采煤工作面顶板灾害监测系统的应用

付东波，徐 刚，毛德兵，秦海涛，孙学波

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013)

煤矿灾害中，顶板事故对矿井的建设、安全生产危害性极大［1－2］。目前我国煤矿整合力度逐渐加大，顶板控制技术逐渐增强，然而顶板事故并未减少，除了高强度回采工作面增多、对西部矿区煤层矿压特点缺乏了解外，最主要的原因是生产过程中缺少监测或用监测数据预警顶板灾害。我国矿压监测系统或顶板监测系统及成套技术比较成熟，但是普遍存在几个问题:一是采样间隔时间长，仅能满足安全监控系统30s巡检周期的要求，不能及时捕捉顶板及支护体状态;二是没有对监测数据进行深入专业的分析，不能形成顶板灾害预警指标。目前的技术仅仅实现了监测系统的数据采集和通信，由于对矿山压力和顶板活动规律缺乏专业、深入的研究，系统不能实现真正意义上的连续监测，因此不能准确、真实地反映顶板安全状况，更无法进行顶板灾害的预警。

本文着重实现矿压数据的自动分析和灾害预警，而研发煤矿顶板灾害监测系统。被测量参量主要包括支架工作阻力、工作面超前支承压力、煤体受力、巷道顶板离层、锚杆锚索受力等，该系统通过传感器采集应力、应变、位移等参数，由监测分站及传输网络传输到地面服务器，通过预设的计算方法和数学模型计算预警指标，结合煤矿工作面开采条件，实现采煤工作面顶板灾害的预警。

1 系统结构

顶板灾害监测系统属于矿井监控系统，其结构可划分为3个层次:设备层、传输层和管理层。系统结构如图1所示。

设备层是系统在井下布置的节点，主要包括传感器和分站。在工作面，系统采用压力传感器采集液压支架工作阻力，监测顶板来压。在巷道，系统采用压力传感器采集煤岩体应力、锚杆锚索载荷等信息，采用位移传感器采集顶板下沉位移值。这些传感器通过总线方式与分站连接，并共同构成系统的节点。节点设备通过传输层把数据传输给地面管理层，由管理层主机分析和处理采集到的数据。

系统传输层采用CAN总线进行数据传输，具有较高的稳定性和可靠性。

系统管理层的地面主机一般选用台式计算机，双机或多机备份，主要用来接收监测信号，进行数据显示、人机对话、专业计算、统计分析、生成日报表、灾害预警、与管理网络连接等;管理工作站或局域网终端一般设置在矿长、总工或矿压科室，以便随时了解矿井顶板灾害监测状况;数据服务器是主机与管理工作站及网络其他用户交换监控信息的数据仓库。

图1 顶板灾害监测系统结构

随着网络技术的发展，在基于CAN总线的顶板灾害监测系统的基础上开发了基于千兆光纤以太环网的监测系统，基于环网的监测系统设备层仍然以分站和传感器为节点，传输层的主干网络为基于千兆光纤环网交换机的以太网，在节点不能直接连到环网的地方，如工作面、掘进巷道等，通过CAN总线接入环网。管理层则包括中心交换机和服务器 (主机)等设备。同时，顶板监测系统也研究了能够直接接入矿上已有环网的系统的无缝转接技术，使得系统监测数据能够以先进的、快捷的方式送入中央服务器和应用决策层，为指导安全生产提供依据。

2 系统特点

2.1 传感器

顶板灾害监测系统传感器设计上具有突出的特点。首先，顶板灾害监测包括支架工作阻力、顶板下沉量、锚杆锚索载荷以及煤岩体的受力等物理量的测量，传感器设计完全满足顶板灾害监测物理量的物理接触要求。其次，压力传感器采用溅射薄膜压力传感器，这种传感器是利用薄膜技术直接在应变体上制作应变电桥的一种一体化敏感元件，即在高真空度中，利用离子束溅射技术，将绝缘材料、电阻材料、焊接材料以分子形式淀积在弹性不锈钢膜片上，形成分子键合的绝缘薄膜、电阻材料薄膜及焊接金属薄膜，并与弹性不锈钢膜片融合为一体。在弹性不锈钢膜片表面上形成牢固而稳定的惠斯顿电桥。当被测介质压力作用于传感器膜片时，位于另一面的惠斯顿电桥则产生正比于压力的电输出信号。最为重要的是，传感器采样采用定时定值模式，采集迅速准确、数据量易于控制。

2.2 监测分站

顶板灾害监测系统监测分站的作用是采集传感器数据，并通过总线与地面主机进行数据通信。监测分站的主要特点是:

(1)监测分站通过总线能够连接不同类型的传感器，使传感器的布置安装更加灵活和简便，不受限制。

(2)监测分站实现了数据传输的智能化要求。分站和地面主机定时进行心跳信号提示，当分站接收到心跳信号时，上传数据;若无心跳信号则存储该数据，并加入采样时间;当恢复心跳信号时，首先上传存储的历史数据。另外，地面主机定时给分站下发时钟校正指令，防止分站时钟出现偏差。同时，监测分站备有U盘存储，作为数据备份。

