煤矿巷道顶板离层监测系统设计.pdf

第 4期 2 0 1 2年 4月 工矿 自 动化 I n dus t r y a nd M i n e Aut o ma t i on No ． 4 Apr ．2 01 2 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 l X 2 0 1 2 0 4 0 0 9 4 0 4 煤矿巷道顶板离层监测系统设计 周李兵 ， 孙骏 驰 1 ． 中煤科 工集 团常 州 自动 化研 究院 ， 江苏 常州 2 1 3 0 1 5 ； 2 ． 济 宁学 院计 算机 系 ，山东 济 宁 2 7 3 1 5 5 摘 要 针 对 煤矿巷 道顶板 离层 监测 的重要 性 ， 提 出 了一种 顶 板 离层监 测 系统的 设 计 方案 ； 给 出 了该 系统 结构及 测 点布置 方案 ， 详 细介 绍 了用 于准确测 量顶板 离层位 移 量的 围岩移 动传 感 器的硬件 及软件 设计 ， 并 分 析 了顶板 离层位 置及 顶板 离层位 移报警 阈值 的确 定方 法 。实 际测试 结 果表 明 ， 该 系统 实现 了对 顶板 离层 位 移 量的 实时监测 ， 测 量精度 达 2 ． 5 ％。 关键 词 巷 道 ；顶板 离层 ；位 移量 ；围岩移动 传感 器 ； 报 警 阈值 中图分类号 TD 3 2 2 文献标 识码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 2 0 4 0 5 1 0 4 6 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 O 1 2 0 4 0 5 ． 1 0 4 6 ． 0 2 7 ． h t ml De s i g n o f M o n i t o r i ng Sy s t e m o f Ro o f S e p a r a t i o n o f M i n e Ro a dwa y ZHOU L i b i n g ， S UN J u n c h i 1． Ch a ng z h ou A u t o ma t i on Re s e a r c h I ns t i t u t e o f CCTEG ． ，Cha n gz h ou 2 1 3 01 5，Ch i na 2 ． Co mp u t e r De p a r t me n t o f J i n i n g Un i v e r s i t y ，J i n i n g 2 7 3 1 5 5 ，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f i m p o r t a nc e of r o o f s e p a r a t i on mo ni t o r i n g o f mi ne r oa dwa y，t he p a p e r p r op os e d a d e s i g n s c he m e o f mo ni t o r i n g s ys t e m o f r o o f s e pa r a t i o n． I t ga ve s t r uc t u r e a nd a r r a ng e m e n t s c he m e o f me a s u r e d p o i nt s a nd d e t a i l e d l y i n t r o du c e d ha r d wa r e a nd s o f t wa r e de s i gn o f s ur r o u ndi ng r o c k mov e m e nt s e ns or wh i c h c a n me a s u r e d i s pl a c e m e n t o f r o of s e p a r a t i o n． I t a l s o a n a l yz e d de t e r mi n a t i o n me t ho d s o f p o s i t i o n o f r o o f s e pa r a t i o n a nd a l a r m t hr e s ho l d o f d i s p l a c e me nt o f r o of s e p a r a t i o n．