煤礦采空區(qū)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王海燕

摘要：煤礦工作面采空區(qū)作為采煤工作完成后的遺留區(qū)域，隨著頂層應(yīng)力及地下水滲透等作用會(huì)逐漸垮塌，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)煤礦沖擊地壓等次生災(zāi)害，該文設(shè)計(jì)了一種壓力傳感器及在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以達(dá)到采空區(qū)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警分析的目的。

關(guān)鍵詞：煤礦采空區(qū);傳感器; 數(shù)據(jù)采集;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）28-0074-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

我國煤炭開采主要采取井下開采的方式，露天開采只占每年開采總量的一小部分。煤炭開采破壞了原始的地層結(jié)構(gòu)[1]，煤炭開采完成之后遺留區(qū)域形成采空區(qū)，由于采空區(qū)上方的隔水層被破壞，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)由大量積水，若進(jìn)行煤炭開采時(shí)破壞了采空區(qū)的密封帶，則很容易引發(fā)礦井突水事故[2-3]。采空區(qū)會(huì)引起礦柱變形、巖移及地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，空區(qū)突然垮塌會(huì)造成人員傷亡和設(shè)備破壞[4-5]，給煤礦安全生產(chǎn)、礦工生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。部分煤礦采用充填開采技術(shù)對(duì)采空區(qū)采用覆巖離層注漿方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行加固[6]對(duì)采空區(qū)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警對(duì)礦山的地壓災(zāi)害予以提前預(yù)警預(yù)報(bào)，有利于礦山企業(yè)提前采取應(yīng)對(duì)措施，避免災(zāi)害性事故發(fā)生。目前，對(duì)采空區(qū)的探測(cè)方法，美歐等發(fā)達(dá)國家以地球物理勘探為主，而我國目前以工程鉆探為主，地球物理勘探為輔，本文研究并設(shè)計(jì)了一種基于傳感器的采空區(qū)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用壓力傳感器采集采空區(qū)壓力數(shù)據(jù)并通過井下以太網(wǎng)傳輸?shù)降孛嬗?jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采空區(qū)壓力變化曲線，利用曲線走勢(shì)分析及預(yù)測(cè)采空區(qū)應(yīng)力變化。

2壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架

2.1 總體設(shè)計(jì)

采空區(qū)壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析3個(gè)部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集部分主要通過在剛采完煤的采空區(qū)布置壓力傳感器，頂層受壓以后壓力傳感器產(chǎn)生壓力數(shù)據(jù)，傳感器通過485總線連入就近的分站轉(zhuǎn)為以太網(wǎng)信號(hào)接入井下交換機(jī)。數(shù)據(jù)傳輸部分包括井下千兆工業(yè)以太網(wǎng)、由485中繼器、光電轉(zhuǎn)換器、信號(hào)電纜、光纖等構(gòu)成。數(shù)據(jù)分析主要包括地面控制計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將收到的壓力數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、圖表曲線生成等。

2.2 傳感器設(shè)計(jì)

根據(jù)采空區(qū)壓力數(shù)據(jù)采集需求，傳感器和巖層接觸面盡可能大，傳感器采集前端采用橢圓形設(shè)計(jì)方案，如圖2所示，機(jī)械廠根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙加工制作橢圓餅形容器，內(nèi)置水或油等液體物質(zhì)，通過容器螺紋接口裝配壓力變送器。壓力傳感器通過變送器采用485轉(zhuǎn)232連接至計(jì)算機(jī)，樣品制成后將傳感器放置在鍛壓機(jī)下持續(xù)壓扁傳感器直至爆裂，讀取此時(shí)計(jì)算機(jī)壓力變送器的最高數(shù)值，反復(fù)改進(jìn)工藝使傳感器負(fù)載量程達(dá)到煤礦采空區(qū)工作壓力。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸

