矿井平峒边坡稳定检测系统.pdf

分类号TP212.9 分类号TP212.9 密 级 公 开 密 级 公 开 U D C U D C 单位代码 10424 单位代码 10424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 矿井平峒边坡稳定检测系统 矿井平峒边坡稳定检测系统 吴力民 吴力民 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位 领域名称领域名称控制工程控制工程 指导教师姓名闫指导教师姓名闫 相相 宏宏 职职 称称高级工程师高级工程师 山 东 科 技 大 学 山 东 科 技 大 学 二零一二年五月 二零一二年五月 论文题目论文题目 矿井平峒边坡稳定检测系统 矿井平峒边坡稳定检测系统 作者姓名作者姓名 吴吴 力力 民民 入学时间入学时间2010 年年 9 月月 专业名称专业名称 控制工程控制工程 研究方向研究方向 智能检测智能检测 指导教师指导教师 闫闫 相相 宏宏 职职 称称 高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2012 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2012 年年 6 月月 2 日日 授予学位日期授予学位日期2012 年年 6 月月 Mine adit slope stability detection system A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Wu Li Min Supervisor Professor Yan Xiang Hong College of ination and electrical engineering May 2012 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所 公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交 于其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 AFFIRMATION AFFIRMATION I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date I declare that this dissertation, ted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been ted for qualification at any other academic institute. Signature Date 山东科技大学工程硕士学位论文 摘 要 摘要 矿井平峒边坡稳定检测系统是煤矿安全监测系统的一个重要组成部分，用来检测矿 井平峒边坡的稳定性，为煤矿安全生产提供保障。要检测矿井平峒边坡的滑动、下沉等 不稳定状况， 本设计在边坡上设置了 60 个检测点， 每个检测点从横向位移量和纵向位移 量两方面进行检测，横向位移量通过检测离层位移量来进行判定，纵向位移量通过检测 液压变化量来进行判定。再将检测到的数据通过无线通讯发送给通讯分站，通讯分站再 将检测数据通过有线传输发送给通讯总站，最后发送给 PC 机，进行综合分析与处理。 本设计主要包括三个部分压力检测仪表的设计、离层检测仪表的设计、通讯分站的设 计。 压力检测仪表通过检测液压变化量来判定边坡稳定性， 主要包括高精度压力传感器、 温度传感器、A/D 转换、433MHZ 无线射频通讯等部分。离层检测仪表通过检测离层位 移量来判定边坡稳定性，主要包括高离层传感器、A/D 转换、433MHZ 无线射频通讯等 部分。通讯分站接收各检测仪表发送来的无线数据，再将其转换为 RS485 信号，发送给 通讯总站，通讯分站主要包括无线射频通讯部分和 RS485 转换部分。本论文设计的矿井 平峒边坡稳定检测系统能够精确、实时检测边坡的稳定性，能及时发现边坡的不稳定现 象，为处理险情赢得时间，保障了煤矿工作人员的生命财产安全。 关键字关键字矿井平峒边坡;稳定检测;压力检测仪表;离层检测仪表;通讯分站 山东科技大学工程硕士学位论文 摘 要 Abstract Mine adit slope stability detection system for coal mine safety monitoring system is an important component of, used in the detection of coal mine tunnel slope stability, for the coal mine production safety to provide protection. To detect mine adit slope sliding, falling not stable state, in the design of the slope is provided with 60testing points, each point detection from the horizontal displacement and vertical displacement of two respects undertake detecting, horizontal displacement by detecting layer displacement to undertake judging, longitudinal displacement by detecting the variation of hydraulic judgement. Then the detected data through wireless communications sent to the communication station, communication station and the testing data through wired transmission is sent to the communication station, and finally sent to the PC machine, a comprehensive analysis and processing. This design mainly includes three parts pressure detecting instrument design, delamination detection instrument design, communication design of substation. Pressure detecting instrument by detecting the hydraulic variation to determine the stability of slope, including high precision pressure sensor, temperature sensor, A/D conversion,433MHZ wireless radio frequency communication such as part of. Separation detecting instrument by detecting layer displacement to determine the stability of slope, including high layer sensor, A/D conversion,433MHZ wireless radio frequency communication such as part of. Communication station receives the detection instrument is sent to the wireless data, and then convert it to a RS485signal, is sent to the communication station, communication station including a radio frequency communication and RS485 transation. In this paper the design of mine adit slope stability test system is capable of accurate, real‐time detection of slope stability, can be found in the slope instability phenomenon, to deal with the danger to win time, protect the life property safety of coal mine staff. Keywords Mine adit slope; stability testing; pressure testing instrument; instrumentation; communication sub‐station separation 山东科技大学工程硕士学位论文 目录 1 目目 录录 1 绪论1 绪论 ....................................................................................................................................... 