Th e a c t ua l t e s t r e s u l t s h owe d t h a t t he s y s t e m r e a l i z e s r e a l t i me m o ni t or i ng f o r d i s pl a c e m e n t o f r o o f s e p a r a t i on wi t h 2．5 m e a s u r i ng p r e c i s i on． Ke y wo r d s r o a dwa y， r o o f s e pa r a t i o n， di s p l a c e m e nt ， s u r r o u nd i ng r o c k m o v e me nt s e ns o r ， a l a r m t hr e s hO 】 d 0 引言 顶 板离 层 是指巷 道周 边 围岩 与远离 周边 的 围岩 之 间变形 速度 出现 台阶式 跃 变 ， 当离 层 达 到一 定 值 时 ， 顶 板有 可能 发生 破坏 和 冒落 ， 所 以顶板离 层是 巷 道 围岩失 稳 的前 兆 _ 1 ] 。因此 ， 如 能 准确 预 报 岩 土 体 内部离层 状况并 给 定 一 个合 适 的失稳 离层 临 界值 ， 则可根据监测结果 ， 对围岩失稳破坏及早做出预警， 从 而避免 事故 发生 。本 文介绍 了一 种煤矿 巷道 顶板 离层 监测 系统 的设计 。 l 顶 板 离层 监 测 目的 1 对顶 板 离 层情 况提 供 连 续 的 直 观 显 示 ， 及 早 发现顶 板失 稳 的征兆 ， 以避免 冒顶 事故 发生 。 2 监测 数 据 可作 为修 改 、 完善 锚 杆 支 护 初 始 设计 方案 的依 据之一 。 3 在锚 杆 巷 道施 工 中 ， 如 发 现 顶板 有 较 明显 变化 或顶 板离 层仪显 示顶 板离层 值 较大 时应及 时停 止 巷道 掘进 ， 采 取加 打锚 索等措 施 加强支 护 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 0 3 作者简介 周李兵 1 9 8 4 一 ， 男 ， 湖北黄梅人 ， 助理工程师 ， 硕士 ， 现主要从事矿用监测 监控产品的设计 与开 发工作 。E ma i l 1 5 2 9 5 0 2 3 4 7 7 1 2 6 ． c o i n 2 0 1 2年 第 4期 周李 兵等 煤矿巷 道 顶板 离层监 测 系统设计 9 5 2 顶 板 离层监 测 系统结构 顶 板 离 层 监 测 系 统 由地 面 部 分 与 井 下 部 分 组 成 ， 如 图 1所示 。围岩移 动传感 器探测 、 感 应巷道 顶 板或者两帮的离层位移量 ， 显示并上传数据至本安 型监 控 分站 。围岩 移动传 感器 与本 安型监 控分 站之 问采用 R 4 8 5总线通 信 ， 本 安 型监 控分 站 巡 检 围岩 移动传感器数据并汇总后上传至本安型光端机 ， 由 本 安型光 端机 经 以太 网传 输至地 面 。地 面主机 或备 机 采用 专用 软件解 析交 换机数 据并 显示 、 储存数 据 ， 进行 相 应 的配 置操作 等 。 图 1 顶 板离 层 监 测 系统 结 构 考 虑到巷 道压 力 监 测 的 连贯 性 与 全 局性 ， 顶板 离层监 测 需 布 置 大 量 测 点 ， 原 则 上 建 议 每 隔 5 0 1 T I 设 置一 个测 量断 面 ， 每个 测量 断面 布置 3 ～5 个 测量 点 ， 测 量点分 布 于巷道顶 板 、 巷道两 帮 ， 如图 2所示 。 大量测 点 的长距 离布置 需要综 合 考虑本 安 型监 控分 站的测点容量、 巡检周期、 供电方案等因素， 合理设 置本安 型监 控分 站容量 、 巡检 方式 及通 信协议 、 电源 及 用 电器 的电压 电流参 数等 。