在井下開采工作面采空區(qū)不同位置放置三臺(tái)傳感器，為防止采空區(qū)落石將傳感器或者線纜砸斷，需要對(duì)傳感器壓力變送器部分和線纜部分做特殊防護(hù)防止被落石砸爛、砸斷;通過PROBUS總線接入到分站，井下信號(hào)電纜受空間限制常與動(dòng)力電纜同路布置，信號(hào)干擾大，尤其長(zhǎng)距離傳輸時(shí)信號(hào)會(huì)穩(wěn)定性不佳，此時(shí)需要在分站內(nèi)安裝485中繼器，再通過串口服務(wù)器將485信號(hào)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號(hào)，通過網(wǎng)線接入就近的環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，通過井上/井下環(huán)網(wǎng)信號(hào)傳輸?shù)秸{(diào)度室計(jì)算機(jī)，通過串口服務(wù)器虛擬串口設(shè)備，編寫軟件程序解析傳感器協(xié)議數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)采集及功能分析。

3系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)采用VS.NET2019和SQL SERVER2014組成，采用B/S模式，客戶端軟件主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)頁面顯示及圖像、曲線、報(bào)表查詢等，SQL SERVER數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)從井下傳感器接收到的數(shù)據(jù)，并記錄一些操作日志文件。系統(tǒng)采用菜單化設(shè)計(jì)，分為用戶管理、傳感器設(shè)置、預(yù)警參數(shù)設(shè)置、預(yù)測(cè)云圖生成、歷史數(shù)據(jù)查詢等菜單項(xiàng);每個(gè)菜單分別針對(duì)所需實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)界面，系統(tǒng)框架圖如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是本系統(tǒng)最基礎(chǔ)的功能，也是本系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)，只有在采集到井下分站數(shù)據(jù)的前提下軟件的功能才能發(fā)揮作用。軟件向通信端口發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，傳感器收到請(qǐng)求命令后，提取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)即時(shí)做出響應(yīng)，計(jì)算機(jī)收到響應(yīng)命令，根據(jù)數(shù)據(jù)幀的幀頭、校驗(yàn)幀判斷傳感器返回的數(shù)據(jù)幀是否正確，如果數(shù)據(jù)幀完整且正確提取數(shù)據(jù)部分分析、進(jìn)制轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫及顯示到數(shù)據(jù)界面，完成傳感器數(shù)據(jù)井下/井上網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，系統(tǒng)時(shí)序圖如圖4所示。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫用作存儲(chǔ)采集到的傳感器數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)庫用到表、視圖、存儲(chǔ)過程、觸發(fā)器等，表與表之間通過設(shè)置主鍵、外鍵連接所對(duì)應(yīng)的字段內(nèi)容，多個(gè)表之間復(fù)雜查詢?nèi)缱筮B接、右連接等建立相應(yīng)的視圖提高軟件執(zhí)行SQL語句的效率，存儲(chǔ)過程用于用戶登錄驗(yàn)證以及一些業(yè)務(wù)邏輯關(guān)系編程，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)E-R圖如圖5所示。

數(shù)據(jù)解析完成后可以在軟件界面上實(shí)時(shí)顯示[13同時(shí)調(diào)取數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)做曲線圖表。本軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理、參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等四個(gè)模塊。系統(tǒng)管理模塊包含用戶管理和密碼設(shè)置，用于實(shí)現(xiàn)管理用戶增刪、密碼修改等;參數(shù)設(shè)置模塊包含工作面設(shè)置、傳感器設(shè)置、通信參數(shù)設(shè)置，用于實(shí)現(xiàn)設(shè)置傳感器所處工作面名稱、增刪傳感器以及通信采集周期等;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)模塊包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)曲線，用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示井下傳感器的數(shù)值信息以及曲線走勢(shì)圖表并利用插值算法軟件實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)云圖;歷史數(shù)據(jù)模塊包含歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線，用于實(shí)現(xiàn)基于起止時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù)查詢和歷史曲線，歷史數(shù)據(jù)支持導(dǎo)出到Excel或者pdf，系統(tǒng)界面如圖6所示。

4 結(jié)束語

煤礦采空區(qū)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)，可以對(duì)采空區(qū)域垮塌后實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線壓力監(jiān)測(cè)，改變了采煤完成后形成的采空區(qū)無壓力監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，對(duì)于采空區(qū)后續(xù)壓力變化可以實(shí)時(shí)跟蹤并根據(jù)?壓力趨勢(shì)曲線圖分析預(yù)判采空區(qū)附近區(qū)域應(yīng)力變化，預(yù)防次生災(zāi)害的發(fā)生。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】