井下液壓支柱支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪澤洲 唐 翔 楊 軒 田傳耕

（1.安徽理工大學(xué)電氣學(xué)院，安徽 淮南 232000；2.徐州工程學(xué)院信電學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

0　引言

目前，山東科技大學(xué)研制的煤炭頂板液壓支架壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了這方面的研究。基于液壓支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井上計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。但液壓支架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采取的是有線的監(jiān)測(cè)方式，有線網(wǎng)絡(luò)壓力檢測(cè)方式存在檢測(cè)點(diǎn)少且隨開采工作面的推進(jìn)、移架、升降架等操作導(dǎo)致系統(tǒng)布線復(fù)雜、系統(tǒng)布線易被扯斷等缺陷。而液壓支柱僅僅實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方式，未構(gòu)成液壓支柱的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系，基于無線液壓支柱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)還未成熟。為此，文中利用模型預(yù)測(cè)來預(yù)測(cè)井下支護(hù)的可靠性和使用壽命，以此判斷井下支護(hù)是否安全。

在實(shí)現(xiàn)井下支護(hù)狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，有效地利用監(jiān)測(cè)狀態(tài)信息，分析和預(yù)測(cè)井下工作面頂板狀態(tài)的顯現(xiàn)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)工作面頂板災(zāi)害的前兆預(yù)警，將工作面頂板的安全控制與災(zāi)害防治提升到新的層次。

1　井下液壓支柱支護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本文所述的井下液壓支柱安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖，如圖1所示。井上部分主要由服務(wù)器、交換機(jī)、地面工控機(jī)和配套軟件系統(tǒng)構(gòu)成；井下部分由壓力無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)(Sink)節(jié)點(diǎn)組成，井下部分是一個(gè)典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.1　井下監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)思路

無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)主要包括壓力無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)(Sink)節(jié)點(diǎn)。其中無線檢測(cè)節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)采集前端，直接決定采集數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確性，以及采集的數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定。該節(jié)點(diǎn)組成部分有新型壓力傳感器，本安電池，CC2530通信芯片等。

圖1　井下支護(hù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

（1）壓力傳感器采用新型定制壓力傳感器，最大承壓達(dá)到80MPa。該傳感器前端是承壓彈片，后端為調(diào)理電路。測(cè)量時(shí)壓力計(jì)前端貼片微弱形變產(chǎn)生微小的電信號(hào)，信號(hào)通過放大電路，通過單片機(jī)處理測(cè)量。

（2）無線通信芯片采用 CC2530芯片，CC2530芯片是由 TI公司制造的，芯片支持ZigBee數(shù)據(jù)傳輸，通過使用Z-STACK協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有高效性和安全性。

（3）壓力檢測(cè)時(shí)，對(duì)應(yīng)每一個(gè)液壓支柱，有一個(gè)此壓力傳感器，可以根據(jù)用戶的需要，在注液結(jié)束以后，使用設(shè)計(jì)的新型取樣口，從液壓支柱的注入管中安裝一個(gè)壓力傳感器，傳感器中有一個(gè)頂針可以有效地頂開三用閥中的頂針，使液壓支柱里的液體可以流入到腔內(nèi)，可以有效地測(cè)量出壓力，并顯示在數(shù)字顯示屏上。根據(jù)用戶需要，可以將數(shù)字通過無線的方式傳送給發(fā)成的計(jì)算機(jī)，得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖2　三用閥接口（取壓接頭）結(jié)構(gòu)剖面圖

2　井下液壓支柱支護(hù)系統(tǒng)安全預(yù)警體系

2.1　模型體系

多模型建模分為數(shù)據(jù)集的收集、建立子集和模型輸出數(shù)據(jù)。基于井下液壓支柱的分布，設(shè)計(jì)了預(yù)警框架，如圖 3所示。

圖3　井下模型構(gòu)架

綜合液壓支柱壓力、壓力計(jì)的壓力傳感器和上位機(jī)收集的數(shù)據(jù)，分別得到是U1、U2和 U3,形成 3個(gè)子模型：液壓支柱子模型、壓力計(jì)子模型和頂板層子模型[1]。