该顶 板离层 监 测系统 设 计 3 2个 R S 4 8 5总线测 点数 量 ， 巡检 周期 ≤5 S ， 采 用 DC 1 8 V 隔爆兼 本安 电源输 出单 路 、 9 0 0 mA 电量 集 中供 电方 式给 用 电器 供 电 。 图 2巷道断面测点布置 3 围岩移 动传 感器设 计 3 ． 1 传 感 器测 量原理 顶 板 离 层监 测 系统 的关键 是 测 量 的准 确性 ， 即 要 获得 准确 、 可 靠 的顶 板 离 层 量 。顶板 离层 量 即 为 顶 板外层 直 接顶 、 伪 顶 某基 点相对 于顶板 内层 老 顶 某基 点 的位移量 ， 故 顶板离 层测 量 即为线位 移量 的测量 。根据相关研究数据及经验表明， 可测量 的 顶板离层位移量极限值约为 2 0 0 ～3 0 0 mm_ 2 ] ， 顶板 离 层 正 常 位 移 量 在 锚 杆 锚 固范 围 内 ≤ 2 ． O 1 T I 为 0 ～ 1 0 mm， 在锚 杆锚 固 范 围 外 正 常 位 移 量 在 1 0 ～ 2 4 mml_ 3 ] ， 位移精度要求需在 mm 量级或 以上。相 对 于常 规 电感 、 磁栅 类位 移传 感器 而言 ， 离层位 移测 量 的量 程范 围大 、 精度要 求不 高 ， 且 顶板 离层监 测布 置测点 多 ， 传 感器 用量 大 ， 要求 传感 器满 足测量 要求 的同 时尽量 降低 成本 ， 因此 ， 拟 采 用 电位 器将顶 板离 层 位量 换移 转 成 角 度 量 测 量 ， 其 原 理 如 图 3所 示 。 电位器 由恒压源 E i 驱动， 顶板离层位移量的变化导 致 电位 器 电 刷转 动 ， U。 的变 化 量 与 顶 板离 层 位 移 量 呈线 性关 系 ， 通 过检 测 【 ， 。 的变 化 即可 测量 出顶 板离层 位移 量 。 图 3 电位器探头测量原理 3 ． 2传 感器硬件 设计 围岩移 动传 感器 由位移 传递 机构 、 电源模 块 、 电 位器 、 运 算 放 大 电 路 、 AD 转 换 电 路 、 MC U 单 片 机 、 红外接 收模 块 、 光 电转 换 模 块 、 L E D 数 码 管 显 示模 块 、 R S 4 8 5总 线 式 输 出模 块 、 声 光 报 警 模 块 组 成 ， 如 图 3所示 。 nC9 2 4 V DC， DC 广 恒压源 工 电位器 运算放大电路 AD转换器 ．照 片 机 红外接收模块 光 电转换模块 L E D数码管显示模块 R S 4 8 5 输出模块 声光报警模块 4 围 岩 移 动传 感 器组 成 运算放大电路放大微小变化电压 ， 经 A D转换 后传 至 MC U， MC U 计算得 到最终数据并经 I E D 数码 管显示 、 R S 4 8 5 输 出 至上 位 机 。因传 感 器 安 装 位置 决定 了其 测量 数 据 无需 持 续 本 地 显示 ， 若 降 低 传感器功耗 ， 则在一定额定功率下 的本质安全型 电 源可 驱动 更多 传感 器 ， 故 在 围 岩移 动 传 感 器 内设 置 9 6 工 矿 自动 化 2 O 1 2年 4月 有光电转换模块。当传感器受矿灯照射时 ， L E D数 码 管显示 模块启 动并 显示 测量 数据 ， 延 时 1 0 S 后 关 闭 。因不 可 能 出现 同一 时刻 多 个 传感 器 同时 显示 ， 故 上述 方 案 可 节 省 电 能 ， 降 低 组 网 成 本 。传 感 器 I D、 报警阈值等 的设置可通过遥控器设 置， 由红外 接收模块接收后送 MC U储存 、 使用 。若传感器测 量数据 超 出设 定 阈值 ， 则 启动声 光报 警模块 ， 并 向上 位机发送 报警 信息 。 3 ． 3传感 器软件 设计 围岩移 动传感 器 嵌 入 式软 件 包 括 主 程 序 、 A／ D 采集组 件 子程 序 、 时 钟 组 件 子 程 序 、 外 部 中断 子 程 序、 定时器中断子程序、 计算子程序、 数码 管显示组 件子程序 、 通 信组 件 子 程序 等 。 主程 序 主 要完 成 系 统配置 、 寄存 器 、 变 量等 的初始 化及 部分子 程序 的调 用 。