宋宇奇

（晉能控股煤業(yè)集團晉華宮礦，山西 大同 037000）

晉華宮礦一采區(qū)位于井田的東北部，礦區(qū)內(nèi)東部高西部低，西部最低處標高1265 m，東部最高處標高1470 m，相對高差205 m。煤層的上限標高為1 166.878 m，下限標高為680 m，可采儲量為2621萬t。一采區(qū)設(shè)計產(chǎn)能2.0 Mt/a，正常涌水量為159 m3/h，最大涌水量為238 m3/h。礦井的絕對瓦斯涌出量為0.241 m3/min，相對瓦斯涌出量0.097 m3/t。老頂巖層的運動、失穩(wěn)和平衡主要影響工作面前方支承壓力大小，老頂巖性和厚度在初次來壓期間對頂煤冒放性影響較大。在一采區(qū)工作面掘進過程中，由于井下風水管路鋪設(shè)距離較遠，使工作面上出現(xiàn)嚴重堆煤現(xiàn)象，長時間不處理后會造成巷道堵塞、通風不暢，使掘進速度和降塵效果大大降低[1-2]。因此，設(shè)計智能監(jiān)測系統(tǒng)，通過實時監(jiān)測和安全預警，確保巷道管路暢通，保障井下安全生產(chǎn)[3]。

1 智能監(jiān)測系統(tǒng)組成

智能監(jiān)測系統(tǒng)通過多傳感器監(jiān)測終端實時監(jiān)測巷道管路的壓力、流量以及溫度等參數(shù)，達到智能監(jiān)測的目的[4]。智能監(jiān)測系統(tǒng)主要包括監(jiān)控服務器、服務器端監(jiān)控軟件、網(wǎng)絡(luò)交換機、通用監(jiān)控分站、監(jiān)控總站、 安全電源、電磁閥和各種傳感器。各監(jiān)控分站通過RS232 總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控總站[5-6]，單條傳輸路徑的最大距離為8 km，整個系統(tǒng)沒有通信距離限制。井下與地面主機通過以太網(wǎng)交換機將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控服務器，在服務器上安裝上位機，當巷道管路出現(xiàn)壓力、流量、溫度等參數(shù)超限以及泄漏時，及時報警并采取必要措施。監(jiān)控服務器同時具有統(tǒng)計、分析和處理數(shù)據(jù)能力，可全面分析巷道通風、供水等工作狀態(tài)?？傮w框架如圖1。

圖1 智能監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

監(jiān)控總站以微處理機為核心，監(jiān)控總站采用脈沖計數(shù)方式[7-8]，同時配置多個開關(guān)量和模擬量接口，通過與傳感器連接實現(xiàn)對工作面迎頭供水、供風管路壓力、巷道的風速和風量、工作面粉塵濃度等參數(shù)的采集和控制，并經(jīng)總線通信將采集的實時數(shù)據(jù)與地面計算機進行數(shù)據(jù)交換。其中，供水、供風管路的壓力通過傳感器輸出頻率信號，通過監(jiān)測水壓來判斷管路是否漏水，監(jiān)測風壓來判斷管路是否漏風。水壓傳感器的量程為0～2.5 MPa，風壓傳感器的量程為0～1 MPa，風速傳感器的量程為0.4～1.5 m/s。

智能監(jiān)測系統(tǒng)硬件主要包括單片機模塊、電源模塊以及電流電壓檢測模塊，如圖2。單片機采用AT89-C51 型，電流電壓檢測采用高靈敏度的AN3503 霍爾元件[9]，通過輸入磁感應強度，輸出與其成正比的電壓。當電源電壓為5 V 時，霍爾元件輸出電壓為2.5 V，當導線電流增大時，輸出電壓隨之增大，而A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0～60 V，因此不需要設(shè)置放大電路，在輸出端設(shè)計一個跟隨電路。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

3 監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)采用RS232 總線進行數(shù)據(jù)通信，依據(jù)上位機組態(tài)軟件的控制命令設(shè)計通信主程序，主站接收到相應數(shù)據(jù)后，按規(guī)定格式進行數(shù)據(jù)傳送[10]，主程序流程圖如圖3。利用串口接收中斷服務程序，主要完成對數(shù)據(jù)的保存以及中斷標志位的切換，以確保準確無誤接收數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)運行效率。

圖3 主程序流程圖

監(jiān)控軟件顯示界面能顯示掘進工作面總體運行狀態(tài)，包括參數(shù)設(shè)置、歷史曲線、報警記錄、狀態(tài)顯示、設(shè)備運行等界面，實時顯示掘進工作面巷道的供水、供風管路壓力、巷道風速和風量、故障檢測等參數(shù)，通過傳感器還可對工作面內(nèi)的粉塵濃度、設(shè)備運行狀態(tài)進行檢測。

結(jié)合智能監(jiān)測系統(tǒng)安全預警的設(shè)計要求，系統(tǒng)要同時具有對工作面聲、光、圖像等數(shù)據(jù)的采集和預處理，以及對信息的篩選、控制和存儲等功能。因此，通過采集視頻圖像得到單幀圖像，對圖像進行去噪、銳化等算法處理。由于系統(tǒng)要采集連續(xù)完整的圖像，而數(shù)據(jù)在實際傳輸過程中，考慮到環(huán)境因素的影響，采集的圖像難以達到處理要求，需要進一步對圖像進行編譯后再處理，經(jīng)信息接口傳輸，通過SQL 數(shù)據(jù)庫對采集到的數(shù)據(jù)進行分析和存儲，最終顯示在地面監(jiān)控界面上。

4 應用效果

晉華宮礦一采區(qū)工作面對智能監(jiān)測系統(tǒng)進行現(xiàn)場應用，共安裝2 個監(jiān)控主站、6 個監(jiān)控分站、1個通信分站，各路管道上的壓力傳感器直接和監(jiān)控分站連接，由監(jiān)控分站采集傳感器數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理、分析和存儲后，傳輸?shù)降孛嬗嬎銠C主機中。

通過實際觀測得到整個系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的故障檢測精度小于50 m，系統(tǒng)出現(xiàn)超限報警的傳輸時間小于3 s，監(jiān)測系統(tǒng)能正常運行，系統(tǒng)可靠性強、通信穩(wěn)定。通過現(xiàn)場監(jiān)測和地面的數(shù)據(jù)處理，為工作面安全掘進提供可靠數(shù)據(jù)，在工作面條件發(fā)生改變時，及時傳遞設(shè)備狀態(tài)，消除事故隱患。