方便、通信距離長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)、通信協(xié)議規(guī)范、互換性能好，其中首要問(wèn)題是通信距離及通信方法[9]。

3 邊界采空區(qū)水回收利用

采空區(qū)水質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告見(jiàn)表1，采空區(qū)水樣合格，為提高礦井水利用率，采用清污分流方式進(jìn)行。

表1 采空區(qū)水質(zhì)檢驗(yàn)報(bào)告Tab.1 Water quality inspection report of goaf

4 礦井的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在礦井水采樣后傳輸系統(tǒng)增加了機(jī)械控制、調(diào)劑功能(圖3)，信息輸入即將礦井下采集的信號(hào)傳感器采集后進(jìn)行傳輸[10]。

圖3 通信距離實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)框架Fig.3 Communication distance experiment design box

礦井水監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖4所示，由多組傳感器將信號(hào)采集后，通過(guò)井下分站1～n將信號(hào)進(jìn)行采集后并分配，通過(guò)安全柵將信號(hào)傳送至中心站主機(jī)，中心站備用主機(jī)、地面分站等。

圖4 礦井水監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的組成Fig.4 Composition of mine water monitoring and control system

4.1 煤礦水監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的功能

微機(jī)實(shí)時(shí)采集并傳輸、存儲(chǔ)、處理顯示、打印哈拉溝煤礦礦井水的采空區(qū)水質(zhì)檢驗(yàn)值，根據(jù)設(shè)定的的上/下限值進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警和打印，微機(jī)通過(guò)視頻觀測(cè)主要場(chǎng)所的現(xiàn)場(chǎng)圖像，用于監(jiān)測(cè)風(fēng)門(mén)、饋電、風(fēng)筒狀態(tài)，監(jiān)測(cè)水樣的pH值等[11]。

4.2 數(shù)據(jù)采集與傳輸

由于煤礦水監(jiān)測(cè)監(jiān)控目標(biāo)分散、距離遠(yuǎn)、監(jiān)測(cè)監(jiān)控多，監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)多路遙測(cè)遙控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集即通過(guò)不同傳感器把現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境、工況參數(shù)信息及時(shí)準(zhǔn)確地采集。

4.3 通信距離設(shè)計(jì)

在用監(jiān)控系統(tǒng)存在如下問(wèn)題，被監(jiān)控地點(diǎn)一般是主回風(fēng)巷、泵房、中心變電所、井底車場(chǎng)等固定生產(chǎn)地點(diǎn)，而對(duì)于瓦斯經(jīng)常超限的采煤、掘進(jìn)移動(dòng)工作面則采用獨(dú)立式報(bào)警裝置，或由安檢員流動(dòng)檢查，不能把井下實(shí)際生產(chǎn)狀況全面地、實(shí)時(shí)地反映到井上中心控制室，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)井下安全生產(chǎn)的全面監(jiān)控[12]。主要原因是礦井構(gòu)造復(fù)雜、通信距離長(zhǎng)、通信線路與動(dòng)力線之間容易發(fā)生信號(hào)干擾，使檢測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋礦井每個(gè)角落；監(jiān)控設(shè)備復(fù)雜，數(shù)據(jù)信號(hào)需要調(diào)制及解調(diào)器或中繼轉(zhuǎn)發(fā)等工序；檢測(cè)監(jiān)控設(shè)備品牌混亂、通信協(xié)議不規(guī)范，互換性差，給維護(hù)工作帶來(lái)不便。因此，檢測(cè)監(jiān)控設(shè)備應(yīng)該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆裝移動(dòng)容易、通信距離長(zhǎng)、抗干擾能力強(qiáng)、通信協(xié)議規(guī)范、互換性能好，其中通信距離及通信方法是首要問(wèn)題。

4.4 軟硬件設(shè)計(jì)

通信實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示，本實(shí)驗(yàn)由AT89C2051單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，用MAX232將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平并通過(guò)導(dǎo)線與計(jì)算機(jī)串口相連。接收端是裝有VISUALBASIC——串口編程調(diào)試精靈通信軟件的計(jì)算機(jī)，用來(lái)讀取數(shù)據(jù)，并用GOS-620示波器來(lái)觀察接收波形[13]。

