煤礦井下水情監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

張宏濤

（1.晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006；2.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

引言

煤礦突水是煤炭資源開發(fā)過程中的一種水文地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，對礦井安全生產(chǎn)造成了嚴(yán)重威脅。突水是一種復(fù)雜的、受環(huán)境和采動影響而導(dǎo)致的現(xiàn)象，其過程會出現(xiàn)一系列前兆：水壓會升高，涌水量會增大，滲透性和巖體應(yīng)力會發(fā)生變化。突水的發(fā)生機理、條件和嚴(yán)重程度都在隨著煤礦的開采方式、深度和工作面開采空間尺度的不同而改變，傳統(tǒng)的煤礦突水檢測技術(shù)由于存在超前預(yù)測和實時性差等缺點，已不能完全滿足安全生產(chǎn)的要求。

因此，為尋求更加準(zhǔn)確可靠的煤礦突水檢測技術(shù)，對全新的煤礦復(fù)雜環(huán)境下水害特征信息提取技術(shù)和數(shù)據(jù)融合預(yù)測理論的要求非常迫切。煤礦安全生產(chǎn)一直以來都嚴(yán)重受到水文地質(zhì)災(zāi)害的影響，尤其是地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井，水位檢測與控制更是生產(chǎn)中不可缺少的系統(tǒng)之一。因此實現(xiàn)高可靠性自動監(jiān)測控制，確保煤礦安全生產(chǎn)，具有非常大的市場需求量。煤礦水文分析及水害防治一直是礦井災(zāi)害防治的一項重要工作，國內(nèi)外學(xué)者針對此類問題開展了深入的研究。文獻［1］研究基于礦井水害的防治技術(shù)及系統(tǒng)性、動態(tài)性等特點，分析了礦井水害立體防治技術(shù)體系、構(gòu)成及立體性、技術(shù)體系性分類特點，按立體空間位置及軟件措施、危險程度及控制措施、系統(tǒng)的影響要素等特征進行幾種分類方法的論述，重點給出了影響因素分類系統(tǒng)中礦井地表水害防治技術(shù)子體系、地下水害立體防治技術(shù)子體系等分類、特點及適用范圍，論述了礦井水害發(fā)生的根本原因及構(gòu)建礦井水害立體防治技術(shù)體系的重要性。文獻［2，3］通過闡述依蘭礦區(qū)所具有的水文地質(zhì)條件和介紹近年來的危害，列舉了因為重視程度不夠，導(dǎo)致發(fā)生各種惡劣的工程危害，介紹了近年來水文地質(zhì)災(zāi)害，并結(jié)合水文地質(zhì)條件進行水患綜合治理，同時聯(lián)系水文地質(zhì)條件來綜合有效地治理水患，使人們認(rèn)識到水文地質(zhì)在煤礦開采中的重要性。文獻［4］介紹了我國煤礦水害的類型，有頂、底板突水、地表水涌入、老空水等問題。

因此設(shè)計能有效應(yīng)用于煤礦井下的所有工作環(huán)境，隨時采集最能直接反應(yīng)水文信息的變化的信息，最終達到水情實時監(jiān)控的目的，進而超前預(yù)測水文災(zāi)害，具有重要的意義。

1 煤礦井下水情監(jiān)測系統(tǒng)的功能

煤礦井下水情監(jiān)測系統(tǒng)為展現(xiàn)井下水情，具有實時監(jiān)測、遠程控制及異常報警功能。

1）煤礦井下水情監(jiān)測系統(tǒng)可監(jiān)測煤礦井下巷道積水水位、排水管道流量、排水管道壓力、排水泵運行狀態(tài)等運行數(shù)據(jù)。積水水位是監(jiān)測系統(tǒng)的主要監(jiān)測參數(shù)，通過對水位值的測量與顯示可實現(xiàn)對井下水情安全狀況的判別，同時，水位值的大小也是故障預(yù)警的主要評定參數(shù)，當(dāng)水位值的大小超過一定限度時，系統(tǒng)會發(fā)出報警信號提示工作人員。排水管道是井下積水排除的路徑，排水管道流量、排水管道壓力是反映排水管道狀況的重要參數(shù)，可通過流量、壓力的大小判斷管道狀況，保證排水路徑暢通。排水泵是煤礦井下排水系統(tǒng)的重要部分，只有排水泵工作正常才能保證正常排水，排水泵運行狀態(tài)反映排水泵的工作狀態(tài)，并可綜合上述參數(shù)判斷排水泵是否存在啟停故障，確保及時排水。