监测分站的控制器结构如图2所示。控制器主要包括单片机系统、电源管理部分、存储部分、一级总线控制电路和二级总线控制电路。单片机选用51内核AT89C51CC03。

3 传输网络

如前所述，顶板灾害监测系统有其不同于矿井安全监控系统的特点，在井下重新布线或调整已有电缆较为困难;另外，顶板灾害监测系统监测的物理量，如煤岩体应力、锚杆锚索载荷、顶板下沉等，多数是缓慢的连续变化的参量，对数据传输速率要求不高，但是一旦监测结果报警，可能会发生严重的动力灾害，因此必须实时监测。针对以上特点，传输层现场总线选用CAN总线解决方案。

图2 监测分站控制器结构

图3 CAN总线收发器的电路原理

(1)CAN总线收发器采用嵌入式模块，保证CAN总线的通讯质量，有利于系统的扩展。

(2)通讯速率设置为可调，以降低通讯速率来保证10km以上的数据传输距离。

(3)针对不同矿井，CAN总线通讯线路需要调节匹配电阻，保证分支部分正常通讯。

一般来说，CAN总线在分支或分叉处要进行特殊的处理［3－4］，CAN总线系统主要通过2种方式解决:一是在监测节点和中继器内部嵌入CAN总线收发器，增强数据传输质量;二是在中继器中增加匹配电阻，延长总线分支部分的通讯距离。CAN总线收发器的电路原理如图3所示，通常CAN总线的收发器由芯片6N137，82C250和外围电路组成。CAN收发器增加了三极管S3904的发送信号钳位电路和由74LS00组成的接收信号抑制电路，从而保证信号传输的质量。在研制CAN总线进行独立传输的基础上，研制成功工业以太环网传输方式。网络采用无主机设计，不仅可以服务于顶板灾害监测系统，其他监测系统如安全监测、工况监测、设备监测、环境参数监测，都可以接入。网络接入模块根据接入设备的通信方式选择。

4 系统软件设计

顶板灾害监测系统软件主要包括实时数据设置、实时数据显示、数据查询和分析预警等功能，软件显示分为本地显示和远程显示。系统软件结构如图4所示，软件通过系统传输上的数据保存到数据库中，采用Line方法绘制实时显示井下各传感器的数据。可以通过SQL查询某一时间段数据，并通过矿压分析顶板灾害发生的可能性。应用软件在Visual Studio 2005编程环境下设计，采用ASP.NET(C#.Net Framework2.0)基于Active Data Objects的数据库访问接口技术，建立与数据库的通讯连接、执行T－SQL。应用程序对数据库的操作，在通过执行T－SQL查询语句生成的结果集上执行。

图4 系统软件结构

5 现场应用

伊泰集团某煤矿6上105－2工作面采用放顶煤开采，工作面采用四柱支撑掩护式支架。工作面顶板灾害监测系统数据从2011年4月7日开始上传，此时工作面已推进了112.3m，从开采至4月22日期间，工作面推进了182m，共发生了8次较大的来压，来压时工作面有飓风，工作面大部分支架顶梁穿透，对工作面生产造成了较大的影响。

根据顶板灾害监测系统软件的分析发现，该工作面支架初撑力较低，ZF15000/26/42型支架额定初撑力为12818kN，实际工作面平均初撑力如表1所示。从表中可以看出，实际初撑力不到额定初撑力的50%，一般在40%左右。

表1 工作面支架实际初撑力

根据软件的数据处理和分析发现，除了初撑力、前后柱受力不均、安全阀开启频率、工作面推进速度等是导致发生顶板灾害的重要因素。因此在软件中设置上述参量超限的预警值。

同时，为了提高监测的准确性，于2011年5月15日增设了测点，保证工作面从10号支架开始，每隔5架均布安装1台压力传感器，同时进行重点支架重点监测。

完善监测系统后，系统根据支架工作阻力数据自动分析出各项参数，与预警指标进行比对，并进行预警。根据不同的预警，有针对性地采取措施。6上105－2综放工作面开采初期，在4月14日、15日和22日发生过大面积来压，采用该系统加强观测和预警后，采取针对性措施，工作面恢复了正常生产，其后仅在2011年10月21号发生了较小的来压。

6 结论

(1)系统在设计上采用设备层、传输层和管理层的3层结构。结构清晰，每层设备都具有兼容性和扩展性。

(2)系统的传感器结合被测物理量的要求，充分考虑煤矿井下的环境条件，利用离子束溅射技术实现压力传感器的高精度可靠测量。传感器采样采用定时定值模式，采集迅速准确、数据量易于控制。系统在监测分站的研发中采用智能化设计，通过总线连接不同类型的传感器，并与地面主机定时进行握手对时、备份数据。

(3)系统的传输网络为既能够采用光纤以太环网传输，也能够单独使用现场总线传输。现场总线CAN的收发器采用嵌入式模块，保证CAN总线的通讯质量，有利于系统的扩展，通讯速率设置为可调，无中继情况下数据传输距离达到10km。

(4)系统软件设计在基本的数据列表图形显示功能的基础上，通过预设的计算方法和数学模型计算预警指标，结合煤矿工作面开采条件，实现顶板灾害的预警。

［1］毛德兵，蓝 航，徐 刚.我国薄煤层综合机械化开采技术现状及其新进展［J］.煤矿开采，2011，16(3):11－14.

［2］国家煤矿安全监察局.“十一五”期间全国煤矿事故分析报告［R］.北京:国家煤矿安全监察局，2010.

［3］付东波.基于uCAN总线的矿山压力监测远程传输解决方案［J］.煤矿开采，2010，15(4):121－124.

［4］孙继平.矿井安全监控系统［M］.北京:煤炭工业出版社.