綜采工作面液壓支架壓力監測系統的研究與設計

邱 谷

（晉能控股煤業集團煤峪口礦信息監控中心，山西 大同 037000）

煤峪口礦2304 工作面位于307 盤區，開采時采用傾斜長壁后退式綜合機械化方法。工作面的長度為118.8 m，平均煤層厚度為3.7 m，平均煤層傾角為2.2°，采高2.0 m。煤層的基本頂是白色粗砂巖，平均煤層厚度為23.77 m；直接頂為粉砂巖，平均煤層厚度為5.2 m；偽頂為黑色炭質頁巖，平均煤層厚度為0.1 m；直接底是粉砂巖，平均煤層厚度為8.39 m。工作面上共用136 架液壓支架。但復雜的工作面環境，加上液壓支架空間狹小，開采難度較大[1]。為了預防頂板事故，設計液壓支架壓力監測系統，對周期來壓步距進行預測，確保頂板安全管理。

1 壓力監測系統整體方案

綜采工作面壓力監測系統結構如圖1，包括信號采集層、壓力監測平臺層以及網絡服務層三層[2]。其中，信號采集層主要是采集液壓支架的壓力信號，通過CAN 總線將數據傳輸到壓力監測系統；壓力監測系統是一個連接設備，主要連接底層CAN 總線網絡和上層以太網，對采集到的數據進行集中處理，實現數據的存儲，并將數據打包通過以太網傳輸到以太網交換機中；網絡服務層是通過IP 地址，將工作面相關參數及壓力歷史數據進行保存，通過上位機進行日常的管理和監測，以柱狀圖或曲線圖形式反映液壓支架的壓力變化情況。

圖1 壓力監測系統布局圖

在液壓支架的頂梁下方分別安裝壓力監測分站，將壓力傳感器通過電纜連接在立柱高壓油腔上，在壓力監測分站的兩側都配有插頭，通過電纜與其他分站實現串聯，端頭分站通過通信電纜與監測平臺連接。監測系統對數據進行處理后，通過網絡協議接入井下光纖交換機，調度中心對液壓支架進行遠程監測。

2 壓力監測系統硬件設計

對壓力監測系統硬件部分進行設計，硬件結構如圖2，選用STM32F107VCT6 微處理器芯片[3]，通過電源電路、時鐘源電路以及復位電路，將數據輸入微控制器中。對數據進行處理后，通過CAN總線，以太網PHY 傳輸數據，TFT 驅動器以及觸摸電路將數據顯示出來。

圖2 硬件結構圖

3 壓力監測系統軟件設計

3.1 建立數據庫

給壓力監測系統建立一個數據庫，將所有采集到的數據進行存儲，將SQL Server 數據庫中的數據全部存儲在數據庫的內部數據表中，包括基本數據表和工作面數據表。基本數據表主要用來存儲工作面的基本參數以及用戶信息；工作面數據表主要是用來存儲當前工作面的壓力歷史相關數據，一旦工作面刪除，對應的數據表也就被刪除。使用基于OLEDB 開發應用程序接口ADO 控件與SQL Server數據庫建立聯系，使用時，先通過Connection 將定義與數據源連接，再使用Recordset 對象接收數據，向應用程序提供數據訪問方法，便于對數據進行操作[4]。

3.2 系統維護

壓力監測系統維護主要包括用戶管理、工作面管理、工作面參數設置以及數據庫管理。在初次使用時，默認使用admin 用戶登錄，通過工作面管理模塊隨時添加要監測的工作面，然后設置工作面參數，可以手動輸入工作面名稱、壓力上下限值、分站總數、支架總數、傳感器等信息。數據庫管理可以對數據進行備份、查看以及恢復等操作，防止數據庫損壞丟失數據。

設置完系統參數后，進入分站壓力監測界面，在線監測各個分站的實際壓力變化情況，將壓力變化情況通過曲線圖或柱狀圖的形式顯示出來。從曲線圖上可以實時查看各個分站的壓力平均值以及不同位置處傳感器的監測值，從柱狀圖的不同顏色上可以判斷是否超出壓力的最大值和最小值，從而對工作壓力、工作阻力等相關信息進行分析。同時，還可以根據液壓支架監測位置和日期等條件，查詢壓力歷史數據，并將數據以表格形式輸出，便于編輯和打印。

3.3 周期來壓步距預測

對工作面的周期來壓步距進行預測，如圖3。首先選擇要預測的工作面，并添加最近三次以上的周期來壓步距值，然后系統會開始預測工作面的周期來壓步距。

圖3 周期來壓預測界面

4 應用效果

將壓力監測系統應用在煤峪口礦2304 工作面，設置工作面13 次周期來壓步距，驗證壓力監測系統的準確性。具體如下：根據前N 個工作面來壓步距序列，建立預測模型，預測第N+1 次工作面來壓步距，預測結果見表1。

表1 周期來壓步距實際值與預測結果

從表1 可以看出，工作面周期來壓步距的預測平均誤差為1.62 m，誤差在允許范圍內，監測結果可靠，為礦壓觀測和頂板管理提供依據。

5 結論

（1）通過分析壓力監測系統的整體架構，以STM32F107VCT6 微處理器為核心，通過CAN 總線和以太網等實現數據傳輸，對工作面周期來壓步距進行預測。

（2）在煤峪口礦2304 工作面上進行實際應用，結果表明：工作面周期來壓步距的預測平均誤差為1.62 m，誤差在允許范圍內，監測結果可靠，為礦壓觀測和頂板管理提供依據。