2）煤礦井下水情監(jiān)測系統(tǒng)可對上述監(jiān)測參數(shù)進行顯示，并可實現(xiàn)排水設(shè)備的自動控制。同時，系統(tǒng)可通過通信部分將監(jiān)測參數(shù)傳輸?shù)骄仙衔粰C進行集中監(jiān)測，并能對歷史數(shù)據(jù)進行記錄、查詢，同時上位機可對排水泵進行遠程手動控制。

3）煤礦井下水情監(jiān)測系統(tǒng)能對井下水情的異常情況進行報警。當(dāng)水位超過設(shè)定的上限值時，報警裝置會發(fā)出報警信號進行提示并指示地點；當(dāng)水泵啟動或停止故障時，系統(tǒng)會顯示故障類型并報警，指示故障點以便快速維修；當(dāng)檢測到排水管流量、壓力參數(shù)異常時，系統(tǒng)報警并指示故障點，方便快速檢修保證生產(chǎn)安全［1］。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 煤礦井下水情監(jiān)測系統(tǒng)功能框圖

2 煤礦井下水情監(jiān)測硬件系統(tǒng)設(shè)計

煤礦井下水情監(jiān)測系統(tǒng)通過各種傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄仙衔粰C進行遠程監(jiān)控，同時，現(xiàn)場參數(shù)要進行就地顯示并能靈活控制排水設(shè)備工作。煤礦井下水情監(jiān)測分站通過各種傳感器采集現(xiàn)場運行參數(shù)，并進行就地顯示，同時分站可根據(jù)水位值的高低按水位上限和水位下限自動控制排水泵的工作狀態(tài)，并可執(zhí)行主站的遠程控制命令。煤礦井下水情監(jiān)測分站主要由數(shù)據(jù)采集部分、顯示部分、通信部分、控制輸出部分組成。

2.1 單片機選型

井下水情監(jiān)測分站主控制器選擇新華龍C8051F040這款單片機，C8051F04x系列器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，具有64個或32個數(shù)字I／O引腳，單片機內(nèi)部集成了一個CAN2.0B控制器。真正10位、100ksps的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)。

2.2 水位傳感器

井下巷道積水水位的采集選用GUY1礦用水位傳感器，GUY1礦用水位傳感器選用特制的電纜線，將信號讀取出來，具有精度高、線性好等特點，采用進口的芯片組進行處理，芯片裝入不銹鋼殼體內(nèi)。GUY1水位傳感器敏感元件由特制電纜與隔離金屬頭（簡稱配重塊）組成，放入待測液體中，根據(jù)電容的大小與液位的高度成比例關(guān)系，將水位高度通過特制電纜轉(zhuǎn)換為電容值，再把電容值轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，微弱的電信號經(jīng)過放大器放大后送到A／D采集模塊，最后經(jīng)過傳感器處理芯片的運算處理后，輸出的液位高度用數(shù)碼管來顯示，同時輸出相應(yīng)的頻率信號。系統(tǒng)設(shè)計了電源保護及轉(zhuǎn)換電路，該電路輸入18V本安電源，通過電源極性識別電路，防止誤接線造成的短路事故，通過DC－DC模塊將18V降至5V為單片機及其外圍電路供電。系統(tǒng)設(shè)計中采用外部看門狗復(fù)位／存儲電路，保證傳感器正常工作。根據(jù)煤礦輸出信號要求利用單片機自帶PWM產(chǎn)生方法，設(shè)計了200～1 000Hz輸出電路，采用三極管功率放大實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸。GUY1水位傳感器經(jīng)12～24V直流電壓供電，可輸出頻率范圍的200～1 000Hz的頻率信號，分站通過頻率采集電路采集其輸出信號，經(jīng)換算進行顯示。在使用傳感器時，固定完成后應(yīng)先進行校準(zhǔn)操作，只有標(biāo)定出零點，傳感器才能正確測量。另外，傳感器特制電纜需盡量位于液體倉中間位置，嚴(yán)禁將特制電纜與地面、倉壁或者巷道壁等與大地直接導(dǎo)通的地方接觸，否則將嚴(yán)重影響測量精度。

