煤矿掘进巷道围岩压力在线监测预警系统.pdf

第 4 1卷 第 8期 2 0 1 5年 8月 工矿 自 动化 I ndu s t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vo1 ． 41 NO ． 8 Aug ．2 01 5 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 孟 庆 勇． 煤 矿掘进 巷 道 围岩 压力 0 0 0 6 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 0 2 在线监测预警系统口] ． 工矿 自动化， 2 0 1 5 ， 4 1 8 6 - 9 ． 煤矿掘进巷道围岩压力在线监测预警系统 孟庆 勇 煤 炭科 学技术 研究 院有 限公 司 ， 北 京 1 0 0 0 1 3 摘 要 针 对现 有煤 矿掘 进 工作 面围岩 压力监 测技 术 难 以 实现 有 效 监 测 、 预 警 能 力弱 等 问题 ， 采 用无 线 传 感器技 术 ， 设 计 了一种 煤矿 掘进巷 道 围岩压 力在 线监 测预 警 系统 ， 详 细介 绍 了系统 组成 、 技 术原理 、 数 据传 输 方式、 功能模块设计及预警流程。应用表明， 该 系统实现 了对掘进巷道顶板 离层、 应力和 声发射参数 的实时 监测， 其 多参量综合预警流程有效提 高了预警的准确率。 关键 词 煤矿掘 进巷 道 ；围岩 压 力监 测 ；无线 传感 器 ；多参 量综 合预 警 中 图分类号 TD 3 2 6 文 献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 5 0 7 3 1 1 5 1 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 ． T P ． 2 0 1 5 0 7 3 1 ． 1 5 1 6 ． 0 0 2 ． h t ml Onl i ne mo ni t o r i n g a n d p r e a l a r mi n g s y s t e m f o r s u r r o un d i ng r o c k pr e s s u r e o f c o a l mi n e t u nn e l i n g r o a d wa y M ENG CCTEG Chi na Co a l Re s e a r c h Qi n g y o n g I n s t i t u t e ，Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r p r obl e m s o f di f f i c ul t r e a l i z a t i o n of e f f e c t i v e m o n i t o r i ng a nd po o r pr e a l a r mi ng a bi l i t y o f e xi s t i n g s u r r ou nd i ng r o c k pr e s s u r e mo ni t or i n g t e c hno l o gi e s f o r c o a l mi n e t u nne l i ng r o a d wa y， a ki n d of on l i ne mo ni t or i n g a nd p r e a l a r m i ng s y s t e m f o r s ur r ou nd i ng r oc k p r e s s ur e of c o a l mi ne t un ne l i ng r o a d wa y wa s d e s i gne d b y us e o f wi r e l e s s s e ns o r t e c hn ol o gy， a nd s t r uc t ur e， p r i nc i pl e， d a t a t r a ns m i s s i o n mod e， f u nc t i o na l modu l e a n d pr e a l a r mi ng f l ow of t he s y s t e m we r e i nt r o du c e d i n d e t a i l s ．