王洛鋒，李海娟，郭新禮，程建勇，張超

(1.洛陽(yáng)欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471500；2.河南省電力公司洛陽(yáng)供電公司，河南 洛陽(yáng) 471000 )

巖體在破壞之前，都會(huì)出現(xiàn)聲發(fā)射和微震現(xiàn)象?；诖耍ㄟ^(guò)聲發(fā)射和微震監(jiān)測(cè)設(shè)備采集有效的聲發(fā)射或微震信號(hào)，分析巖體穩(wěn)定性狀態(tài)，預(yù)防災(zāi)害事故發(fā)生[1-2]。巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)作為一項(xiàng)先進(jìn)的監(jiān)測(cè)手段，有效應(yīng)用于金屬礦山、煤礦的采空區(qū)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)[3-7]。由于地采時(shí)期施工單位多且無(wú)序開采等原因，三道莊露天礦內(nèi)部形成了大規(guī)模的多層高危地下空區(qū)。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，空區(qū)體積約為1600萬(wàn)m3，空區(qū)一直是該礦山的重大安全隱患。洛鉬集團(tuán)按照“安全第一，預(yù)防為主，綜合治理”的方針，2007年與武漢安全環(huán)保院合作開發(fā)無(wú)線多通道巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[8]。該系統(tǒng)的研制與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了地壓活動(dòng)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，全面掌握了三道莊礦區(qū)的地壓活動(dòng)情況，極大地提高了礦山的地壓監(jiān)測(cè)水平，是空區(qū)處理和露天礦開采的重要安全技術(shù)保證措施。

1 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化的必要性

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由12V、60Ah的蓄電池供電，工作人員需定期充換蓄電池。采場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，平均每天需更換6塊蓄電池，更換電池時(shí)間長(zhǎng)、任務(wù)量大，不利于監(jiān)測(cè)技術(shù)員實(shí)時(shí)記錄整理地壓信息；監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在空區(qū)上方或附近區(qū)域，人工更換電池存在一定的安全隱患，D區(qū)深部特大空區(qū)和E區(qū)復(fù)雜多層空區(qū)地壓監(jiān)測(cè)尤為突出。以上區(qū)域汛期封閉，嚴(yán)禁人員進(jìn)入，無(wú)法電池更換，影響危險(xiǎn)區(qū)地壓監(jiān)測(cè)。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在一定的問(wèn)題，如采場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備信號(hào)發(fā)射儀在臺(tái)階邊坡根部、周圍有障礙物、距監(jiān)控分析室較遠(yuǎn)時(shí)，接收儀無(wú)法接收信號(hào)，影響監(jiān)測(cè)效果。因此，為保證工作人員安全，節(jié)省人力，節(jié)能降耗，研制太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)為聲發(fā)射監(jiān)測(cè)設(shè)備供電；為提高信號(hào)接收能力，優(yōu)化信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)方式。

2 太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)的研制

2.1 光伏供電系統(tǒng)的構(gòu)成

試太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、控制器、支架及蓄電池等四部分組成。工作原理：太陽(yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，然后通過(guò)控制器將電能存儲(chǔ)至蓄電池，當(dāng)蓄電池處于飽和狀態(tài)，控制器開關(guān)斷開，停止電能向蓄電池存儲(chǔ)；當(dāng)蓄電池處于欠壓狀態(tài)，控制器開關(guān)自動(dòng)打開，轉(zhuǎn)換電能存儲(chǔ)至蓄電池，蓄電池通過(guò)控制器為監(jiān)測(cè)設(shè)備供電。

2.2 供電系統(tǒng)參數(shù)選取

光伏供電系統(tǒng)參數(shù)選擇，主要為蓄電池容量和太陽(yáng)能電池板功率匹配計(jì)算。該系統(tǒng)仍繼續(xù)使用65Ah的蓄電池，因此，供電系統(tǒng)參數(shù)選擇重點(diǎn)計(jì)算合理的太陽(yáng)能電池板的功率。

無(wú)線聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電要求：監(jiān)測(cè)探頭及信號(hào)發(fā)射儀功率為2W，要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每天24h不間斷連續(xù)工作，供電區(qū)連續(xù)陰雨天不超過(guò)7d。