2.3 開停傳感器

排水泵運行狀態(tài)通過KGT29煤礦用設(shè)備開停傳感器采集，KGT29煤礦用設(shè)備開停傳感器工作電壓為直流18V，將井下電器設(shè)備的開停傳感器狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電信號輸入到井下水情監(jiān)測分站。外殼上的指示燈表示狀態(tài)，通過發(fā)光光管的顏色來判斷傳感器的開、停狀態(tài)。KGT29煤礦用設(shè)備開停傳感器安裝之前應(yīng)先檢查所測設(shè)備的供電電纜須絕緣良好，然后把KGT29固定在這根電纜上。把KGT29的鋼制固定卡取下，套過電纜，插入KGT29的兩個固定孔中壓緊，再把螺釘擰好，KGT29可以繞電纜轉(zhuǎn)動，以找出最佳位置，如果電纜中流過的電流大于3A，原理上任何位置均可，但最好要避開周圍有強烈電磁場的場所。當(dāng)用電設(shè)備在關(guān)閉狀態(tài)時，供電電纜中無電流流過，傳感器呈高阻狀態(tài)。當(dāng)用電設(shè)備開啟后，傳感器感應(yīng)線圈感應(yīng)信號經(jīng)放大器放大，放大器輸出端有振蕩信號，功耗大大增加，傳感器是低阻狀態(tài)，工作電流增加到5mA左右，即可把設(shè)備的開停狀態(tài)變?yōu)殡娦盘枴GT29加電后，如果被測設(shè)備處于停機狀態(tài)，紅色發(fā)光管亮；當(dāng)被測設(shè)備運轉(zhuǎn)啟動后，綠色發(fā)光管亮［2－3］。

2.4 壓力傳感器與流量傳感器

壓力傳感器選用GPD10（A）壓力傳感器，該傳感器為礦用本質(zhì)安全型，煤礦井下有甲烷爆炸性混合物，但無破壞絕緣的腐蝕性氣體的場合，供電電壓為直流18V。GPD10（A）將壓力值轉(zhuǎn)換為200～1 000Hz頻率信號輸出，通過分站的頻率量采集電路對其進行采集，并換算出頻率值進行監(jiān)測。

流量傳感器選用GLW80流量傳感器，該傳感器采用直流12～24V供電，將流量值轉(zhuǎn)換為頻率信號輸出，通過分站的頻率量采集電路進行采集，并經(jīng)對應(yīng)換算得出頻率值［4］。

3 結(jié)語

煤礦井下水情監(jiān)測系統(tǒng)通過對煤礦井下巷道積水水位、排水管道流量、排水管道壓力、排水泵運行狀態(tài)等運行數(shù)據(jù)的采集，對排水設(shè)備的遠程控制，實現(xiàn)了對煤礦井下水情的井上實時在線監(jiān)測及排水遠程控制，保證了煤礦井下的生產(chǎn)安全。

［1］ 張志龍，高延法，武強，等.淺談礦井水害立體防治技術(shù)體系［J］.煤炭學(xué)報，2013（3）：378－383.

［2］ 趙昌.水文地質(zhì)在煤礦開采中重要性的認(rèn)識［J］.科技傳播，2011（18）：55－56.

［3］ 劉秀敏.淺析水文地質(zhì)在煤礦開采中重要性的認(rèn)識［J］.黑龍江科技信息，2010（6）：20.

［4］ 那光磊，呂振繪，任申.淺析我國煤礦水害［J］.能源技術(shù)與管理，2011（3）：108－109；135.