A／ D采 集组件 子程 序用 于 采集 电位器 电压 ， 该 传感器 中 2路 电压信号采用独立 A／ D采集电路。 定时器 中断子程序 用于触 发数 码管 输 出。外部 中断 子程 序服务 于外部 光 电触发 响应 、 遥 控器 输入 响应 、 巡检命令响应等。围岩移动传感器软件程序流程如 图 4所示 。 I A ／ D采集子程序 Y 赢面 磊 将最后一次有效 数据用 于输 出 ag 1 塑 里 l f 2 ， L 塑 塑 竺 篁 图 5 围岩移动传感器软件程序流程 3 ． 4顸板 离层 位置 分析 顶 板离 层 监 测方 法 如 图 5所 示 ， 围岩移 动 传感 器设 计有 2路相 互 独 立 的离 层位 移 测 量 探 头 ， 通 过 锚 固头埋入 顶板 围 岩 ， 其 中一 路 锚 固 头埋 人 老 顶深 基点 稳定 围岩 中 A 点 ， 另一 路 锚 固头 埋 入 浅 基点 直 接顶 围岩 中 B点 。设深 基 点围岩 离层测 量 值 为 a ， 浅基 点 围岩 离 层 测 量 值 为 b ， 通 过 监 测 “ 、 6的变 化情 况确 定顶板 离层 位置 1 若 A 点 数 据 逐 渐 增 大 ， B 点 数 据 不 变 ， n --b 数值 逐 渐 增 大 ， 则 离 层 位 移 发 生 在 A 点 、 B点 之 间 ， 离 层 位 移 大 小 为 A 点 数 据 变 化 值 或 a 一6 数值 ； 2 若 A点 数据 逐渐 增大 ， B 点数据 逐渐 增大 ， “ 一6 数 值 不 变 ， 则 离 层 位移 发 生 在 B 点 以 下 ， 离 层 大小 为 A 点或 B 点 数据变 化值 ； 3 离 层位移 发生 在 B点处 的情况 可归 纳到上 述 2点 。 1 移 动传 感 器 主体 ； 2一 导 向 机 构 ； 3 浅 基 点 锚 头 ； 4一深基点锚固头 ； 5 顶板同岩 图 6 顶板离层监测示意图 顶 板离层 位 移 的产 生 是 绝对 的 ， 特 别 是 浅 基 点 直接顶 锚 固范 围 内的顶 板离 层位 移 。通 过顶 板离 层 监测 系统监 测顶 板 离层 位 移 量 的大 小 ， 寻找 顶 板 离 层位 移 的发 生规 律 ， 确 定安 全 、 合 理 的顶 板 离层位 移 临界值 ， 可 提前 预报 险情 ， 还 可评 估巷 道支 护二 【 ． 程 的 设计 参数 合理性 ， 得 出巷道 是 否 需 要 加 固 支护 T 程 的结论 。 3 ． 5 顶板 离层 位移报 警 阂值 的确 定 用 围 岩 移 动 传 感 器 的实 测 值 预 报 巷 道 围岩 失 稳 ， 必 须依据 临界值 进行 判别 。如果 临界 值 确定 合 理 ， 预 报就 比较切 合实 际 ，采取 的整改 措 施 才恰 当 有效 。否则 ， 高临 界值可 能导致 漏报 ， 未起 到监 测效 果 ； 低 临界值 则会 造成谎 报 ， 浪费人 力物 力 。要准确 确定顶板离层位移报警阈值是比较困难的，目前业 内 比较 认 同的方法 主要有 多因素分 析法 和锚 杆最 大 延 伸值 法 j 。 3 ． 5 ． 1 多 因素分 析法 选 取 影 响顶 板 离层 位 移 因素 中有代 表 性 的 、 权 重大的且易于从现场提取使用的参数作为影响顶板 离层量 的影 响 因子 。 目前 主 流 用法 选 择 顶 板 岩 层 强度 、 顶板 完整性 系 数 K 、 埋 藏深 度 H 、 应 力集 中 系数 K 为基本指 标 ， 侧 压 系数 、 巷道 宽度 B、 锚 杆 支护强 度 Q、 锚 固 系数 M 为修 正指 标 ， 则 顶板 离 层 位移表 达式 为 N 一 第 4期 2 0 1 2年 4月 工矿 自 动 化 I nd us t r y a n d M i ne Au t omat i o n NO ． 4 AD r ． 2 01 2 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 2 0 4 0 0 9 7 0 5 KY N4 4 --1 2型中置柜联锁装置的改进设计 张 红 光 ， 王 玲 兖州东 方机 电有 限公 司 ，山东 邹城 2 7 3 5 0 0 摘要 介绍了 1 2 k V 中置柜联锁装置的设计原则， 分析 了现有 中置柜联锁装 置在 实际运行 中存在 的问 题 和不足 ， 提 出了改进和 完善 中置柜 联锁 装置 的设计 方 法。 