1)計(jì)算出年用電總量

H=0.002×24×365=18 kWh

2) 計(jì)算太陽(yáng)能電池板功率

式中：H為年理論用電總量；Q取值 1000 kWh，因欒川是山區(qū)，太陽(yáng)輻射量較??；R為1.2 斜放太陽(yáng)能板與水平面年輻射量的比值；F取值0.9用戶使用不當(dāng)?shù)男?；?取值0.85蓄電池組充放電效率；η2取值0.9 溫度損失因子；η3取值0.9 灰塵遮蔽損失因子。

P0=18/(1000×1.2×0.9×0.85×0.9×0.9)=0.024kW=24W

P=24×(1+15%)=27.6W

為了提高供電可靠性，適當(dāng)提高功率富余量，因此，太陽(yáng)能電池板的功率定為30W。

2.3 供電試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分析

三道莊露天礦采用的12V、65 Ah蓄電池充電終止電壓為12.3V左右和放電終止電壓11.2V，充換電池周期為5d。因此，將蓄電池連續(xù)工作10d以上，且蓄電池電壓不低于11.5V作為驗(yàn)證光伏供電系統(tǒng)試驗(yàn)成功的標(biāo)準(zhǔn)。

供電試驗(yàn)系統(tǒng)由太陽(yáng)能板(含支架)和監(jiān)測(cè)箱兩個(gè)獨(dú)立的部分組成，聲發(fā)射傳感器、數(shù)據(jù)采集儀及無(wú)線發(fā)射天線、控制器、蓄電池等設(shè)備放在監(jiān)測(cè)箱內(nèi)。該系統(tǒng)2010年12月8日為監(jiān)測(cè)設(shè)備供電，至2011年1月23日試驗(yàn)結(jié)束共47d，監(jiān)測(cè)過(guò)程中未進(jìn)行人工充換電池，記錄120組有效數(shù)據(jù)。

光伏供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)記錄顯示：太陽(yáng)能電池板為蓄電池供電最高電壓值為14.9V、最低電壓值12.1V；晴朗天氣太陽(yáng)照射充足蓄電池高位電壓多穩(wěn)定于13.8V左右，夜間太陽(yáng)能電池板停止工作，靠蓄電池儲(chǔ)存電量為監(jiān)測(cè)設(shè)備供電，此時(shí)電壓多穩(wěn)定于12.2V左右；陰雨或多云天氣，供電系統(tǒng)受影響，但數(shù)據(jù)顯示連續(xù)2～3個(gè)陰天或雨雪天，該供電系統(tǒng)仍然正常運(yùn)行且電壓值均不小于12.1V。圖1為12月11日太陽(yáng)能供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)圖，該圖說(shuō)明18∶00～9∶00太陽(yáng)能電池板基本上停止電能轉(zhuǎn)換，無(wú)法向蓄電池儲(chǔ)存電能；9∶30～16∶30為光照條件最好時(shí)段，電池板持續(xù)為蓄電池充電，冬季露天礦充裕光照時(shí)間為6～7h。供電試驗(yàn)系統(tǒng)連續(xù)為監(jiān)測(cè)設(shè)備供電，說(shuō)明試驗(yàn)是成功的，系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)選取是合理的。

圖1 2010年12月11日供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)圖

2.4 供電系統(tǒng)優(yōu)化、改進(jìn)與應(yīng)用

在供電試驗(yàn)系統(tǒng)已取得成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)其不足之處，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用情況，為使供電系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，提出對(duì)原有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和供電系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),將供電系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)組件集成為一個(gè)系統(tǒng)。圖2為太陽(yáng)能光伏供電與地壓監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)外觀設(shè)計(jì)示意圖。太陽(yáng)能電池板鑲在監(jiān)測(cè)柜斜面上；為了防止雨水流入或滲入，監(jiān)測(cè)柜四面均用Φ2.5mm厚鋼板封閉，監(jiān)測(cè)柜后背板為可以上鎖的鋼板門；監(jiān)測(cè)柜內(nèi)部分為兩層，下層放置蓄電池，上層放控制器、數(shù)據(jù)采集儀，無(wú)線發(fā)射天線放在箱體外部卡槽內(nèi)(長(zhǎng)寬高分別為8.3cm、6.5cm、8.0cm)，上下兩層用鋼板隔開；監(jiān)測(cè)柜四角焊接高為10cm的柜腳；監(jiān)測(cè)柜左側(cè)上下及柜內(nèi)二層左側(cè)各打Φ2.5cm的小孔，用于監(jiān)測(cè)設(shè)備間或者與蓄電池連接；柜子底部打一排小孔，防止積水。

