郝昱宇,李樹(shù)剛

(西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引 言

中國(guó)作為煤炭資源大國(guó)，長(zhǎng)期旺盛的煤炭資源需求引發(fā)煤炭開(kāi)采的迅速發(fā)展，導(dǎo)致中國(guó)煤礦開(kāi)采深度以每年10～25 m的速度快速向深部轉(zhuǎn)移[1]。煤礦開(kāi)采深度逐年加深，引發(fā)開(kāi)采環(huán)境逐步復(fù)雜，采煤過(guò)程中工作面及上隅角的瓦斯?jié)舛瘸揞l繁發(fā)生，各類(lèi)瓦斯災(zāi)害事故極易發(fā)生，給煤炭安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的安全隱患[2-3]。煤炭瓦斯災(zāi)害預(yù)防及治理成為當(dāng)前煤炭科技發(fā)展的重點(diǎn)問(wèn)題之一。針對(duì)該問(wèn)題的研究，大型三維物理相似模擬實(shí)驗(yàn)具有可靠性高、直觀(guān)性強(qiáng)與準(zhǔn)確性高等特點(diǎn)，逐步作為該問(wèn)題的主要研究方法之一[4-6]。按照實(shí)際開(kāi)采方案及地質(zhì)壞境特征搭建與其相類(lèi)似的地質(zhì)模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)物理手段模擬井下不同開(kāi)采方法，以此獲得不同開(kāi)采方法下覆巖裂隙演化及瓦斯運(yùn)移趨勢(shì)相關(guān)數(shù)據(jù)，最終為煤炭安全開(kāi)采提供理論依據(jù)。

物理相似模擬實(shí)驗(yàn)中，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，需要在其中布置大量傳感器，實(shí)時(shí)獲取實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。盧義玉利用多臺(tái)傳感器數(shù)據(jù)采集儀并聯(lián)的方式，完成了大型物理相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集工作[7]，李錦明以FPGA為控制核心，采用CC2530芯片實(shí)現(xiàn)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線(xiàn)通信，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)及AD轉(zhuǎn)換器完成多路數(shù)據(jù)采集[8]。張慶軍通過(guò)高溫單片機(jī)程序控制模擬多路開(kāi)關(guān)分時(shí)輸出采樣信號(hào)，并將信號(hào)通過(guò)電壓電流轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了地面對(duì)井下各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9]。安賽提出了基于北斗+IEEE 1588V2+本地后備時(shí)鐘的三級(jí)協(xié)同時(shí)鐘同步方案，滿(mǎn)足礦用分布式采集系統(tǒng)高精度、高可靠性的時(shí)鐘同步性能要求[10]。文永康采用分布式時(shí)鐘構(gòu)建的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)同步精度達(dá)到了納秒級(jí)[11]。

綜上所述，當(dāng)前同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具備了良好的采集速度，但物理相似模擬實(shí)驗(yàn)需要將傳感器埋設(shè)于土壤內(nèi)部。為降低傳感器尺寸對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)相似性造成影響，優(yōu)化傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將信號(hào)放大器移至箱體外部。為減低長(zhǎng)距離傳輸對(duì)微弱信號(hào)的影響，采集板卡需置于實(shí)驗(yàn)箱體附近。布置過(guò)程中的潮濕、粉塵等惡劣環(huán)境對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集造成了極大影響，傳統(tǒng)的采集板卡很難適應(yīng)當(dāng)前測(cè)量環(huán)境需求。針對(duì)該實(shí)驗(yàn)中測(cè)量信號(hào)的特殊性，并未添加相應(yīng)的信號(hào)處理單元。為此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種新的基于SQL數(shù)據(jù)庫(kù)的大型三維物理相似模擬實(shí)驗(yàn)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為物理相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供一種新的數(shù)據(jù)采集方案。

