煤礦采區變電所智能型頂板離層預警裝置

倪 娟

(潞安環能股份公司 王莊煤礦，山西 長治 046031)

近年來，雖然中國已經開始控制煤炭產能，但我國以煤炭為主導的能源結構還難以改變。煤礦采區變電所擔負著整個采區的受電、配電、變電任務，是煤礦開采運輸的重要基石。由于井下變電所采用錨桿支護，頂板活動較為隱蔽，難以察覺躲避。在采區變電所應用智能型頂板監控預警裝置，實時監測頂板活動，及時發出預警，對于從業人員的安全具有重要意義。

1 研制智能型頂板監控預警裝置的目的

煤礦采區變電所是采區的供電中心，它擔負著整個采區的受電、配電、變電的任務。

1) 受電：井下采區變電所將地面變電所經井筒由高壓電纜輸送6 kV電能，通過總高壓隔爆開關接受。

2) 配電：將總高壓隔爆開關輸出6 kV電能，經分路高壓隔爆開關向高壓設備、整流設備及采區變電所供電[1]。

3) 變電：通過礦用變壓器，將6 kV電壓降為660 V、1 140 V和3 330 V，供給井底車場附近的低壓動力設備。如中央水倉水泵、井底提升絞車及照明變壓器等用電設備。為保證供電可靠，井下采區變電所全天24 h必須有專人看護。所以中央變電所的頂板支護顯得尤為重要。

目前采用的頂板離層儀需要人工定期觀測，達不到自動監測和預警功能。由于井下變電所采用錨桿支護，頂板活動具有隱蔽性，巷道冒頂的預兆不易被人察覺，甚至在冒頂時人員無機會躲避，所以要對巷道進行頂板離層觀測。目前采用的頂板離層儀需要人工定期觀測，達不到自動監測和預警功能。智能型頂板監控預警裝置主要用于監測井下變電所頂板離層量，為巷道的及時支護和安全管理提供依據。該裝置可在井下就地監測預警，又可將監測數據通過礦井監控網絡傳輸到地面調度指揮中心。

2 智能型頂板監控預警裝置設計

2.1 硬件設計

智能型頂板離層監控裝置由位移傳感器、傳感器托架、金屬感應板、監控主機、報警裝置、通訊傳輸系統和就地監控分站等組成。

1) 位移傳感器、傳感器托架、金屬感應板。為了解決頂板離層觀測參照的問題，在頂板離層監控過程中本裝置將采用位移計監測方法，在頂板埋設基點，測量頂板的位移，位移傳感器采用本安型NJ4-12GM電子接近開關，它的作用是與金屬板相配合感應頂板離層位移信號，并將位移信號轉換成電信號送至監控主機。

2) 報警裝置。正常工作時，報警裝置能通過電路放大位移信號，驅動裝置顯示頂板離層量。當位移信號超過閾值時，直接驅動顯示報警裝置YB-1發出語音警報，其中閾值根據采區實際條件進行調節。

3) 監控主機。地下的監控主機采用S7-200可編程序控制器，它可集中處理輸入離層監測信號和輸出控制語音報警裝置，并能實現數據采集、存儲的功能。地表監控部分主要實現了連續監測曲線顯示、歷史數據查詢及報表輸出以及頂板安全的綜合分析評估的功能。

4) 通訊傳輸系統。將監測信號通過RS485通訊端子與井下監測網絡互聯，實現對監測離層信號進行數據上傳至地面。采用的是兩線制的總線式拓撲結構，在同一總線上最多可以掛接32個節點。采用主從通信方式，即一個主機帶多個從機。考慮礦井的特殊條件，采用STP-120 Ω專用電纜，一對18AWG。

5) 就地監控分站。就地監控分站將不同測點的實測頂板離層數據通過預埋光纖進行傳輸，實現采區關鍵區段的頂板集中觀測，方便工作人員進行數據分析并統籌安排。在頂板離層超限時，報警信號也會先集中到分站，然后傳遞到地表。