圖5 通信實(shí)驗(yàn)原理Fig.5 Principle of communication experiment

4.5 RS-232串口實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)布置如圖6所示，實(shí)驗(yàn)電路板如圖7所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)布置Fig.6 Experimental arrangement

圖7 實(shí)驗(yàn)電路板Fig.7 Experimental circuit board

該機(jī)上電后，在2.2 kΩ電阻和22 μF電容的作用下，單片機(jī)的一引腳處產(chǎn)生一個(gè)大于10 ms的高電平，使單片機(jī)可靠復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位后，自動(dòng)從ORG0000H開(kāi)始執(zhí)行程序，首先，是使ZCM1601液晶顯示屏初始化，設(shè)置顯示參數(shù)、字體、光標(biāo)形狀、清屏等工作；然后，根據(jù)對(duì)定時(shí)計(jì)數(shù)器及串口的設(shè)置，以1 200的波特率發(fā)射數(shù)據(jù)，并把波特率顯示在ZCM1601上。由于單片機(jī)串口發(fā)射的數(shù)據(jù)為T(mén)TL電平(0～5 V)，所以要通過(guò)MAX232或MAX202轉(zhuǎn)換為PC機(jī)串口所能識(shí)別的RS232(-15～+15 V)電平[14-15]。用長(zhǎng)導(dǎo)線把單片機(jī)與PC機(jī)的串口連接起來(lái)(握手連接)，用示波器對(duì)比觀察發(fā)射端與接收端的波形，并在PC機(jī)上觀察接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，只在單片機(jī)AT89C2051的P3.2(INT0)腳安裝1個(gè)按鍵，該按鍵通過(guò)5 kΩ上拉電阻接地，P3.2平時(shí)為高電平，當(dāng)按鍵被按下時(shí)P3.2為低電平，即產(chǎn)生中斷。單片機(jī)每中斷1次，波特率即增加1倍，直至增加到19 200 b/s后，返回到1 200 b/s重新開(kāi)始。

不同波特率測(cè)試如圖8所示，導(dǎo)線736 m，不同通信速率下的波形如圖9所示。

圖8 不同波特率測(cè)試Fig.8 Different baud rate test

圖9 導(dǎo)線736 m、不同通信速率下的波形Fig.9 Waveform of wire 736 m at different communication rates

經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，可得出不同波特率條件下測(cè)試，示波器可顯示出不同的波形，且其錯(cuò)碼率也能得到測(cè)試。圖10所示的波形及錯(cuò)碼率的測(cè)試表明：采用4 800、N、8、1的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，接收端的波形稍有畸變，錯(cuò)碼率為0。通過(guò)采取礦井下方水質(zhì)數(shù)據(jù)，采用清污分離方法，將采空區(qū)水排至哈拉溝凈水廠處理后作為礦區(qū)生活飲用水，為礦區(qū)供應(yīng)約10萬(wàn)m3飲用水，按照3元/m3計(jì)算，增加收益30萬(wàn)元，同時(shí)緩解了礦區(qū)水源緊張局面。充分利用積水采空區(qū)與泄水巷道以及水倉(cāng)高差，實(shí)施自流，可節(jié)約排水電費(fèi)上萬(wàn)元；充分利用現(xiàn)有管路，快速形成排水系統(tǒng)，疏放積水，消除隱患，節(jié)約安裝管路約6 800 m，按照 DN200 管路安裝費(fèi)用 3 857元/hm計(jì)算，可節(jié)約費(fèi)用26.2萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

哈拉溝煤礦采空區(qū)水庫(kù)用傳感器采集水庫(kù)的水質(zhì)信號(hào)后，實(shí)時(shí)傳送至系統(tǒng)并顯示，采用清污分離方法將采空區(qū)水排至哈拉溝凈水廠處理后，作為礦區(qū)生活飲用水，充分利用井下采空區(qū)的自凈功能。736 m的導(dǎo)線的實(shí)際應(yīng)用也滿足通信要求。在上述條件下，可以直接采用RS232電平進(jìn)行通信，不需要用RS485或RS422等電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在煤礦水監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)中，可以利用上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論，適當(dāng)簡(jiǎn)化通信接口技術(shù)，同時(shí)保證通信距離及通信可靠性。