預(yù)測(cè)過程如下：首先利用聚合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法（EEMD）[2]對(duì)井下巖石監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模態(tài)分解然后，針對(duì)各子模型自身特點(diǎn)，模擬預(yù)測(cè)的值使用向量機(jī)（SVM），并用單整自回歸移動(dòng)平均模型（ARIMA）預(yù)測(cè)，對(duì)子模型所得的數(shù)值重新構(gòu)成模型預(yù)測(cè)值：S1，S2，S3。最終通過傳感器的數(shù)值將三個(gè)傳感器的數(shù)值進(jìn)行歸一化信息融合處理，研究液壓支柱動(dòng)態(tài)規(guī)律，分析預(yù)測(cè)數(shù)值結(jié)果，為液壓支柱安全監(jiān)控系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

2.2　信號(hào)的EEMD分解

通過公式Cij作為非線性信號(hào)，rn(t)作為為線性信號(hào)作為干擾。

2.3　SVM多模型輸出

預(yù)警模型中SVM法一般不能直接用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來作為預(yù)測(cè)樣本，通過累加各子模型預(yù)測(cè)結(jié)果得到的預(yù)測(cè)值。

同理得到 U2和U3。

2.4　預(yù)測(cè)模型ARIMA

式中：d為差分階數(shù)，p為自回歸階數(shù)，q為移動(dòng)平均階數(shù)，和為模型待定數(shù)。經(jīng)過d階差分處理后，yi轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)、正態(tài)、0均值的平穩(wěn)序列 yi。

2.5　實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果

為了得到液壓支柱的壓力數(shù)值，從上位機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)統(tǒng)計(jì)界面，可以實(shí)時(shí)得到各個(gè)壓力計(jì)的數(shù)值，并可以排序。經(jīng)過實(shí)地測(cè)量，可以得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)柱形圖。如圖4所示。并可以查閱歷史數(shù)據(jù)，如圖5所示

圖4　液壓支柱壓力數(shù)值

圖5　液壓支柱壓力數(shù)據(jù)查詢

3　結(jié)論

本研究通過監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)頂板安全預(yù)警，井下液壓支柱頂板狀態(tài)通過綜采工作面支柱收集實(shí)時(shí)壓力信息，巷道圍巖狀態(tài)監(jiān)測(cè)通過離層儀和超前壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。各傳感器將監(jiān)測(cè)到的各種數(shù)據(jù)，通過多模型軟件預(yù)測(cè)礦山壓力分布的情況，提高預(yù)警能力。

【參考文獻(xiàn)】

［1］孫建平,苑一方.復(fù)雜過程的多模型建模方法研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2011,32(1)：132-137.

［2］Helske J,Luukko P.Ensemble Empirical Mode Decomposition(EEMD)and Its Complete Variant (CEEMDAN)[J].International Journal of Public Health,2015,60(5)：1-9.

［3］王明陽,周一宇,姜文利,等.固有模態(tài)函數(shù)(IMF)積檢測(cè)器——以低信噪比情況下超寬帶雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)為例[J].宇航學(xué) 報(bào) ,2006,27(s1)：75-78.

［4］邵華平,覃征,游誠(chéng)曦.SVM算法及其應(yīng)用研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(1)：104-106.

［5］張曉光,景曉軍,陳志國(guó)等.基于 Zigbee的低功耗無線頂板壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].煤礦安全,2013,44(5)：130-133.

［6］陳斯,趙同彬,高建東,等.基于 ZigBee的綜采工作面頂板壓力無線檢測(cè)系統(tǒng)[J].煤礦開采,2011,16(20)：107-109.

［7］孫繼平.煤礦物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2011,36(1)：167-171.

［8］李凡甲,徐釗,田傳耕,等.基于 WSN的煤礦井下人員定位系統(tǒng)防碰撞算法的研究[J].工礦自動(dòng)化,2009,1(1)：7-12.