1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在煤與瓦斯共采三維大尺度物理模擬實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，該平臺(tái)主要應(yīng)用于不同開(kāi)采條件下的覆巖移動(dòng)垮落規(guī)律、礦山壓力分布規(guī)律、瓦斯運(yùn)移規(guī)律、瓦斯抽采規(guī)律等一體、同步研究。系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)長(zhǎng)、寬、高為3 m×2.5 m×2 m，集機(jī)、電、液、氣為一體，設(shè)立氣體與壓應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)位200余個(gè)，模塊控制節(jié)點(diǎn)100余路[12-14]。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、控制的穩(wěn)定開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊方法，構(gòu)建了多通道、同步數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的傳感器輸出信號(hào)特征，在采集板卡前端添加了信號(hào)放大與處理單元，消除傳輸過(guò)程中的信號(hào)干擾，并獲取有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。利用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)了不同模塊之間的數(shù)據(jù)互通，實(shí)現(xiàn)了后續(xù)數(shù)據(jù)處理、控制、顯示、回溯等功能(圖1)。

圖1 煤與瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Monitoring system of coal and gas

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型及特征，建立了應(yīng)力、氣體、控制等功能數(shù)據(jù)塊，利用SQL數(shù)據(jù)檢索功能，快速進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索與調(diào)用。通過(guò)添加布置位置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了分區(qū)域、分時(shí)段數(shù)據(jù)采集方案，提高了系統(tǒng)采集效率與穩(wěn)定性[15]。

1.1 分布式數(shù)據(jù)采集單元

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化，去除了測(cè)量傳感器中的信號(hào)放大、調(diào)理電路。與此同時(shí)，物理相似模擬實(shí)驗(yàn)中的傳感器布置采用了環(huán)繞式布置，將線(xiàn)纜以最短距離引至箱體邊緣環(huán)繞箱體內(nèi)壁至前端，導(dǎo)致部分傳感器傳輸距離達(dá)到10 m以上。為保證數(shù)據(jù)采集的有效性，在采集板卡前端利用差分輸入并根據(jù)傳感器信號(hào)特征基于有緣二階電路添加了信號(hào)放大與濾波模塊。對(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸?shù)奈⑷跣盘?hào)進(jìn)行放大，同時(shí)濾除長(zhǎng)距離傳輸過(guò)程中的線(xiàn)上干擾。與此同時(shí)，內(nèi)建卡爾曼濾波算法，對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理，以期獲得準(zhǔn)確的采樣數(shù)據(jù)[16]。

在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步優(yōu)化采集效率，設(shè)計(jì)了分時(shí)段、分區(qū)域同步數(shù)據(jù)采集方法。該方法在各個(gè)PC數(shù)據(jù)庫(kù)獲取數(shù)據(jù)前端建立數(shù)據(jù)匯總模塊，通過(guò)內(nèi)建基于時(shí)間、位置索引的數(shù)據(jù)庫(kù)，方便采集數(shù)據(jù)的檢索。利用分布式時(shí)鐘通訊方式，匯總模塊發(fā)送附帶時(shí)間、位置信息的數(shù)據(jù)流，采集板卡檢索其內(nèi)部采樣數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)回傳至數(shù)據(jù)流中并下發(fā)給下一塊板卡，以此實(shí)現(xiàn)各個(gè)采集板卡之間的采樣數(shù)據(jù)的同步交互。為保證時(shí)間信息的同步性，在開(kāi)始數(shù)據(jù)采集前，數(shù)據(jù)匯總模塊將與各個(gè)采集板卡之間通過(guò)廣播的方式進(jìn)行對(duì)表。采集板卡獲取時(shí)間信息后對(duì)其內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)行修正(圖2)。