Th e a p pl i c a t i on s h ows t h a t t he s y s t e m a c hi e v e s r e a l t i m e mon i t o r i ng o f r o o f s e p a r a t i on，s t r e s s a nd a c o us t i c e mi s s i o n of t u nn e l i n g r o a dwa y，a nd t he c ompr e h e ns i v e pr e a l a r mi n g f l o w wi t h m u l t i p a r a me t e r i mpr o v e s p r e a l a r mi n g． Ke y wo r d s c o a l mi ne t u nn e l i n g r oa dwa y； s u r r ou ndi ng r o c k p r e s s ur e mo ni t o r i n g； wi r e l e s s s e ns or ； c o m p r e he n s i v e p r e a l a r mi n g wi t h mul t i p a r a me t e r 0 引言 随着 煤 矿 开采 强 度 不断 增 大 ， 开 采逐 步 向深部 转 移 ， 巷道 掘进 压力 显现 越来越 剧烈 ， 尤其 是 掘进工 作面前 5 O m 左右， 压力变化大， 两帮易变形 ， 极 易 发生顶 板垮 落 口 ] 。在地 质 条 件 复 杂 的 区域 ， 顶 板垮 落发生范围一般较大， 危害严重。因此 ， 实现巷道围 岩压力 监测 对保 障煤 矿安 全生 产具 有重要 意 义 。 现 有 的 煤 矿 掘 进 巷 道 灾 害 监 测 技 术 仍 存 在 不 足 巷道 表 面位移 、 巷道 深部 位移 和锚 杆应 力等 数据 大 多 由人 工 采 集 ，工 作 量 大 ，效 率 低 ， 而且 缺 乏 系 统 、 有 针 对性 的研 究 ； 因开 采 条 件具 有 特 殊 性 ， 特 别 是对于掘进工作面， 传感器布线困难 ， 难以有效监测 并分 析 围岩稳 定 性 ， 且 监 测 技 术 的 预警 能 力 弱 。针 对该问题 ， 本文采用无线传感器技术 ， 设计了一种施 工 简便 、 布线 快捷 、 预警 准确 性高 的煤 矿掘 进巷 道 围 岩压 力在 线监 测 预警 系 统 ， 对 掘 进 巷 道 的稳 定 性 和 安全 性进 行实 时监 测及 预警 预报 。 收稿 日期 2 0 1 4 1 1 2 0 ； 修 回日期 2 0 1 5 0 6 1 0 ； 责任编辑 李 明。 基 金项 目 “ 十二五” 国家科技支撑计划 资助项 目 2 0 1 3 B AK0 6 B 0 5 。 作者简介 孟庆勇 1 9 8 2 一 ， 男 ， 山东梁 山人 ， 工程 师， 硕士 ， 现 主要从事煤矿 安全箍 测监控 、 井下人 员定位 和 网络通信技 术方 面的研究 工作 E ma i l c u mt mq y r 1 6 3 ．c o rn。 2 0 1 5年 第 8期 孟 庆 勇 煤矿 掘进 巷道 围岩 压 力在 线监测 预警 系统 7 1 系统组 成及 通信模 式 1 ． 1 系 统 组 成 煤矿掘进巷道围岩压力在线监测预警系统分为 井上 、 井下两部分， 由监测主机 、 数据服务器、 监测软 件 、 矿用 隔爆兼 本质 安全 型 网络交 换机 、 数据 传输 接 口、 通信主站、 监测分站、 无线网关 、 应力传感器 、 顶 板离层传感器 、 声发射传感器等组成， 如图 1所示 。 系统 基 于井下 工 业 以 太 环 网 ， 采 用 C AN 总线 多 主 通信方式 ， 传感器可以挂接到监测分站上， 也可以挂 接到 C AN总线上 ， 使系统布线更加灵 活， 节点更加 智 能L 2 ] 。该 系 统可 与 矿 局 域 网 、 所 属 集 团广 域 网实 现互 联互 通 。 