2.2 軟件設計

智能型頂板離層監控軟件基于編程語言，集成了通用模塊、監控模塊、顯示報警模塊以及網絡模塊，其中通用模塊起到系統初始化，人機交互的作用，地下工作人員可以通過交互功能實時查看獲取相關頂板參數，并進行簡單的預測分析。監控模塊則需要通過信道采集轉化來自位移傳感器的數字信號，完成差分數據和原始數據的保存工作，并保證完整的采樣周期內設定故障自查，確保模塊安全準確運行。顯示報警模塊提供了頂板離層閾值的設定接口，采用內置算法對頂板離層信息進行分析測算，便于綜合分析及頂板安全評估分析。網絡模塊則通過信道傳輸協調各測點信息，分配端口進行串行通信。

3 智能型頂板離層監控裝置的工作原理

3.1 安裝結構

將變電所的頂板分為若干個區段，如圖1所示，每10 m2為1個區段，每個區段內部布置2個位移傳感器，將自制1塊5 cm2的金屬感應板固定在頂板上，位移傳感器安裝在自制的鐵制托架上，將托架上的位移傳感器調整到固定在頂板上的金屬板下方，調整好位移傳感器與金屬板的間距，這個間距控制在1 mm以內。

圖1 區段內頂板監測設備布置

3.2 電氣圖

當地質結構發生變化時，頂板下降,安裝在頂板上的金屬板也隨之下降,觸發了位移傳感器，位移傳感器傳位移信號送至監控主機，主機輸出接通報警裝置，發出語音預警，通知變電所內的工作人員，采取相應的處理措施。同時監控主機將離層數據上傳地面，通知礦井生產調度中心。本裝置可同時監控若干個區段發送過來的頂板離層信號，同時也會發出該區段的離層語音報警。

圖2 電氣布置

如圖2所示，信息在由位移傳感器采集后經由S7-200編程的PLC主機進行分析，如果頂板離層超過限制，經由語音報警系統進行廣播。所有頂板信息都會通過RS485通訊端子和地下的KJF網絡分站進行通信，KJF網絡分站還負責一部分的數據儲存和分析工作，最后信號傳遞至地面調動中心，由地表人員根據實測數據進行分析研判，實現統一調度。

3.3 實現功能

1) 監測預警功能。①井上計算機動態顯示監測參數，報警。地下網絡分站將頂板監測信息實時傳輸至井上調度中心，由專門的軟件對監測信息進行處理，實現動態的參數顯示。②井下現場顯示數據和報警。采取變電所的PLC主機通過顯示屏來顯示監測數據，在頂板離層值發生異動時及時發出警報。③監測數據自動記錄存儲。監測數據通過PLC主機傳遞至網絡分站，由網絡分站進行自動儲存，并發送至井上存入數據庫。④連續監測曲線顯示，分析。通過軟件及相關算法，對監測數據進行處理，畫出實時監測曲線，便于工作人員觀察，并給出分析結果，可用于參考。⑤歷史數據查詢及報表輸出。可以通過登錄數據庫進行歷史數據查詢，也可以在網絡分站查詢一定時間內的數據存儲，并輸出報表。⑥綜合分析及頂板安全評估分析。根據頂板實時監測數據、長期的監測曲線以及技術人員分析得到的參數進行綜合分析和頂板安全評估分析。

2) 動態監測網絡功能。①網絡用戶web訪問模式在線動態監測。井上調度室在獲取來自網絡分站的監測數據時，通過網絡分享給有權限的admin用戶。②數據庫數據信息共享。井上調度室將監測數據同步至MYSQL數據庫，實現數據信息的儲存和共享，出于安全的考慮，設置權限并進行備份。③監測日報網上報表。網絡分站將每日的監測信息進行分析整合，生成電子報表。④重要事件的GPRS短信尋呼功能。建立GPRS數據收發單元及數字信息用戶群。井下監測網絡通過井下的網絡分站接入礦井主站交換機將數據傳送到井上。

4 智能型頂板離層預警裝置使用效果

在試驗過程中,智能型頂板離層預警裝置性能穩定，數碼顯示清楚,語音提示準確，能實時監控變電所的頂板變化情況，監測的數據準確、有效，不但能將這些數據及時上傳至地面，而且在現場能發出語音提示，如變電所的一號區域頂板發生離層，語音報警系統這時會發出“一號區域頂板離層，請工作人員注意檢查”的語音播報，同時預警燈閃爍。該預警信號直至隱患排除方可自動接觸報警，本裝置的使用為礦井安全生產又增加了一道安全防線。