煤礦水文監測系統的設計

李 磊 ，張 強

（1. 晉煤集團技術中心，山西 晉城 048006；2. 山西晉煤集團技術研究院有限責任公司 ，山西 晉城 048006）

0 引言

礦井水文地質信息工程是礦山生產中直接影響煤礦安全、投資巨大的一項浩大工程。建立多參數水文動態監測系統的目的是通過對礦井水位、水壓、水溫、流量的監測，及時對水害的發生做出評估和預警，避免水害的發生，保障煤礦的安全生產。它一方面可以自動采集煤礦的各種水文數據并實時顯示，另一方面可以系統的管理礦井水文資料。因此礦井水文監測系統在煤礦水文地質方面具有廣闊的應用前景，它可以及時掌握礦井地下水的動態，為保障煤礦的安全和正常生產起到重要作用，同時也為煤炭企業實現信息化和現代化起到積極的作用。

1 系統總體設計

圖1 系統結構圖

本系統主要由水壓監測儀、明渠流量傳感器、管道超聲波流量傳感器和通訊分站組成，各傳感器將采集的不同類型的數據傳輸給通訊分站，通訊分站接收到各個傳感器的數據后，進行數據匯總，并在顯示屏上循環顯示，同時將數據上傳至地面上位機[1]。本系統結構圖如圖1 所示。

2 通訊分站設計

通訊分站是水文監測系統通信的一部分，作為數據通訊的轉接站。通訊分站實現井上計算機與井下各監測點的交互通信，完成計算機對井下數據的采集。

通訊分站實現以下功能：

與井上計算機通信：接收主機命令、發送各監測點數據包、保存設計參數。

與傳感器通信：發送命令、接收各監測點數據并保存。

本地顯示：循環顯示各監測點數據。

通訊分站工作原理如圖2。

圖2 工作原理

通訊分站使用雙CPU 架構，一個CPU 與井上計算機通信，另一個CPU 與井下傳感器通信。當通訊分站接收到計算機發送的讀取數據命令，則打包內存數據并發送數據到計算機；同時通訊分站循環發送傳感器地址，讀取監測點實時數據并保存至共享內存，本地顯示各監測點實時數據[2]。

3 明渠流量傳感器設計

明渠流量傳感器作為礦井水文監測系統的一部分，實現對煤礦井下明渠流量的實時監測。其主要原理為用水位傳感器測得液位高低，再根據國際通用的液位- 流量公式將液位轉換為流量。明渠流量傳感器原理圖如圖3 所示。

明渠流量傳感器具有自動測量明渠/ 水倉的水位并輸出200～1000 Hz 的標準頻率信號。水位傳感元件放于水下，通過傳感元件計算當前的水壓大小，根據水壓與水深的對應關系，計算出當前傳感元件所在水位的大小。

圖3 明渠流量傳感器原理圖

圖4 液位- 流量關系

明渠內的流量較小時，液位較低；流量較大時，液位較高，如圖4 所示。一般情況下，渠道的液位與渠道的流量沒有固定的對應關系。因為在水的深度一樣的條件下，不僅渠道的橫截面積對流量有影響，渠道的坡度以及渠道的粗糙度也會對流量產生影響。通過量水堰槽測量明渠的流量與水位，由于堰槽的缺口小，而明渠的橫截面積大，因此，堰槽的缺口尺寸決定了明渠內的水位與明渠流量的對應關系。不同的渠道，如果放置的量水堰槽相同，則液位與流量的對應關系是確定的。渠道內的流量通過量水堰槽轉成了對應的液位，通過測量量水堰槽內水流的液位，再根據國際通用的液位- 流量關系（《明渠堰槽流量計》JJG711- 90可查到），可反求出流量[3]。

4 管道超聲波流量傳感器設計

管道超聲波流量傳感器通過在液體中發射并接收脈沖信號的技術監測管道中液體的流量。其工作原理：當超聲波束在液體中傳播時，由于液體的流動，超聲波在液體中的傳播時間發生了相應的變化，并且時間所產生的變化與液體流動的速度成正比關系[4]，其關系符合下面表達式：

式中：θ 為聲束與液體流動方向的夾角（單位為°）；M為聲束在液體的直線傳播次數；D 為管道內徑（單位為mm）；Tup為聲束在正方向上的傳播時間（單位為s）；Tdown為聲束在逆方向上的傳播時間（單位為 s），ΔT=Tup- Tdown。

5 水壓監測儀設計

水壓監測儀是在煤礦井下實時監測水壓觀測孔及管道水壓。監測儀自動測量水的壓力，可通過礦用本安型數據采集儀設定參數、啟動分機、標定零點，并通過礦用一般兼本安型數據傳輸接口與計算機連接進行數據處理。

水壓監測儀工作原理：對于非密封點的水位來講，將水壓感應裝置放入水下一定深度，根據水中某點的壓強與深度成正比的原理，水壓感應裝置輸出為水壓感應裝置水下埋深，然后去減電纜線長度，即為孔內水位與井口距離；對于井下水壓孔來講，通過壓力感應裝置直接讀出當前觀測點的壓強[5]。

6 應用情況

該系統在晉煤集團鳳凰山礦進行了推廣應用，安裝各類傳感器34 臺，并將之前測量的水文數據進行了整合，目前項目已成功驗收，實現了鳳凰山礦井下所需要監測位置的涌水量及水壓等參數的準確測量，取得了良好的效果。

7 結 語

煤礦水文監測系統具有多參數監測功能，高可靠性的數據通訊和組網方式，完善的處理方法，科學的預測、預警功能，能把井下所有需要監測位置的涌水量以及水壓等參數進行較為準確的測量，并進行數據整合，完成一個較為精確的統計。全自動化的監測手段能大大減少人工成本，同時測量也更加精確，直接給礦井帶來了使用便利與成本節支降耗。同時為煤礦水文動態分析提供有力的控制與分析手段，為礦井的安全生產保駕護航。