矿局域网 顶板离层 顶板离层 声发射 声发射 应力 应力 传感器 传感器 传感器 传感器 传感器 传感器 图 1 煤矿掘进巷道 围岩压力在线监测预警系统组成 1 ． 2 系统通信 模 式 为提 高总线 数据 传输 效率 ， 缩短 异地 断 电时 间 ， 提高组网灵活性 及整个 系统 的可 靠性 ， 系统 采用 CAN总线多主通信方式。通过合理安排消息优先 级 ， 设 置 报 文 标 志符 I D， 使 C AN 总 线 实 现 多 主通 信 ， 采 用 “ 载波 监 测 ， 多 主 掌 控／ 冲突 避免 ” 的通 信 模 式 解 决 多 个 节 点 同 时 访 问 总 线 时 产 生 的 竞 争 机 制 3 ] 。监 测 分 站 与 数 据 传 输 接 口 通 信 速 率 为 5 k b i t ／ s ， 最大传输距 离达 2 k m； 当传 感器输 出采 用无 线方式时， 发射信号中心频率为 2 ． 4 ～2 ． 4 8 3 GHz ， 无 线网关与传感器无障碍通信距离可达 2 0 0 m。 2 系统 工作原 理及 相关 技术 2 ． 1 系统工作 原理 系统 以计算 机 网络 为基础 ， 同时可 与井 下 C AN 总线通信电缆 、 通信光缆 、 工业 以太环网进行数据交 换。系统监测分站容量为 3 2台 ， 分站带载最大传感 器数 量 为 3 6台 ， 可 实 时采集 巷道 掘进工 作 面顶板 离 层、 声发射 、 顶板应力等参数 ， 并将采集数据保存到 监 控 中心数 据库 ， 通过 上位机 进行 实 时显示 及预 警 。 系统具 有 较 好 的延 展 性 ， 可 以选 择 监 测顶 板 离 层 传感器 、 声 发射 传感 器或 应 力 传 感 器 中 的 1种 或 多 种 ， 还 可接 人符 合通 信协 议 的其他类 型传 感器 ， 如 支架压力传感器 、 超前应力传感器等 ， 从而满足煤矿 用 户 的特殊 需求 。 监测分站实时采集矿井环境参数 ， 如顶板位移、 锚 杆 索 应 力 等 。当通 信 中断 时 ， 监 测 分 站 可独 立 工作。当交流电断 电时 ， 监 测分站 可持续 工作 2 h 以上 ， 并且保存相应数据 ， 具有声光报警功能。 无线网关是系统 的信号转换设备 ， 采用 Z i g B e e 技术将井下无线传感器监测的各种数据接人井下监 测 分 站 ， 进 而实 时 上传 到 井 上 监 控 中 心 ， 为井 上 、 井 下 信 息交换 提供 平 台I 5 ] 。 无线传感器集成 了数据路 由功能， 实现 了自组 网通信 ， 有效 降低 了传感 器布线及安装的难度 。无 线网关可根据无线传感器的安装位置 ， 动态生成新 的数据传输网络拓扑线路 ， 传感器可与之最近的传 感器进行无线 自动组 网及通信 。 无线 传感 器进 行 自组 网通信 时 ， 除 常规 的 电源 箱供 电方式外 ， 还设计了应急状态下的自供电电路 ， 采用 具 有 保 护 功 能 的 本 质 安 全 型 电 池 组 供 电 ， 如 图 2所示 ， 在常规供 电间断时， 保证无线 自组 网通信 的正 常进 行 。 3 节锰酸 锂电池 串联 图 2 无线传感器 自组 网的 自供 电电路 2 ． 2 无线传 感 器 自组 网技 术 无线传感器 自组网的核心是路由算法 。基本路 由算 法包 括 C l u s t e r ～ T r e e和 AO DV算 法 。Z B R路 由算法既具有 AO DV算法的路由寻优能力 ， 又具有 C l u s t e r T r e e 算 法 的无 初 始 延 迟优 点 ， 显 著提 高 了 网络路 由的性 能 [ 6 ] 。 8 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1 卷 传统 Z B R路 由算法 将 网络节点分 为 R N， R N一 ， R F D 3类 。R N节 点具 备 AO DV算 法 的存 储能力 ； R N一节点 的存储空间受限 ， 执行 C l u s t e r T r e e算法 进 行 路 由处理 ； R F D 为终 端 节 点。