实际应 用表 明 ， 改进后 的 中置柜联 锁 装置 的功 能 更加 完善 ， 安全 性 更加 可靠 ， 完全达 到 了五 防 闭锁 要 求 。 关键 词 中置柜 ； 联 锁装 置 ； 机 械联 锁 ；电磁 锁 ；五 防 ； 设 计 原则 中图分类号 T D6 1 1 文献标 识码 B 网络 出版 时间 2 0 1 2 0 4 0 5 1 0 4 7 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 2 0 4 0 5 ． 1 0 4 7 ． 0 2 8 ． h t ml 收 稿 日期 g o 1 2 0 2 0 8 作者简介 张红光 1 9 7 5 一， 男， 山东金 乡人 ， 工程师 ， 现主要从事开关柜的设计与制造工作 。E ma il z h g ma i l 1 6 3 ． c o rn 【 ， 一 。 。 1 √ K H 、 ， M s Q 式 1 中的 回归 系数 a 、 。 、 a 。需 要在 大 量 顶板 离 层破 坏临界 值基 础 上 计算 得 到 ， 由于 在 实 际使 用 时监测 到 的数 据基 本都是 在顶 板完 好 的状 态下 测得 的， 故大多数情况下无法根据监测数据得到 回归系 数 。故 常规做 法是 通过各 个 矿 区的地质 条件查 阅相 关 地质 资料 ， 进行 相 应 的物 理 学试 验得 到 不 同条 件 下的顶 板 离层 模 拟 值 后 计 算 得 到 回 归 系 数 a 、 “ 、 a 3。 3 ． 5 ． 2 锚杆 最大 延伸值 法 锚杆最大延伸值法是利用锚杆 锚索 受拉伸力 产生塑性变形直至断裂时的最大拉伸值计算得到顶 板 离层 位移 报警 阈值 。其 计算 方法 如下 S 一 △SlAI 2 z L 一 ㈦ 式 中 △ s为锚杆 锚索 的拉升率 ； z 为锚杆 锚 索 的 自然 长度 ； A ／ 为锚杆 锚 索 的伸 长 量 ； L为锚 杆 锚索 埋入深度 有效长度 ； V 为每根锚 杆 锚 索 所 用锚 固剂 的体 积 ； S 为 锚 杆 锚 索 所 在 眼 孔 截面 积 ； S 。为锚杆 锚索 的横 截 面积 。 考虑 到 顶板 浅 层 围岩 破 碎 时危 险 已经 发 生 、 锚 索垫板挤压变形导致估算误差等因素 ， 可在上述计 算结果的基础上取 1 ． 5倍的安全系数作为顶板离层 报警 阈值 ] 。 4 结 语 实际测试结果表明， 顶板离层监测系统实现 了 对煤矿顶板离层的实时测量 ， 测量分辨率为 1 mm， 测量精 度为 满量 程 的 2 ． 5 。顶板 离 层 监测 系 统 的 应用 ， 可有效 监测 顶板 离层位 移 ， 及早发 现顶 板失稳 的征 兆 ， 以避 免 冒顶事 故发 生 ； 监 测 的数 据还 可作 为 修改 、 完善 锚杆 支护初 始设计 方 案的依 据 ， 为煤 炭行 业的安全生产提供了有力保障。 参 考 文 献 [ 1 ] 何满潮 ， 袁 和生 ， 靖洪 文， 等． 中国煤矿锚杆支护理 论与 实践[ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 4 7 1 7 5 ． E 2 ] 阎 学 文 ， 吴波 ， 廉 自生． 低 功 耗顶 板 离 层仪 研 究 [ J ] ． 振动 、 测试 与诊 断， 2 0 0 8 1 2 4 0 4 4 0 7 ． [ 3 ] 文振明 ， 张 宏伟． 顶板 离层与监 测E J ] ． 煤 炭技术 ， 2 0 0 6 3 4 9 51 ． [ 4 ] 张 国华 ， 张雪峰， 蒲文龙 ， 等． 复合顶板离层分 析与预应 力锚杆支护参数确 定E J ] ． 辽 宁工程技 术大学 学报 自 然科学版 ， 2 0 1 0 4 1 8 2 1 8 6 ． E s ] 孔恒 ， 马念杰 ， 王梦恕 ， 等． 基于顶板离层监测 的锚 固巷 道稳定 性 控 制 [ J ] ．中 国 安 全 科 学 学 报 ， 2 0 0 2 6 55 58 ．