頂板大數據智能監測分析系統研究

王硯鑫

（山西晉能控股煤業集團沁秀公司岳城煤礦， 山西 晉城 048006）

引言

頂板動態監測作為井下煤礦智能化開采的重要基礎部分，其數據的實時性和準確性一直是智能化水平的重要標志。隨著采礦設備的發展和采煤技術的進步，高強度開采工作面逐漸成為現代化礦井的主要開采方式，此類工作面巷道斷面大、割煤高離度高，煤柱應力集中、回采擾動大，對煤層條件、巷道支護質量、頂板管理水平要求更高，一旦出現數據延遲或上傳不及時不全面，極易誘發片幫冒頂、煤壁彈射、壓死支架等事故。因此，要做好頂板事故的預警及防治工作，建立頂板大數據的智能化監測分析，為煤礦提供一個安全的生產環境。

1 岳城礦13081 巷概況

13081 巷為岳城礦一盤區礦壓顯現最為集中的一條順槽巷道。目前巷道均采用機械式頂板離層儀進行頂板管理，但機械頂板離層有讀數裝置太過分散，若對所有安裝頂板離層儀的數據進行觀測，就必須對所有裝置進行一遍人工輪巡，并進行手工記錄分析后才能得到整條巷道的頂板支護狀況，費時費力，難以建立有效的預防決策機制[1]。當頂板離層、壓力等參數變化過大或過快時監測裝備極易失效，無法及時將頂板信息數據傳輸至地面，如果不及時采取支護或補救措施，則有可能發生頂板事故。因此計劃在13081 巷研究應用一套頂板大數據智能監測分析系統，通過電子式的頂板離層監測設備將離層位移數據傳輸至地面并智能分析，為工作人員決策提供大數據依據。

2 系統設計

2.1 主要內容

在13081 巷研究應用一套頂板大數據智能監測分析系統，實時監測巷道各個監測點的離層位移參數和錨桿（索）受力參數并提出智能分析，為監測巷道的頂板離層情況提供數據支持。其技術路線如圖1：

圖1 技術路線示意圖

如圖1，根據頂板動態監測設備分布以及前期調研情況確定控制系統的總體架構，明確系統各層結構的作用及通訊方式，根據系統設備安裝圖對電源、分站、傳感器及電纜進行敷設，待調試完畢后進行系統試運行。

2.2 系統架構

根據方案設計思路，頂板動態監測系統包括三部分：井下傳感器網絡系統、數據傳輸網絡系統、地面監測服務器系統。如下頁圖2 所示。

2.2.1 井下傳感器網絡系統

井下傳感器網絡系統主要由多個位移傳感器、對位移傳感器供電的電源箱、本安型分站等設備組成。通過布置在頂板的位移傳感器實現對監測點頂板離層的實時監測，將各個測點監測數據通過礦用通信電纜連接到所屬區域的本安型分站上，由本安型分站接入數據傳輸網絡系統進行數據上傳[2]，從而實現對井下頂板離層、的監測。

圖2 系統構架圖

2.2.2 數據傳輸網絡系統

傳輸網絡系統擔負著將井下頂板動態監測系統的監測數據按照采集要求及時傳輸到煤礦監控中心機房的服務器等設備中。通過井下環網，將分站中的數據傳輸至地面機房上位機，實現井下頂板動態監測系統的數據傳輸。

2.2.3 地面監測服務器系統

地面監測服務器系統主要由部署在監控機房的服務器設備、監控中心的監控設備和監控業務管理軟件組成；監控機房的服務器設備包括數據庫服務器設備、數據服務軟件、網絡交換設備，按照行業安全要求，數據庫服務器使用Rose 雙機熱備份方式進行數據存儲；數據服務軟件作為頂板監測系統核心設備，采用經過主機加固的BSD UNIX，避免了病毒感染和外部攻擊。設備承載了數據采集、設備控制管理和業務分析軟件。

3 主要設計

3.1 分站結構設計

數據上傳分站設計如圖3 所示。圖3 為分站外形結構由殼體、進線裝置、顯示窗、懸掛裝置、主板及彩色液晶顯示器等組成，分站主控芯片采用STM32F207，外圍電路包括 2 路 CAN 總線接口、1 路以太網電口、1 路RS485 接口、藍牙無線接口等。來自配接設備的不同制式的信號，通過主控芯片處理后，分別進行顯示、數據存儲，并將信號上傳至交換機，供地面計算機分析和處理[3]。

3.2 上位機軟件設計

圖3 分站結構設計圖

本軟件開發是基于煤礦頂板地質構造學，采用Visual Studio2010 軟件編程開發。系統采用客戶端/服務器（C/S）架構，在安裝客戶端的計算機上，可以查看相關數據。系統主要用于煤礦井下頂板離層動態的監測和分析。軟件設計主要分為系統管理和頂板離層數據監測模塊。系統管理模塊包含：用戶管理、基礎數據錄入和監測設備信息維護等；頂板離層數據監測模塊主要功能有：實時數據列表、歷史數據列表、歷史數據曲線、離層數據統計、異常值查詢、傳感器狀態查詢、實時數據圖表顯示、機械式離層儀數據錄入、機械式與電子式離層儀數據對比、歷史數據報表、Excel 報表等。

4 現場實驗及結論

項目于2019 年6 月在2324 工作面開始實施，于2019 年9 月安裝調試完畢進入試運行，其現場安裝如圖4 所示：

圖4 2324 工作面布置圖

如圖，巷道全長約1 370 m。電源與分站放置于變電所內，并接入交換機。傳感器在23243 巷共計安裝20 臺，經過調試后，全部傳感器數據上傳至地面。通過頂板位移傳感器對巷道頂板離層量進行監測，并在分站設備的屏幕上實時顯示監測數據，通過井下環網將數據傳輸至地面計算機，最終進行頂板離層量數據的查看、分析和輔助決策。通過對2324 工作面巷道的頂板離層規律進行研究，研究的主要結論如下：

1）結合相關的文獻和本礦的現場情況，將回采巷道的頂板離層劃分為3 個時期：未受采動影響區、采動影響區、劇烈采動影響區。

2）當頂板測點處在采動影響范圍之外時，巷道的離層值和離層速度較小，在劇烈采動影響區，離層值呈指數型增長，增長較為劇烈。

3）結合現場數據的預測趨勢和數值分析，確定巷道頂板離層下沉量在110 mm 左右，由彈塑性變形、擴容變形、碎脹變形、折曲變形等因素引起的巷道變形量在95 mm 以上，頂板層面間的分離距離在15 mm 以下，主要離層下沉區域較大可能發生巷道頂板2.5 m 以內的錨桿控制區域。

4）系統完成了頂板動態監測數據庫的建立和基于監測數據的智能分析方法的實現，并在頂板動態監測軟件中實現了對監測數據的預測預警功能。