掘進工作面智能監測系統設計與應用研究

宋宇奇

（晉能控股煤業集團晉華宮礦，山西 大同 037000）

晉華宮礦一采區位于井田的東北部，礦區內東部高西部低，西部最低處標高1265 m，東部最高處標高1470 m，相對高差205 m。煤層的上限標高為1 166.878 m，下限標高為680 m，可采儲量為2621萬t。一采區設計產能2.0 Mt/a，正常涌水量為159 m3/h，最大涌水量為238 m3/h。礦井的絕對瓦斯涌出量為0.241 m3/min，相對瓦斯涌出量0.097 m3/t。老頂巖層的運動、失穩和平衡主要影響工作面前方支承壓力大小，老頂巖性和厚度在初次來壓期間對頂煤冒放性影響較大。在一采區工作面掘進過程中，由于井下風水管路鋪設距離較遠，使工作面上出現嚴重堆煤現象，長時間不處理后會造成巷道堵塞、通風不暢，使掘進速度和降塵效果大大降低[1-2]。因此，設計智能監測系統，通過實時監測和安全預警，確保巷道管路暢通，保障井下安全生產[3]。

1 智能監測系統組成

智能監測系統通過多傳感器監測終端實時監測巷道管路的壓力、流量以及溫度等參數，達到智能監測的目的[4]。智能監測系統主要包括監控服務器、服務器端監控軟件、網絡交換機、通用監控分站、監控總站、 安全電源、電磁閥和各種傳感器。各監控分站通過RS232 總線將數據傳輸到監控總站[5-6]，單條傳輸路徑的最大距離為8 km，整個系統沒有通信距離限制。井下與地面主機通過以太網交換機將數據傳輸到監控服務器，在服務器上安裝上位機，當巷道管路出現壓力、流量、溫度等參數超限以及泄漏時，及時報警并采取必要措施。監控服務器同時具有統計、分析和處理數據能力，可全面分析巷道通風、供水等工作狀態。總體框架如圖1。

圖1 智能監測系統總體框架

2 監測系統硬件設計

監控總站以微處理機為核心，監控總站采用脈沖計數方式[7-8]，同時配置多個開關量和模擬量接口，通過與傳感器連接實現對工作面迎頭供水、供風管路壓力、巷道的風速和風量、工作面粉塵濃度等參數的采集和控制，并經總線通信將采集的實時數據與地面計算機進行數據交換。其中，供水、供風管路的壓力通過傳感器輸出頻率信號，通過監測水壓來判斷管路是否漏水，監測風壓來判斷管路是否漏風。水壓傳感器的量程為0～2.5 MPa，風壓傳感器的量程為0～1 MPa，風速傳感器的量程為0.4～1.5 m/s。

智能監測系統硬件主要包括單片機模塊、電源模塊以及電流電壓檢測模塊，如圖2。單片機采用AT89-C51 型，電流電壓檢測采用高靈敏度的AN3503 霍爾元件[9]，通過輸入磁感應強度，輸出與其成正比的電壓。當電源電壓為5 V 時，霍爾元件輸出電壓為2.5 V，當導線電流增大時，輸出電壓隨之增大，而A/D 轉換器的輸入電壓為0～60 V，因此不需要設置放大電路，在輸出端設計一個跟隨電路。

圖2 系統硬件框圖

3 監測系統軟件設計

監測系統采用RS232 總線進行數據通信，依據上位機組態軟件的控制命令設計通信主程序，主站接收到相應數據后，按規定格式進行數據傳送[10]，主程序流程圖如圖3。利用串口接收中斷服務程序，主要完成對數據的保存以及中斷標志位的切換，以確保準確無誤接收數據，提高系統運行效率。

圖3 主程序流程圖

監控軟件顯示界面能顯示掘進工作面總體運行狀態，包括參數設置、歷史曲線、報警記錄、狀態顯示、設備運行等界面，實時顯示掘進工作面巷道的供水、供風管路壓力、巷道風速和風量、故障檢測等參數，通過傳感器還可對工作面內的粉塵濃度、設備運行狀態進行檢測。

結合智能監測系統安全預警的設計要求，系統要同時具有對工作面聲、光、圖像等數據的采集和預處理，以及對信息的篩選、控制和存儲等功能。因此，通過采集視頻圖像得到單幀圖像，對圖像進行去噪、銳化等算法處理。由于系統要采集連續完整的圖像，而數據在實際傳輸過程中，考慮到環境因素的影響，采集的圖像難以達到處理要求，需要進一步對圖像進行編譯后再處理，經信息接口傳輸，通過SQL 數據庫對采集到的數據進行分析和存儲，最終顯示在地面監控界面上。

4 應用效果

晉華宮礦一采區工作面對智能監測系統進行現場應用，共安裝2 個監控主站、6 個監控分站、1個通信分站，各路管道上的壓力傳感器直接和監控分站連接，由監控分站采集傳感器數據，對數據進行處理、分析和存儲后，傳輸到地面計算機主機中。

通過實際觀測得到整個系統測試數據。系統的故障檢測精度小于50 m，系統出現超限報警的傳輸時間小于3 s，監測系統能正常運行，系統可靠性強、通信穩定。通過現場監測和地面的數據處理，為工作面安全掘進提供可靠數據，在工作面條件發生改變時，及時傳遞設備狀態，消除事故隱患。