当 R N节 点需 要对 网络 中的某个 节点 发送分 组 时 ， 若 不存在通往 目的节点的路 由， 则按照 AO DV算法进 行路 由 发 起 发 现 过 程 ， 发 出 路 由 消 息 R RE Q 。 Z B R路 由算 法组 网过 程如 图 3 所 示 。 图 3 Z B R 路 由算 法 组 网 过 程 改进 的 Z B R路 由算法将所有节点设置为 2种 状态 。在 预 先 设 定 的 正 常 组 网 状 态 下 ， 节 点 均 为 R N一状态 ， 按照 C l u s t e r Tr e e 算 法 进行 路 由处 理 。 当某 一节 点 按 照 C l u s t e r Tr e e 算 法无 法 与 子 节 点 通信时， 该节点转换为 RN节点 ， 按 照 AO D V 算 法进行 RR E Q 广播 ， 与新 的子节点建立通信， 组成 新的通信拓扑网络 。该方式不但能提高无线传感器 网络 的可 扩展性 ， 还 能有 效 减 小 无 线传 感 器 的能 量 消耗 ， 进 而延 长待 机时 间 。在 煤矿 井下 实 际环境 中， 建立 如 图 4所 示 的 网 络结 构 。系统 正 常 工 作 时 ， 节 点 4无法 连接 到无 线 网关 ， 按 照 C l u s t e r Tr e e 算 法 与最 近 的节点 3通 信 ， 节 点 3按 照 C l u s t e r Tr e s算 法与节点 2通信 ， 最 终将数据传输 至无线 网关 ； 节 点 3 发生故 障时， 节点 4按照 AOD V 算法重 新组 网， 与节点 2 通信 ， 无线网络结构发生重组 ， 生成 了 新 的通信 拓扑 网络 。 3系统 软件设 计 3 ． 1 系统软件 功 能组 成 系统 监测 主机 软 件 基 于 ． Ne t 3 ． 5 平 台 开 发 ， 采 用 B ／ S和 C ／ S相结 合 的方式 。系统 功能 模块 如 图 5 所 示 。 无线传 无线传 图 4 煤矿井 下无 线传感器 自组 网结 构 关 关 图 5系 统 功 能 模 块 1 系统 信息设 置 模块 。该 模 块包 括 掘进 巷 道 编号 、 断 面形 状 、 支 护 形 式 、 巷 道净 宽 、 巷 道 净 高 、 应 力测线 数 、 位移 测线 数 等 ， 以 及监 测 主 机 、 监 测 分 站 和传 感 器 的地 址 编 号 、 类 型 、 位 置 、 测 线 编 号 等 。该 模块可设定单个传感器报警限值及多参量综合预警 流程 。 2 数 据 采 集 存 储 模 块 。该 模 块 基 于 VC 开 发 ， 通 过传 输 接 口 向井 下 监 测 分 站 发 送 命 令 ， 使 用 I ／ O 完成 端 口模 型 对数 据 服务 线 程 进 行 管理 ， 提 高 了数据 并发 处理 能力 。采 集 的数 据 报文经 过 校验 和 解析 ， 采用变值变态算 法保存到数据 库 中， 可减 少 5 O 以上 的数据 存储 空 间 。 3 数据双机热备份模块 。为了保证数据的安 全 ， 采 用基 于 纯 软 件 的双 机 热 备 份 系 统 ， 如 图 6所 示 。A， B两机通过 s o c k e t 接 口通信， 采用心跳包状 态 交换 技术 实现 A， B机 的切换 。当 A 机 处 于 工作 状态时 ， A机与井下监测分站通信 ， B机处于休眠状 态 ， A机将接收到的数据保存到本地 的同时 ， 定时向 B机 发 送 一 份 数 据 ， B机将 该 数 据 保 存 到 本 地 数 据 图 6 数据双机热备份架构 2 0 1 5年 第 8期 孟庆 勇 煤 矿掘 进巷 道 围岩压 力在 线监 测预 警 系统 9 库 ， 实现 A， B机数据动态一致 。当 A 机发生故障 时 ， B机 自动唤醒并接管通信 工作 ， 保 证系统 正常 运行 。 4 实时数据显示模块 。不同掘进工作面的传 感 器数 据可通 过 曲线 图 、 柱 状 图和 列 表等 方 式 进 行 动 态显示 ， 并 通过 颜 色 的变 化 显 示 通 信 状 态 和报 警 级 别 。 5 历史数据显示及报表显示打印模块 。该模 块可通过曲线图、 列表方式进 行原始数据 、 日报表 、 月报表 、 报警统计 、 自定义等各种类型报表的查询及 打印 。 6 数 据 分析 预警模 块 。