圖2 通訊結(jié)構(gòu)Fig.2 Communication structure

1.2 數(shù)據(jù)交互單元

大型物理相似模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要控制各個(gè)驅(qū)動(dòng)單元模擬實(shí)際開(kāi)采狀態(tài)，并對(duì)開(kāi)采過(guò)程中的瓦斯?jié)舛?、壓?yīng)力等參數(shù)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄。文中所述三維物理相似模擬實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)氣體、壓應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)200余個(gè)，控制節(jié)點(diǎn)100余個(gè)。為實(shí)現(xiàn)所有通道數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、實(shí)時(shí)交互功能，本系統(tǒng)在各個(gè)采集板卡及智能流量計(jì)前端設(shè)計(jì)有基于分布式通訊結(jié)構(gòu)的分級(jí)匯總模塊，通過(guò)該模塊實(shí)時(shí)獲取各個(gè)功能單元下的采集板卡數(shù)據(jù)并與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互任務(wù)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性與采集數(shù)據(jù)時(shí)效性。系統(tǒng)采用并聯(lián)掛載的方式互相連接，采集數(shù)據(jù)匯總單元、顯示單元可同時(shí)通過(guò)時(shí)間索引的方式提取、寫(xiě)入SQL數(shù)據(jù)庫(kù)采集與控制數(shù)據(jù)。各個(gè)功能單元的相互獨(dú)立，避免了數(shù)據(jù)交互時(shí)引發(fā)的沖突現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與控制的同步進(jìn)行(圖3)。

圖3 同步數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of synchronous data acquisition and control system

系統(tǒng)中SQL數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)了所有數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與交互功能，通過(guò)與數(shù)據(jù)采集與控制單元、顯示單元的并行通信，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊數(shù)據(jù)的同步交互設(shè)計(jì)目標(biāo)。提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，避免了傳統(tǒng)順序執(zhí)行導(dǎo)致的數(shù)據(jù)下發(fā)延遲、數(shù)據(jù)無(wú)法調(diào)用、通訊丟包等現(xiàn)象的發(fā)生。為保證數(shù)據(jù)更新的高效與穩(wěn)定，系統(tǒng)各個(gè)單元之間采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的快速查找與寫(xiě)入。

1.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示模塊

根據(jù)實(shí)驗(yàn)使用需求，本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件分為數(shù)據(jù)層與顯示層。數(shù)據(jù)層按照功能類(lèi)別分為數(shù)據(jù)導(dǎo)出、顯示、參數(shù)設(shè)定等模塊，利用SQL數(shù)據(jù)庫(kù)建立了以時(shí)間、位置信息為索引的采集數(shù)據(jù)庫(kù)。顯示層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的展示與控制參數(shù)的設(shè)定。設(shè)計(jì)有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)、三維立體圖形顯示，開(kāi)采及采樣參數(shù)設(shè)定等功能模塊。系統(tǒng)針對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的長(zhǎng)期開(kāi)啟設(shè)計(jì)了內(nèi)存自動(dòng)釋放功能，避免電腦內(nèi)存溢出導(dǎo)致的系統(tǒng)死機(jī)等問(wèn)題發(fā)生。在與各個(gè)功能模塊通訊結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)有自動(dòng)重連功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)穩(wěn)定性。三維顯示與傳感器位置參數(shù)記錄功能，使得傳感器采集數(shù)據(jù)顯示更加直觀(guān)(圖4)。

圖4 煤與瓦斯共采實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)Fig.4 Experimental monitoring platform for coal and gas mining

2 物理相似模擬實(shí)驗(yàn)

三維物理模擬相似實(shí)驗(yàn)選取山西某礦工作面為原型，根據(jù)物理相似模擬原則，設(shè)定1∶100相似比例的物理相似模擬方案，并按照工作面走向布置。根據(jù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)，工作面長(zhǎng)198 m，走向長(zhǎng)度2 025 m。根據(jù)該煤礦開(kāi)采深度周邊地質(zhì)環(huán)境，選取相似材料布置其內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)[17]。與此同時(shí)，相似實(shí)驗(yàn)采用一次采全高采煤法，頂板全部垮落法管理。