1 1.1 引言.................................................................................................................................................. 1 1.2 影响矿井边坡稳定的因素 ............................................................................................................... 1 1.3 矿井平峒边坡稳定检测原理简介 ................................................................................................... 3 1.4 课题的来源及本论文的主要内容 ................................................................................................... 4 2 矿井平峒边坡稳定检测系统方案设计矿井平峒边坡稳定检测系统方案设计 ................................................................................. 5 2.1 检测系统方案概述 ........................................................................................................................... 5 2.2 检测方法与原理 ............................................................................................................................... 6 2.3 监测数据的采集与处理 ................................................................................................................. 11 3 矿井平峒边坡稳定检测系统的硬件设计矿井平峒边坡稳定检测系统的硬件设计 ........................................................................... 15 3.1 系统硬件总体构架设计 ................................................................................................................. 15 3.2 压力检测仪表硬件设计 ................................................................................................................. 16 3.3 离层检测仪表硬件设计 ................................................................................................................. 31 3.3 通讯分站硬件方案设计 ................................................................................................................. 36 4 矿井平峒边坡稳定检测系统软件设计矿井平峒边坡稳定检测系统软件设计 ............................................................................... 42 4.1 压力检测仪表软件设计 ................................................................................................................. 42 4.2 离层检测仪表软件设计 ................................................................................................................. 46 4.3 通讯分站软件设计 ......................................................................................................................... 49 4.4 无线通讯模块参数配置 ................................................................................................................. 51 致谢致谢 ........................................................................................................................................... 57 参考文献参考文献 ................................................................................................................................... 58 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 ........................................................................................................... 61 山东科技大学工程硕士学位论文 目录 2 Contents 1 Introduction ............................................................................................................................ 1 1.1 Introduction ....................................................................................................................................... 1 1.2 Influence factors of mine slope stability ........................................................................................... 1 1.3 Mine adit slope stability detection principle ..................................................................................... 3 1.4 The source of the subject and the main contents of this thesis .......................................................... 4 2 Mine adit slope stability detection system design ................................................................ 5 2.1 Detection system overview ............................................................................................................... 5 2.2 Detection and principle ........................................................................................................ 6 2.3 Monitoring data acquisition and processing .................................................................................... 