圖2 太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)示意圖

改進(jìn)后的集成供電系統(tǒng)，如圖3所示。5臺(tái)新研制的供電系統(tǒng)于2011年6月3日應(yīng)用到D區(qū)地壓監(jiān)測(cè)，其中，2塊蓄電池為欠壓狀態(tài)，另外3塊蓄電池為飽和狀態(tài)，飽和狀態(tài)蓄電池一直正常工作，欠壓狀態(tài)蓄電池經(jīng)太陽(yáng)能板4d自動(dòng)充電也達(dá)到飽和狀態(tài)。截止到9月26日，以上5套系統(tǒng)已連續(xù)無(wú)異常運(yùn)行115d。因此，太陽(yáng)能光伏供電與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)研制成功。

2.5 應(yīng)用效果及前景分析

光伏供電系統(tǒng)能穩(wěn)定為監(jiān)測(cè)設(shè)備供電，保證地壓監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確性，三道莊露天采場(chǎng)范圍內(nèi)同時(shí)布設(shè)20～30余個(gè)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)點(diǎn)，平均每天充換蓄電池6臺(tái)，光伏供電系統(tǒng)的應(yīng)用將大大減少該項(xiàng)工作的勞動(dòng)量，減少人員在空區(qū)上方的流動(dòng)量，提高作業(yè)區(qū)域的安全性。另外，該技術(shù)也可以根據(jù)需要應(yīng)用于其他供電設(shè)備，如GPS基站系統(tǒng)供電。因此，該系統(tǒng)具有一定的推廣應(yīng)用前景。

圖3 太陽(yáng)能光伏供電與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)集成系統(tǒng)

3 信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)方式的優(yōu)化

為解決無(wú)線信號(hào)無(wú)法正常接收的難題，技術(shù)人員優(yōu)化信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)方式，將不能正常接收的監(jiān)測(cè)信號(hào)，先轉(zhuǎn)發(fā)至離監(jiān)測(cè)中心較近的過(guò)度監(jiān)測(cè)設(shè)備上，然后經(jīng)過(guò)同步再轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)測(cè)中心，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

如圖4所示，3#監(jiān)測(cè)儀距監(jiān)控分析中心較遠(yuǎn)，2#監(jiān)測(cè)儀位于臺(tái)階根部，由于信號(hào)發(fā)射半徑小或障礙物阻擋，監(jiān)測(cè)中心無(wú)法接收到2#、3#監(jiān)測(cè)信號(hào)，在監(jiān)控中心和2#、3#監(jiān)測(cè)儀中間增加1#過(guò)度同步收發(fā)監(jiān)測(cè)儀，接收無(wú)線信號(hào)后，經(jīng)同步再將信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控中心。

圖4 轉(zhuǎn)發(fā)方式優(yōu)化示意圖

優(yōu)化后的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)方式，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中得到很好的應(yīng)用。如處理1366臺(tái)階和1354臺(tái)階下部空區(qū)時(shí)，1366臺(tái)階的監(jiān)測(cè)儀信號(hào)傳輸正常，而監(jiān)控中心無(wú)法接收到1354臺(tái)階根部的8#、9#、13#監(jiān)測(cè)信號(hào)，信號(hào)同步轉(zhuǎn)發(fā)后才能接收以上監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，從而有效分析各區(qū)域地壓活動(dòng)情況，有效保證安全生產(chǎn)和空區(qū)處理的順利進(jìn)行。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備供電要求、礦區(qū)位置、天氣等因素核算太陽(yáng)能電池板合理功率為30W，現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)證明了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，說(shuō)明供電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇是合理的。

2)光伏供電系統(tǒng)的研制與應(yīng)用，減少監(jiān)測(cè)人員勞動(dòng)量，提高生產(chǎn)作業(yè)安全性，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3)通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)方式的優(yōu)化，使遠(yuǎn)距離或異常信號(hào)區(qū)監(jiān)測(cè)儀采集數(shù)據(jù)同步轉(zhuǎn)發(fā)至地壓監(jiān)控分析中心，提高了信號(hào)傳輸能力和地壓監(jiān)測(cè)水平。

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