模型搭建過(guò)程中，其實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)部布置有100路壓應(yīng)力傳感器與72路氦氣傳感器，以此來(lái)監(jiān)測(cè)模擬開(kāi)采過(guò)程中覆巖應(yīng)力變化與瓦斯運(yùn)移數(shù)據(jù)。瓦斯放散模擬系統(tǒng)、模擬開(kāi)采系統(tǒng)、瓦斯通風(fēng)系統(tǒng)等模塊根據(jù)煤礦生產(chǎn)方案設(shè)定相關(guān)數(shù)值，并添加相應(yīng)的流量、濃度、應(yīng)力傳感器對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定進(jìn)行。最終實(shí)現(xiàn)了瓦斯開(kāi)采過(guò)程中采掘速度、瓦斯放散、通風(fēng)條件等參數(shù)的模擬，并完成200余路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步采集與測(cè)量(圖5)。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)傳感器與采集板卡Fig.5 Sensor and acquisition board on experimental platform

根據(jù)傳感器布置要求，將壓應(yīng)力傳感器布置于頂板上方。在其上方通過(guò)對(duì)瓦斯運(yùn)移數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分4層布置氣體傳感器，分別獲得不同高度下氣體濃度變化情況(圖6)[18-19]。

圖6 傳感器布置Fig.6 Sensor layout

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 采動(dòng)覆巖垂直應(yīng)力分布

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，采空區(qū)會(huì)隨著開(kāi)采的進(jìn)行發(fā)生垮落、離層、彎曲、下沉等過(guò)程。由此導(dǎo)致采場(chǎng)應(yīng)力發(fā)生改變，原有巖層內(nèi)部應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破。使得部分煤壁前方頂板出現(xiàn)垂直應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)，最終導(dǎo)致巖層內(nèi)部產(chǎn)生裂痕。該實(shí)驗(yàn)中結(jié)合煤礦實(shí)際開(kāi)采情況，利用各個(gè)系統(tǒng)對(duì)開(kāi)采速度、通風(fēng)參數(shù)、瓦斯放散等條件的實(shí)時(shí)模擬，獲得與煤礦真實(shí)開(kāi)采相似的物理仿真環(huán)境。實(shí)時(shí)同步采集埋設(shè)于其內(nèi)部的壓應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)，最終分析出不同開(kāi)采條件下的瓦斯應(yīng)力分布圖，可直觀(guān)展示隨開(kāi)采進(jìn)行，覆巖應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生的改變。圖7為本系統(tǒng)采集到的開(kāi)采至200 m處的壓應(yīng)力分布狀態(tài)圖，通過(guò)該圖可直觀(guān)獲取該狀態(tài)下的各個(gè)點(diǎn)位壓應(yīng)力狀態(tài)。

圖7 應(yīng)力分布(200 m開(kāi)采距離下的應(yīng)力分布)Fig.7 Stress distribution diagram(stress distribution diagram under 200 m mining distance)

煤層的持續(xù)開(kāi)采引起工作面周?chē)鷰r層應(yīng)力重新分布，并向采空區(qū)深部傳遞，造成底板不同程度破壞；采煤工作面的正常推進(jìn)過(guò)程中，采空區(qū)發(fā)生垮落。使煤炭開(kāi)采區(qū)域、采空區(qū)等范圍內(nèi)應(yīng)力發(fā)生改變，原有應(yīng)力狀態(tài)被改變，開(kāi)采工作面頂板周?chē)霈F(xiàn)垂直應(yīng)力集中區(qū)和卸壓區(qū)。通過(guò)分析不同位置處的應(yīng)力傳感器測(cè)量值，獲取不同位置下的集中系數(shù)(K，煤層現(xiàn)在應(yīng)力與原始應(yīng)力之間的比值)，對(duì)采動(dòng)過(guò)程中覆巖應(yīng)力變化進(jìn)行表征(圖8～9)。

