煤礦采空區壓力監測系統的設計與實現

王海燕

摘要：煤礦工作面采空區作為采煤工作完成后的遺留區域，隨著頂層應力及地下水滲透等作用會逐漸垮塌，嚴重時會引發煤礦沖擊地壓等次生災害，該文設計了一種壓力傳感器及在線實時監測系統，以達到采空區壓力實時監測及預警分析的目的。

關鍵詞：煤礦采空區;傳感器; 數據采集;實時監測

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）28-0074-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

我國煤炭開采主要采取井下開采的方式，露天開采只占每年開采總量的一小部分。煤炭開采破壞了原始的地層結構[1]，煤炭開采完成之后遺留區域形成采空區，由于采空區上方的隔水層被破壞，導致采空區內由大量積水，若進行煤炭開采時破壞了采空區的密封帶，則很容易引發礦井突水事故[2-3]。采空區會引起礦柱變形、巖移及地表塌陷等地質災害，空區突然垮塌會造成人員傷亡和設備破壞[4-5]，給煤礦安全生產、礦工生命安全構成嚴重威脅。部分煤礦采用充填開采技術對采空區采用覆巖離層注漿方法對采空區進行加固[6]對采空區進行監測預警對礦山的地壓災害予以提前預警預報，有利于礦山企業提前采取應對措施，避免災害性事故發生。目前，對采空區的探測方法，美歐等發達國家以地球物理勘探為主，而我國目前以工程鉆探為主，地球物理勘探為輔，本文研究并設計了一種基于傳感器的采空區壓力實時監測系統，利用壓力傳感器采集采空區壓力數據并通過井下以太網傳輸到地面計算機實現實時監測采空區壓力變化曲線，利用曲線走勢分析及預測采空區應力變化。

2壓力監測系統框架

2.1 總體設計

采空區壓力實時監測系統包括數據采集、數據傳輸、數據分析3個部分，系統結構如圖1所示。數據采集部分主要通過在剛采完煤的采空區布置壓力傳感器，頂層受壓以后壓力傳感器產生壓力數據，傳感器通過485總線連入就近的分站轉為以太網信號接入井下交換機。數據傳輸部分包括井下千兆工業以太網、由485中繼器、光電轉換器、信號電纜、光纖等構成。數據分析主要包括地面控制計算機，計算機將收到的壓力數據根據協議進行轉換、存儲、數據顯示、圖表曲線生成等。

2.2 傳感器設計

根據采空區壓力數據采集需求，傳感器和巖層接觸面盡可能大，傳感器采集前端采用橢圓形設計方案，如圖2所示，機械廠根據設計圖紙加工制作橢圓餅形容器，內置水或油等液體物質，通過容器螺紋接口裝配壓力變送器。壓力傳感器通過變送器采用485轉232連接至計算機，樣品制成后將傳感器放置在鍛壓機下持續壓扁傳感器直至爆裂，讀取此時計算機壓力變送器的最高數值，反復改進工藝使傳感器負載量程達到煤礦采空區工作壓力。

2.3 數據傳輸

在井下開采工作面采空區不同位置放置三臺傳感器，為防止采空區落石將傳感器或者線纜砸斷，需要對傳感器壓力變送器部分和線纜部分做特殊防護防止被落石砸爛、砸斷;通過PROBUS總線接入到分站，井下信號電纜受空間限制常與動力電纜同路布置，信號干擾大，尤其長距離傳輸時信號會穩定性不佳，此時需要在分站內安裝485中繼器，再通過串口服務器將485信號轉換為以太網信號，通過網線接入就近的環網交換機，通過井上/井下環網信號傳輸到調度室計算機，通過串口服務器虛擬串口設備，編寫軟件程序解析傳感器協議數據完成數據采集及功能分析。

3系統關鍵技術實現

3.1 系統開發架構設計

本系統開發平臺采用VS.NET2019和SQL SERVER2014組成，采用B/S模式，客戶端軟件主要負責數據頁面顯示及圖像、曲線、報表查詢等，SQL SERVER數據庫存儲從井下傳感器接收到的數據，并記錄一些操作日志文件。系統采用菜單化設計，分為用戶管理、傳感器設置、預警參數設置、預測云圖生成、歷史數據查詢等菜單項;每個菜單分別針對所需實現的功能設計界面，系統框架圖如圖3所示。

3.2 數據采集

數據采集是本系統最基礎的功能，也是本系統開發的技術難點，只有在采集到井下分站數據的前提下軟件的功能才能發揮作用。軟件向通信端口發送數據請求命令，傳感器收到請求命令后，提取實時數據即時做出響應，計算機收到響應命令，根據數據幀的幀頭、校驗幀判斷傳感器返回的數據幀是否正確，如果數據幀完整且正確提取數據部分分析、進制轉換、存儲到數據庫及顯示到數據界面，完成傳感器數據井下/井上網絡傳輸的實時監測功能，系統時序圖如圖4所示。

3.3 軟件設計

數據庫用作存儲采集到的傳感器數據，本設計中數據庫用到表、視圖、存儲過程、觸發器等，表與表之間通過設置主鍵、外鍵連接所對應的字段內容，多個表之間復雜查詢如左連接、右連接等建立相應的視圖提高軟件執行SQL語句的效率，存儲過程用于用戶登錄驗證以及一些業務邏輯關系編程，數據結構E-R圖如圖5所示。

數據解析完成后可以在軟件界面上實時顯示[13同時調取數據庫存儲的歷史數據做曲線圖表。本軟件系統分為系統管理、參數設置、實時數據、歷史數據等四個模塊。系統管理模塊包含用戶管理和密碼設置，用于實現管理用戶增刪、密碼修改等;參數設置模塊包含工作面設置、傳感器設置、通信參數設置，用于實現設置傳感器所處工作面名稱、增刪傳感器以及通信采集周期等;實時數據模塊包含實時數據和實時曲線，用于實現實時顯示井下傳感器的數值信息以及曲線走勢圖表并利用插值算法軟件實現預測云圖;歷史數據模塊包含歷史數據和歷史曲線，用于實現基于起止時間段的歷史數據查詢和歷史曲線，歷史數據支持導出到Excel或者pdf，系統界面如圖6所示。

4 結束語

煤礦采空區壓力監測系統的開發，可以對采空區域垮塌后實現實時在線壓力監測，改變了采煤完成后形成的采空區無壓力監測的現狀，對于采空區后續壓力變化可以實時跟蹤并根據?壓力趨勢曲線圖分析預判采空區附近區域應力變化，預防次生災害的發生。

參考文獻：

[1] 郝海紅.采空區災害綜合防治分析[J].能源與節能，2020（11）：25-26.

[2] 杜軍.采空區瓦斯抽采高位鉆孔施工技術及發展趨勢探析[J].能源與節能，2020（3）：90-91.

[3] 王大偉.礦井通風瓦斯治理探究[J].能源與節能，2020（2）：17-18.

[4] 王東昊，李文，張彬.煤礦采空區失穩災害防控技術研究現狀及展望[J].煤礦安全，2020，51（3）：188-193.

[5] 齊鵬.煤礦沖天開采技術的相關探討[J].當代化工研究，2020（16）：61-62.

[6] 李文進.煤礦采空區地震反射特征研究——以張集煤礦為例[D].北京：中國地質大學（北京），2019.

【通聯編輯：光文玲】