11 3 Mine adit slope stability detection system hardware design ............................................ 15 3.1 System hardware architecture design .............................................................................................. 15 3.2 Pressure detecting instrument hardware design .............................................................................. 16 3.3 Delamination detection instrument hardware design ...................................................................... 31 3.3 Hardware design of communication station .................................................................................... 36 4 Mine adit slope stability detection system software design .............................................. 42 4.1 Pressure instrumentation software design ....................................................................................... 42 4.2 Delamination detection instrumentation software design ............................................................... 46 4.3 Software design of communication station ..................................................................................... 49 4.4 The wireless communication module configuration parameters ..................................................... 51 Thank ........................................................................................................................................ 57 Reference .................................................................................................................................. 58 Scientific Research and Published Papers ............................................................................ 61 山东科技大学工程硕士学位论文 绪 论 1 1 1 绪论绪论 1.1 引言1.1 引言 当前，我国的经济建设取得了举世瞩目的伟大成就，并且仍在高速发展。而能源是 经济发展的动力和基础，经济的高速发展需要充足的能源保障。目前我国各类能源消费 所占的比例中，煤炭的消费占了一半以上。如在二零零五年，煤炭资源在我们国家一次 能源生产中所占的比例是百分之七十六点零，在一次能源的消费中所占的比例是百分之 六十八点九，在我们国家，总的用电量中的大约百分之七十六是由煤发电得到的，大约 日常非工业用商品能源的百分之六十，化工工业原始取材的百分之七十以及工业原动力 和工业燃料的百分之七十六也是由煤炭资源提供的。由此可见，在我国经济发展对煤炭 资源的依赖程度已经达到了无可替代的程度。而煤炭的开采却是一个高危行业，随时可 能发生各类事故。例如煤矿突水事故、火灾事故、瓦斯爆炸、煤尘爆炸、顶板事故、 运输事故等等。造成煤矿安全事故的原因有很多，其中矿井平峒边坡的稳定性也给煤矿 安全生产带来了巨大威胁，如果矿井平峒发生塌方或塌陷，将给煤矿带来巨大的财产损 失和人员伤亡，为此我们需要研发专门的矿井平峒边坡稳定检测系统，实时监测边坡的 稳定性，当边坡有发生不稳定趋势的时候我们可以通过矿井平峒边坡稳定检测系统迅速 得知， 从而采取补救措施或者迅速撤离人员和设备， 最大程度减小财产损失和人员伤亡。 因此，研究和生产矿用安全检测设备，为煤矿的安全生产提供保障，具有重要的理论意 义和现实意义，为我国经济现代化建设做出贡献。 1.2 影响矿井边坡稳定的因素影响矿井边坡稳定的因素 矿井平峒边坡的稳定性对煤矿的安全生产产生重大影响，因此，准确检测分析边坡 的稳定性具有重大意义。影响边坡稳定的因素有很多，其中，边坡的地质条件、地形地 貌、气候条件等，是影响边坡稳定的决定性因素。要保证矿井平峒的边坡稳定性，首先 山东科技大学工程硕士学位论文 绪 论 2 我们要了解影响边坡稳定的因素有哪些。只有了解影响稳定的因素，才能有针对性的对 其稳定性进行检测。 1、地质构造将对边坡稳定产生重大影响。 表现为边坡的发育程度、连通性、规模、填充物成分、填充程度和结构面的状态对 边坡稳定性的影响。在分析结构面对矿井平峒边坡稳定性的影响时，要特别了解边坡的 岩土成分，岩土成分的不同将会是决定边坡是否稳定的决定性因素。其次要了解边坡的 倾斜程度，倾斜程度的大小也能很大程度的决定边坡是否可能发生滑动。 2、地貌因素能够影响边坡稳定性。 边坡的形态和规模等地貌因素对边坡稳定的影响是很明显的，不利的形态和规模的 边坡会给坡顶产生张应力，并引起裂缝；在边坡产生强烈的剪应力，能形成剪切破坏带， 这些因素极大的影响了边坡的稳定性。 3、气候条件也能对边坡稳定产生重大影响。 气候类型不同，大气降水量也不同。降水量的不同也将决定边坡稳定性的不同。暴 雨或长期降水过后，会出现边坡不稳定现象增多的状况，这说明降雨量对边坡的稳定性 有重要影响。大气降水能够提高地下水的补给量，一方面降低边坡的岩体强度，加大边 坡滑动的概率；另一方面增加边坡的下滑力，两者相结合很大程度的降低了边坡的稳定 性。 4、风华作用影响边坡稳定性。 风化作用使岩体的强度减弱，裂隙增大，影响边坡的形状和坡度，透水性增大，是 地表水容易侵入，改变地下水动态。裂隙风化时，能是岩土体沿边坡滑落、崩塌、堆积 等。 以上多种因素都将影响边坡的稳定性，降低边坡强度，增加边坡滑动的可能。当边 坡稳定性降低时，将会影响煤矿的安全生产，威胁煤矿的财产安全和人员安全，因此我 们有必要对矿井平峒的边坡稳定进行检测[1]。能够及时迅速的了解矿井平峒边坡的稳定 性，即便是微小的变化也能迅速检测到，能够为煤矿的安全生产带来重要保障。 山东科技大学工程硕士学位论文 绪 论 3 1.3 矿井平峒边坡稳定检测原理简介矿井平峒边坡稳定检测原理简介 检测矿井平峒边坡的稳定性，分别对其横向位移和纵向位移进行检测。对边坡稳定 进行直接测量不方便而且不准确，因此，本文的检测方案是分别检测其横向位移和纵向 位移。横向位移采用离层传感器进行检测，纵向位移采用压力传感器进行测量。 对矿井平峒边坡稳定进行检测，本设计将对六十个点进行检测，六十个检测点均匀 分布在矿井平峒边坡上，以达到最好的检测效果。每个监测点测量到的数据需要传输到 上位机上，由于监测点位于野外山坡上不适合于大规模进行布线，而且用有线传输成本 较高，因此本设计采用无线传输。每个监测点设有一个无线信号发射器，将检测到的纵 向位移量和水平位移量用无线方式发送出去[2]。 在矿井平峒边坡底部设有一个通讯分站， 此通讯分站的功能是接收边坡上六十个点的无线信号，并将这六十个点的无线信号进行 分析和整理，并将它们用 RS‐485 发送到通讯总站上。 1、横向位移量的测量 检测 A 点是否发生滑动，仅仅检测其纵向位移量是不够的，还要对其横向位移量进 行检测，只有对其横向位移量和纵向位移量同时进行检测才能准确的测量出其滑动幅度 有多大。对横向位移量的检测采用离层传感器来进行测量。 离层传感器需要在边坡上钻一个二十米深的水平孔洞，将离层传感器的深基点固定 在二十米深处，浅基点固定在两米深处，当边坡发生滑动时离层传感器的深基点与浅基 点之间的距离必然会被拉伸，离层传感器可以测得具体的拉伸量，通过测得离层传感器 的具体拉伸长度，便可得到边坡滑动的横向位移量，从而测得边坡滑动的大小程度。 2、纵向位移量的测量 设矿井平峒边坡上的某一点为 A 点，现在我们要对 A 点的纵向位移量进行测量，一 个点无法进行纵向位移的测量，需要有另一个点作为参考点，在边坡上另找一点 B，通 过检测 A 点与 B 点的垂直高度是否有变化来确定边坡是否稳定、是否有滑动，如果 A，B 两点之间的高度差无变化，说明边坡稳定，如果两点之间的高度差有变化，哪怕只是微 小的变化也说明边坡有滑动或塌陷等不稳定现象。 这样，们就可以通过检测 A 点与 B 点的垂直高度是否有