圖8 推進(jìn)34～60 m時(shí)垂直應(yīng)力Fig.8 Vertical stress at 34～60 m advancement

從圖9可以看出，本系統(tǒng)準(zhǔn)確獲得了隨工作面推進(jìn)狀態(tài)下，支承壓力的動(dòng)態(tài)分布狀況。并針對(duì)采動(dòng)過(guò)程中的壓應(yīng)力變化影響區(qū)域進(jìn)行清晰展示。利用本采集系統(tǒng)從獲得直觀(guān)的支撐應(yīng)力變化三大區(qū)域，即，未受采動(dòng)影響區(qū)：工作面前70 m 以遠(yuǎn)，此區(qū)受采動(dòng)影響較小；采動(dòng)影響區(qū)：位于工作面前20～70 m 范圍；采動(dòng)影響劇烈區(qū)：位于工作面至工作面前20m 范圍。通過(guò)本系統(tǒng)的應(yīng)用，為裂隙演化研究提供了有效數(shù)據(jù)支持。

圖9 推進(jìn)154～180 m時(shí)垂直應(yīng)力Fig.9 Vertical stress at 154～180 m advancement

3.2 覆巖裂隙中卸壓瓦斯運(yùn)移規(guī)律

在工作面推進(jìn)過(guò)程中，按照相似比例設(shè)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中瓦斯放散參數(shù)。以此模擬開(kāi)采過(guò)程中的瓦斯放散情況，采集箱體內(nèi)部不同位置參數(shù)下的氣體傳感器，以此對(duì)箱體內(nèi)部各個(gè)區(qū)域瓦斯?jié)舛茸兓闆r進(jìn)行分析(圖10)。圖中可見(jiàn)，當(dāng)工作面推進(jìn)至200 m時(shí)，距離進(jìn)風(fēng)巷不同距離處瓦斯?jié)舛确植记闆r。

圖10 沿傾向方向工作面瓦斯分布Fig.10 Gas distribution in working face along the inclined direction

該實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變通風(fēng)方式(U/U+L型變換)，以期獲得不同通風(fēng)方式下的瓦斯?jié)舛确植紨?shù)據(jù)，以此對(duì)不同通風(fēng)方式下瓦斯?jié)舛茸兓闆r進(jìn)行研究。

從圖11可以看出，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有效獲取了距離工作面不同位置下的瓦斯?jié)舛确植记闆r。并對(duì)不同通風(fēng)方式下，通風(fēng)效率提供了有效驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析相一致，為大型物理相似模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集提供了一種新的方法。

圖11 不同通風(fēng)方式下瓦斯?jié)舛确植糉ig.11 Different ventilation methods on gas concentration distribution

4 結(jié) 論

1)同步數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)采用分級(jí)設(shè)計(jì)，并利用分布式數(shù)據(jù)采集與自建數(shù)據(jù)庫(kù)，搭建存儲(chǔ)單元、采集單元、顯示單元的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)了氣體及應(yīng)力200余路數(shù)據(jù)檢測(cè)和對(duì)瓦斯放散、通風(fēng)等控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制與檢測(cè)。

2)通過(guò)系統(tǒng)在大型三維物理相似模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的應(yīng)用，完成瓦斯放散的系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)采集，為物理相似模擬實(shí)驗(yàn)中的煤礦開(kāi)采中礦山壓力分布規(guī)律、卸壓瓦斯儲(chǔ)運(yùn)規(guī)律等提供有效的研究數(shù)據(jù)。

3)通過(guò)該系統(tǒng)，得到模擬煤礦工作面煤壁中距離進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)巷道9 m處傳感器位于峰值點(diǎn)。在傾向方向上應(yīng)力呈對(duì)稱(chēng)雙峰狀隨工作面接近測(cè)試位置，煤壁中應(yīng)力峰值呈逐漸增大趨勢(shì)，工作面中部以及工作面兩端頭應(yīng)力也逐漸增加，且工作面兩端頭應(yīng)力峰值大于中部應(yīng)力峰值。所得結(jié)果采用數(shù)值 模擬軟件進(jìn)行驗(yàn)證，其結(jié)果基本一致。