井下液壓支架壓力在線監測系統的優化設計

王彬發

（陜西彬長小莊礦業有限公司， 陜西 咸陽 713500）

引言

隨著工作面埋深的加大，井下液壓支架所受地應力越來越大[1]，為預防應力過大對工作面造成的不良影響，做好對井下液壓支架壓力改變的監測工作就顯得非常重要，而傳統的井下液壓支架壓力監測系統存在有線組網規模小、壓力數據上傳不夠及時、系統穩定性差等問題[2]。因此，對井下液壓支架壓力在線監測系統進行優化很有意義。

1 工程背景

小莊煤礦部分工作面井下液壓支架壓力監測系統采用有線連接傳輸方式，傳感器采集液壓支架壓力監測數據后，通過電纜傳輸到壓力監測分站，最后將數據傳輸到液壓監測主機[3]。由于工作面環境比較惡劣，且工作面空間有限，電纜的放置與維護十分不便，當電纜受落石破壞后，尋找和維修都會十分困難，導致液壓支架的壓力監測數據不能及時上傳。同時，有線組網的數據傳輸方式存在著組網規模小、壓力數據上傳不夠及時、系統穩定性差等問題。

因此，針對有線壓力監測系統的缺點，選擇合適的井下液壓支架壓力監測系統顯得尤為重要。

2 液壓支架壓力監測系統的優化選擇

若有線壓力傳感器數據上傳不及時，液壓支架易在工作面惡劣環境的影響下產生故障，而無線壓力傳感系統可以有效解決這些問題。與傳統需要電纜傳輸數據的有線組網的液壓支架壓力監測系統相比，無線壓力傳輸系統采用的是WaveMesh 無線自組網技術，安裝在液壓支架立柱上的無線壓力傳感的液體介質作用到壓力探頭上會產生應變，壓力探頭利用應變原理將壓力信號轉換成電壓信號輸入至AD7706。通過對AD7706 的PGA 編程控制，可實現對不同幅度輸入信號的1～128 倍放大，放大后的信號通過SPI 總線串行輸入至單片機進行處理，處理后的數據顯示在液晶屏上并存至存儲電路，同時將數據通過無線通信電路進行傳輸（動態路由算法選擇最合適的數據傳輸路徑）并匯集到無線監測分站[4]，監測分站采集數據完畢后，通過RS458 接口向監測主機發送數據。無線壓力監測系統的液體介質可以精確地監測液壓支架壓力改變，無線通信電路可保證系統做到數據的實時傳輸。因此，40309 工作面采用無線壓力傳感系統監測工作面液壓支架壓力變化情況。

3 無線監測系統的結構及工作流程

3.1 系統的組成

井下液壓支架壓力監測系統主要由監測主機、上位機軟件、礦用隔爆兼本質安全型交換機、數據光端機、無線監測分站、本質安全型電源和無線壓力傳感器等組成，圖1 為無線監測系統結構圖。

圖1 無線系統結構圖

監控主機對液壓支架壓力數據進行存儲；上位機軟件對數據進行處理分析；礦用隔爆兼本質安全型交換機保障通訊及集控系統正常運行；數據光端機實現“光-電”“電-光”信號相互轉換；無線監測分站接收一組壓力傳感器的傳輸數據；本質安全型電源保證系統斷電后正常運行；無線壓力傳感器監測液壓支架壓力變化情況，并將搜集到的數據傳輸到監測分站，是整個系統設計的關鍵[5]。

3.2 系統的工作流程

40309 工作面液壓支架壓力傳感器分別安裝在ZF14000/21/40D 液壓支架的左右支架控制閥上，系統接通電源后，各部分開始工作。首先由無線壓力傳感器采集液壓支架支柱壓力的數據（通過測量油壓力換算出支架或支柱的工作阻力），然后通過壓力信號采集電路將采集到的液壓支架的壓力變化數據轉換為電信號，然后對搜集的不同幅度的電信號進行不同程度的放大，放大后的信號通過SPI 總線串行輸入至單片機，再在單片機電路中對電壓信號進行分析處理，然后通過無線通信電路將數據以無線電波的形式傳給監測分站，監測分站與傳感器的無線通信采用群呼方式，監測分站先向全網進行幀群發，各傳感器收到命令后觸發中斷，將自身數據發送至監測分站，當液壓支架壓力值超過安全范圍后系統開始預警，確保液壓支架工作阻力在安全閾值范圍內，監測分站通過RS485 總線與光纖環網相連，將數據上傳到液壓監測主機，系統在上位機軟件的支持下，最終實現對井下采集數據的顯示、統計、分析、查詢、打印和網絡傳輸等功能。

4 無線壓力監測系統的應用

4.1 無線系統的優點

各液壓支架無線壓力傳感器可互相自動組建網絡，可有效防止外來無線干擾，保證相互間不受影響，即使系統中部分傳感器存在因故障導致數據無法傳輸的情況，也不會影響其他傳感器的正常運行；可避免因工作面惡劣環境導致有線電纜損壞產生的數據遺漏現象，且數據參數存儲于外部存儲器，可防止因系統程序更新或是傳感器發生故障后導致的前期存儲數據丟失的情況，液壓支架的壓力改變數據在無需無線傳輸部分采用光纜傳輸，數據先通過無線傳輸的方式傳遞至無線監測分站，然后傳輸至壓力監測主機，以保證數據在井下傳送到井上過程中的穩定性，大大提升了數據傳輸效率。

4.2 無線系統的應用效果

為驗證優化后系統的應用效果，觀測小莊煤礦40309 工作面液壓支架壓力監測系統運行效果。工作面采用123 架ZF14000/21/40D 放頂煤支架，每隔5 架安裝一組傳感器，分別安裝在液壓支架的左右支架控制閥上，共24 組傳感器（一組2 個）。取各液壓支架壓力監測平均值繪制液壓支架壓力監測圖，回采期間液壓支架壓力監測圖如圖2 所示。

圖2 液壓支架壓力監測圖

由圖2 可知，在初次來壓及周期來壓期間，液壓支架所受工作阻力劇增。表1 為來壓期間工作面支架支護阻力表。

表1 40309 工作面支架支護阻力表

由表1 可知，工作面初次來壓步距為33 m，液壓支架最大工作阻力為12 170 kN；5 次周期來壓的步距在23.2～25.6 m 范圍，液壓支架最大工作阻力分別為9 178 kN、9 541 kN、9 436 kN、9 760 kN、8 993 kN，工作面現場實測的液壓支架壓力數據與通過無線壓力傳輸系統傳輸到井上監測主機的數據一致，來壓期間液壓支架數據實現了準確有效的實時傳輸，且在監測系統運行過程中，并未出現因系統數據造成的判斷失誤、顯示不正確等問題，監測監控、上傳準確有效。

5 結論

1）為解決有線組網井下液壓支架壓力監測系統維護困難、數據傳輸不及時的問題，40309 工作面采用無線壓力傳感系統監測工作面液壓支架壓力變化。

2）無線壓力監測系統通過無線傳輸的方式將壓力傳感器的監測數據傳輸至監測分站，進而傳輸到監測主機進行處理分析。

3）將優化后的井下液壓支架壓力監測系統應用在小莊煤礦工作面回采過程中，系統數據監測監控、上傳準確、有效且及時。