煤矿采空区压力监测系统的设计与实现

王海燕

摘要：煤矿工作面采空区作为采煤工作完成后的遗留区域，随着顶层应力及地下水渗透等作用会逐渐垮塌，严重时会引发煤矿冲击地压等次生灾害，该文设计了一种压力传感器及在线实时监测系统，以达到采空区压力实时监测及预警分析的目的。

关键词：煤矿采空区;传感器; 数据采集;实时监测

中图分类号：TP311      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）28-0074-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 引言

我国煤炭开采主要采取井下开采的方式，露天开采只占每年开采总量的一小部分。煤炭开采破坏了原始的地层结构[1]，煤炭开采完成之后遗留区域形成采空区，由于采空区上方的隔水层被破坏，导致采空区内由大量积水，若进行煤炭开采时破坏了采空区的密封带，则很容易引发矿井突水事故[2-3]。采空区会引起矿柱变形、岩移及地表塌陷等地质灾害，空区突然垮塌会造成人员伤亡和设备破坏[4-5]，给煤矿安全生产、矿工生命安全构成严重威胁。部分煤矿采用充填开采技术对采空区采用覆岩离层注浆方法对采空区进行加固[6]对采空区进行监测预警对矿山的地压灾害予以提前预警预报，有利于矿山企业提前采取应对措施，避免灾害性事故发生。目前，对采空区的探测方法，美欧等发达国家以地球物理勘探为主，而我国目前以工程钻探为主，地球物理勘探为辅，本文研究并设计了一种基于传感器的采空区压力实时监测系统，利用压力传感器采集采空区压力数据并通过井下以太网传输到地面计算机实现实时监测采空区压力变化曲线，利用曲线走势分析及预测采空区应力变化。

2压力监测系统框架

2.1 总体设计

采空区压力实时监测系统包括数据采集、数据传输、数据分析3个部分，系统结构如图1所示。数据采集部分主要通过在刚采完煤的采空区布置压力传感器，顶层受压以后压力传感器产生压力数据，传感器通过485总线连入就近的分站转为以太网信号接入井下交换机。数据传输部分包括井下千兆工业以太网、由485中继器、光电转换器、信号电缆、光纤等构成。数据分析主要包括地面控制计算机，计算机将收到的压力数据根据协议进行转换、存储、数据显示、图表曲线生成等。

2.2 传感器设计

根据采空区压力数据采集需求，传感器和岩层接触面尽可能大，传感器采集前端采用椭圆形设计方案，如图2所示，机械厂根据设计图纸加工制作椭圆饼形容器，内置水或油等液体物质，通过容器螺纹接口装配压力变送器。压力传感器通过变送器采用485转232连接至计算机，样品制成后将传感器放置在锻压机下持续压扁传感器直至爆裂，读取此时计算机压力变送器的最高数值，反复改进工艺使传感器负载量程达到煤矿采空区工作压力。

2.3 数据传输

在井下开采工作面采空区不同位置放置三台传感器，为防止采空区落石将传感器或者线缆砸断，需要对传感器压力变送器部分和线缆部分做特殊防护防止被落石砸烂、砸断;通过PROBUS总线接入到分站，井下信号电缆受空间限制常与动力电缆同路布置，信号干扰大，尤其长距离传输时信号会稳定性不佳，此时需要在分站内安装485中继器，再通过串口服务器将485信号转换为以太网信号，通过网线接入就近的环网交换机，通过井上/井下环网信号传输到调度室计算机，通过串口服务器虚拟串口设备，编写软件程序解析传感器协议数据完成数据采集及功能分析。

3系统关键技术实现

3.1 系统开发架构设计

本系统开发平台采用VS.NET2019和SQL SERVER2014组成，采用B/S模式，客户端软件主要负责数据页面显示及图像、曲线、报表查询等，SQL SERVER数据库存储从井下传感器接收到的数据，并记录一些操作日志文件。系统采用菜单化设计，分为用户管理、传感器设置、预警参数设置、预测云图生成、历史数据查询等菜单项;每个菜单分别针对所需实现的功能设计界面，系统框架图如图3所示。

3.2 数据采集

数据采集是本系统最基础的功能，也是本系统开发的技术难点，只有在采集到井下分站数据的前提下软件的功能才能发挥作用。软件向通信端口发送数据请求命令，传感器收到请求命令后，提取实时数据即时做出响应，计算机收到响应命令，根据数据帧的帧头、校验帧判断传感器返回的数据帧是否正确，如果数据帧完整且正确提取数据部分分析、进制转换、存储到数据库及显示到数据界面，完成传感器数据井下/井上网络传输的实时监测功能，系统时序图如图4所示。

3.3 软件设计

数据库用作存储采集到的传感器数据，本设计中数据库用到表、视图、存储过程、触发器等，表与表之间通过设置主键、外键连接所对应的字段内容，多个表之间复杂查询如左连接、右连接等建立相应的视图提高软件执行SQL语句的效率，存储过程用于用户登录验证以及一些业务逻辑关系编程，数据结构E-R图如图5所示。

数据解析完成后可以在软件界面上实时显示[13同时调取数据库存储的历史数据做曲线图表。本软件系统分为系统管理、参数设置、实时数据、历史数据等四个模块。系统管理模块包含用户管理和密码设置，用于实现管理用户增删、密碼修改等;参数设置模块包含工作面设置、传感器设置、通信参数设置，用于实现设置传感器所处工作面名称、增删传感器以及通信采集周期等;实时数据模块包含实时数据和实时曲线，用于实现实时显示井下传感器的数值信息以及曲线走势图表并利用插值算法软件实现预测云图;历史数据模块包含历史数据和历史曲线，用于实现基于起止时间段的历史数据查询和历史曲线，历史数据支持导出到Excel或者pdf，系统界面如图6所示。

4 结束语

煤矿采空区压力监测系统的开发，可以对采空区域垮塌后实现实时在线压力监测，改变了采煤完成后形成的采空区无压力监测的现状，对于采空区后续压力变化可以实时跟踪并根据 压力趋势曲线图分析预判采空区附近区域应力变化，预防次生灾害的发生。

参考文献：

[1] 郝海红.采空区灾害综合防治分析[J].能源与节能，2020（11）：25-26.

[2] 杜军.采空区瓦斯抽采高位钻孔施工技术及发展趋势探析[J].能源与节能，2020（3）：90-91.

[3] 王大伟.矿井通风瓦斯治理探究[J].能源与节能，2020（2）：17-18.

[4] 王东昊，李文，张彬.煤矿采空区失稳灾害防控技术研究现状及展望[J].煤矿安全，2020，51（3）：188-193.

[5] 齐鹏.煤矿冲天开采技术的相关探讨[J].当代化工研究，2020（16）：61-62.

[6] 李文进.煤矿采空区地震反射特征研究——以张集煤矿为例[D].北京：中国地质大学（北京），2019.

【通联编辑：光文玲】