基于传感检测的煤矿巷道矿压现场监测系统的设计

白国富

（中煤科工集团北京华宇工程有限公司矿山工程二所，北京 100032）

随着我国对煤矿资源开采力度的加大，在煤矿的开采中出现的煤矿井下坍塌事故时有发生，因此，煤矿巷道矿压监测就显得尤为重要。在保证不影响煤矿正常开采的基础上，设计一套煤矿巷道矿压现场监测系统，是整个煤矿开采行业迫在眉睫的事情。

1 煤矿巷道矿压现场监测系统整体设计

煤矿巷道矿压现场监测系统以监测支架防护、巷道稳固度等参数为目的，可以为煤矿巷道设计和维护人员提供一定的理论支撑。该系统应具备实时监测和分析功能，能够准确地将数据信息发送至控制终端，实现实时、动态的煤矿巷道矿压监测，保证设计和施工的安全进行。煤矿巷道矿压现场监测系统主要用于煤矿顶板压力的监测和分析，系统可以对顶板围岩离层、锚杆载荷和支架阻力等进行监测。

1.1 煤矿巷道矿压现场监测系统工作原理

控制系统接收传感器采集到的压力信号，由控制系统进行处理和分析，然后通过屏幕或其他显示器进行实时的显示、存储，监测人员则可以根据显示的信息实时了解巷道矿压情况。煤矿巷道矿压现场监测系统包括PC机、传输适配器和嵌入式控制系统。其中，PC机接收传输适配器收到的信号，然后通过分析后实时进行显示。传输适配器安装在煤矿巷道下面，其为数据接收接口，可以接收地下煤矿巷道中嵌入式系统的数据。该适配器采用RS485网络通信接口，可以实现和PC间20km的超远信息传输。根据煤矿巷道分布，会设计多个监测点，然后由嵌入式系统采集各个监测点的传感器信息，汇总到传输适配器，由其送给PC机。嵌入式控制系统硬件设备包括嵌入式控制器、传感器的铺设、数据信号处理和转换等模块，软件则是负责数据的采集和统计。

1.2 煤矿巷道矿压现场监测系统监测方案

通过对某煤矿工作面的煤层特点、地质特性、采空区状态以及降雨情况的研究，煤矿巷道矿压现场监测系统以工作面300m范围内的巷道作为测试点，布置传感器。

煤矿巷道矿压现场监测系统一共设置了三组测试站，三组分别距离工作面100m、150m和300m，其中，每一组包括顶板围岩离层、锚杆载荷和支架阻力三组传感器。煤矿巷道矿压现场监测系统监测方案如图1所示。

图1 煤矿巷道矿压现场监测系统监测方案

2 煤矿巷道矿压现场监测系统硬件设计

基于传感检测的煤矿巷道矿压现场监测系统结合计算机、嵌入式、传感器、光纤通信等多种技术，实现煤矿上方为地下煤矿巷道的矿压监测。煤矿巷道矿压现场监测系统整体设计如图2所示。

图2 煤矿巷道矿压现场监测系统整体设计

2.1 压力传感器的选择

煤矿巷道矿压大、噪声强，一般的传感器干扰较强，且容易被损坏，因此，本文选择光纤光栅传感器，测量煤矿巷道压力。光纤光栅传感器由纤芯、包层、涂覆层、增强纤维和外部保护套等五部分组成，纤芯是其核心部分，负责信号的传递，其他则起到保护纤芯的作用。

2.2 嵌入式控制模块

工业自动化和控制应用需要具有高可靠性以实现连续运行，并能够检测和预防潜在的危险状况。基于可靠性高、功耗低、传输速度快、距离远以及经济性的考虑，本文地下控制系统采用TI公司的16位的MSP430F413单片机为控制核心，主要包括LCD显示、电源、数据采集、RS485通信、IV转换等模块。MSP430F413 MCU按照IEC61508安全标准开发而成，在硬件中集成了安全功能，可以快速检测出可能的故障模式，适用于多种工业应用平台。MSP430嵌入式控制模块方案框图如图3所示。

图3 MSP430嵌入式控制模块方案框图

2.3 I/V转换电路

采用如图4所示的I/V电路将光纤解调仪的电流信号转换为电压信号。

图4 I/V转换电路

该I/V转换电路采用LM324运算放大器，可以将光纤输入的4～20mA电流转换成0～5V电压值。

3 煤矿巷道矿压现场监测系统软件设计

MSP430F413单片机软件主要包括通信分站主程序、IRQ中断程序、光线数据采集和显示电路四个部分。其中通信分站主程序如图5所示。

如图5所示，系统启动后，首先进行I/O的初始化，接着进行系统的自检，判断系统clk、USART、USART、通信等是否工作正常。RS485通讯程序实现和PC之间的数据的传输，接收PC机的请求，并发送应答。程序定义一个64字节的数据缓存区用来存放接收到的数据或命令，循环判断485接收标志位是否置1，如果置位，说明有数据存入缓存器，进行下一步处理。

图5 通信分站主程序图

4 结论

本文针对煤矿巷道矿压检测等问题，结合计算机、嵌入式、传感器、光纤通信等多种技术，提出了一种基于光纤光栅传感器的煤矿巷道矿压现场监测系统，并从软硬件两方面进行了设计，实现了煤矿上方与地下煤矿巷道的矿压监测，为煤矿的安全生产提供了保障，具有重要的现实意义。