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，隨著頂層應力及地下水滲透等作用會逐漸垮塌，嚴重時會引發(fā)煤礦沖擊地壓等次生災害，該文設計了一種壓力傳感器及在線實時監(jiān)測系統(tǒng)，以達到采空區(qū)壓力實時監(jiān)測及預警分析的目的。

關(guān)鍵詞：煤礦采空區(qū);傳感器; 數(shù)據(jù)采集;實時監(jiān)測

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）28-0074-02

開放科學（資源服務）標識碼（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，導致采空區(qū)內(nèi)由大量積水，若進行煤炭開采時破壞了采空區(qū)的密封帶，則很容易引發(fā)礦井突水事故[2-3]。采空區(qū)會引起礦柱變形、巖移及地表塌陷等地質(zhì)災害，空區(qū)突然垮塌會造成人員傷亡和設備破壞[4-5]，給煤礦安全生產(chǎn)、礦工生命安全構(gòu)成嚴重威脅。部分煤礦采用充填開采技術(shù)對采空區(qū)采用覆巖離層注漿方法對采空區(qū)進行加固[6]對采空區(qū)進行監(jiān)測預警對礦山的地壓災害予以提前預警預報，有利于礦山企業(yè)提前采取應對措施，避免災害性事故發(fā)生。目前，對采空區(qū)的探測方法，美歐等發(fā)達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，本文研究并設計了一種基于傳感器的采空區(qū)壓力實時監(jiān)測系統(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)降孛嬗嬎銠C實現(xiàn)實時監(jiān)測采空區(qū)壓力變化曲線，利用曲線走勢分析及預測采空區(qū)應力變化。

2壓力監(jiān)測系統(tǒng)框架

2.1 總體設計

采空區(qū)壓力實時監(jiān)測系統(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)信號接入井下交換機。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、信號電纜、光纖等構(gòu)成。數(shù)據(jù)分析主要包括地面控制計算機，計算機將收到的壓力數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議進行轉(zhuǎn)換、存儲、數(shù)據(jù)顯示、圖表曲線生成等。

2.2 傳感器設計

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計方案，如圖2所示，機械廠根據(jù)設計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連接至計算機，樣品制成后將傳感器放置在鍛壓機下持續(xù)壓扁傳感器直至爆裂，讀取此時計算機壓力變送器的最高數(shù)值，反復改進工藝使傳感器負載量程達到煤礦采空區(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，需要對傳感器壓力變送器部分和線纜部分做特殊防護防止被落石砸爛、砸斷;通過PROBUS總線接入到分站，井下信號電纜受空間限制常與動力電纜同路布置，信號干擾大，尤其長距離傳輸時信號會穩(wěn)定性不佳，此時需要在分站內(nèi)安裝485中繼器，再通過串口服務器將485信號轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)信號，通過網(wǎng)線接入就近的環(huán)網(wǎng)交換機，通過井上/井下環(huán)網(wǎng)信號傳輸?shù)秸{(diào)度室計算機，通過串口服務器虛擬串口設備，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)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)設計

本系統(tǒng)開發(fā)平臺采用VS.NET2019和SQL SERVER2014組成，采用B/S模式，客戶端軟件主要負責數(shù)據(jù)頁面顯示及圖像、曲線、報表查詢等，SQL SERVER數(shù)據(jù)庫存儲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)采用菜單化設計，分為用戶管理、傳感器設置、預警參數(shù)設置、預測云圖生成、歷史數(shù)據(jù)查詢等菜單項;每個菜單分別針對所需實現(xiàn)的功能設計界面，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)最基礎的功能，也是本系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)難點，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)請求命令，傳感器收到請求命令后，提取實時數(shù)據(jù)即時做出響應，計算機收到響應命令，根據(jù)數(shù)據(jù)幀的幀頭、校驗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、進制轉(zhuǎn)換、存儲到數(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)絡傳輸?shù)膶崟r監(jiān)測功能，系統(tǒng)時序圖如圖4所示。

3.3 軟件設計

數(shù)據(jù)庫用作存儲采集到的傳感器數(shù)據(jù)，本設計中數(shù)據(jù)庫用到表、視圖、存儲過程、觸發(fā)器等，表與表之間通過設置主鍵、外鍵連接所對應的字段內(nèi)容，多個表之間復雜查詢?nèi)缱筮B接、右連接等建立相應的視圖提高軟件執(zhí)行SQL語句的效率，存儲過程用于用戶登錄驗證以及一些業(yè)務邏輯關(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時顯示[13同時調(diào)取數(shù)據(jù)庫存儲的歷史數(shù)據(jù)做曲線圖表。本軟件系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理、參數(shù)設置、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等四個模塊。系統(tǒng)管理模塊包含用戶管理和密碼設置，用于實現(xiàn)管理用戶增刪、密碼修改等;參數(shù)設置模塊包含工作面設置、傳感器設置、通信參數(shù)設置，用于實現(xiàn)設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;實時數(shù)據(jù)模塊包含實時數(shù)據(jù)和實時曲線，用于實現(xiàn)實時顯示井下傳感器的數(shù)值信息以及曲線走勢圖表并利用插值算法軟件實現(xiàn)預測云圖;歷史數(shù)據(jù)模塊包含歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線，用于實現(xiàn)基于起止時間段的歷史數(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)測系統(tǒng)的開發(fā)，可以對采空區(qū)域垮塌后實現(xiàn)實時在線壓力監(jiān)測，改變了采煤完成后形成的采空區(qū)無壓力監(jiān)測的現(xiàn)狀，對于采空區(qū)后續(xù)壓力變化可以實時跟蹤并根據(jù)?壓力趨勢曲線圖分析預判采空區(qū)附近區(qū)域應力變化，預防次生災害的發(fā)生。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：光文玲】