为 了对 采集 数 据 的 准 确性进 行判 断 ， 采 用 均 方 差分 析方 法 将 复 杂 的 原始 数据进一步处理后 ， 得 出巷道顶板受力连续 曲线[ 7 ] 。 例如当顶板应力高于平均值且小于 1 倍均方差时为 受力较高 ， 高于 2倍均方差时定义为异常数据 。采 用直方 图分析法进行巷道应力分析 ， 绘制某时间段 内顶板应力一 时 间百分 比柱状 图， 作 为评估 巷道支 护质 量 的依 据 。 3 ． 2多参量 综合预 警模 型 巷道 围岩 状态 监 测 主要 包 括 巷道 围岩 位 移 、 锚 杆 索 应力、 声发射信号等， 传统的预警方式为每一 个监测参量设定预警 阈值上下 限， 当监测值达到该 限值时发出声光报警。该方法很难解决系统误报、 漏报等问题。为了最大限度地 提高报警的准确性 ， 需要 对报 警数据 进行 多个 参量 的关 联分 析 。 当巷 道 受 力 发生 变 化 时 ， 往 往是 所 监测 的多 个 参量 同时 发生 变化 的过 程 ， 例 如 当巷道 顶 板 来 压 增 大 时 ， 顶板 应力 会相 应增 加 ， 巷 道发 生变 形 。随着 煤 岩受到挤压破裂， 会探测到相应的声发射信号等 ， 而 巷道 的变 形 和围岩 的破 裂又会 释放 掉一 部分 聚集 的 能量 ] 。巷道 围岩监 测 的多参 量综 合预警 流程如 图 7所示 。 系统软件采用监测值的增量或增速来分 析判 断异 常情 况 的发 生 ， 监 测 值 的增量 或 增 速 视 煤 矿实际情况及经验而定 。通过 3 个参数 的综合增量 变化 ， 按 照预设 的判断 流程来 确定 是否 发 出预警 。 巷道围 岩声发射信号l l 锚杆 索 应力 信号I l 巷道围 岩位移信号 Y l l Y 【 Yl 4结语 童 里 堂 整 壅 l I 奎 壅 望 图 7 多参量综合预警流程 煤矿 掘进 巷道 围岩压 力 在线监 测 预警 系统 已得 到实 际应 用 ， 实 现 了对 掘 进 工 作 面前 5 0 1T I 围 岩 应 力、 顶板位移 、 声发射等参数的实时监测 。该系统采 用无线 自组网的数据传输结构 ， 延长了无线传感器 的通信距离 ， 降低了传感器的电能损耗 ， 解决 了巷道 掘进工作面传感器安装、 布线困难等难题。该系统 多参量综合 预警模 型的应用有效减少 了预警 的误 报 、 漏报 ， 提 高 了系统 的准确 性 和可靠 性 。 参 考 文 献 [ 1 ] 殷 大发．煤矿 围岩动力灾 害监测预警 系统 [ J ] ． 煤矿安 全 ， 2 0 1 2 1 2 1 0 5 ． [ 2 ] 李 忠奎 ， 姚 永辉 ， 温 良， 等 ． C AN多 主通 讯技术 在煤 矿 顶板监 测 系统 中 的 应 用 [ J ] ． 电 子 工 程 设 计 ， 2 0 1 1 ， 1 9 2 1 9 3 9 6 ． E 3 ] 郎宽明． C AN总线原理和应用系统设计E M] ． 北京 北 京航空航天大学出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 4 ] 赵佰亭， 祝龙记， 魏蓝蓝． 煤矿巷道顶板离层结构健康 监测系统设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 9 5 - 7 ． [ 5 ] 吕一磊 ， 何小 刚． 基 于 Z i g B e e 技 术 的煤矿 巷道 安全 监 测系统设计E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 4 1 1 5 - 1 1 8 ． [ 6 ] 乔钢柱． 基于无线传感器网络的煤矿安全综合监控系 统设计 与 关 键 技 术 研 究 [ D] ． 兰 州 兰州 理 工 大 学 ， 2 01 2 24 - 25 ． E 7 ] 李兴伟 ， 任 萍沼 ， 李 捷． 工作 面顶板压力 实测 及动态 分 析[ J ] ． 煤炭学报 ， 1 9 9 5 ， 2 0 增刊 3 6 3 7 ． E 8 ] 连清旺． 矿井 顶板 围岩 状态 监测 及灾害预 警系统 研 究及应用E D] ． 太原 太原理工大学 ， 2 0 1 2 1 1 1 2 ．