煤矿顶板动态监测系统

1.一种煤矿顶板动态监测系统，它包括井下综采工作面液压支架监测子系统、巷道顶板及围岩离层监测子系统、煤岩超前支撑应力监测子系统和巷道围岩锚杆支护应力监测子系统，其特征在于，上述四个子系统的数据通过矿用数据通讯电缆传送到井下设置的矿用监测主站；矿用监测主站通过兼容电话线或以太环网交换机传送到井上设置的矿用数据通讯接口，通过矿用数据通讯接口至装有监测分析软件的监测服务器；监测服务器通过网络交换机至矿区局域网，并通过GPRS收发器至GPRS公共数据网；
监测分析软件的处理步骤是：
第一步：先根据矿井情况设置采场顶板参数及报警阈值；
第二步：监测服务器接收到的实时数据与报警阈值进行比较，比较结果超出阈值范围，软件发出事件报警信息；
第三步：同时将实时数据定时存入数据库；
第四步：对数据库中的数据进行趋势分析、多参数关联分析和开采条件对比分析；
第五步：将以上分析情况再根据输入的采场顶板参数作以下处理，一是生成综合报表，二是输出煤矿顶板的危险性的综合预测情况，三是输出到GPRS收发器，对授权用户进行GPRS数据输出。

煤矿顶板动态监测系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及煤矿井下巷道及工作面的顶板动态监测系统。\n背景技术\n[0002] 在各类煤矿事故中，顶板事故仍居前位。随着生产能力的提高、开采强度的增大和向深部开采转移，顶板安全问题越来越凸现，主要体现在三个方面：一是以锚杆支护为主要形式的巷道稳定性。现有的支护参数到底有多大安全系数？需要监测手段进行评估及潜在的危险性预测。二是超前支承压力影响范围多大？压力集中程度多高？支承压力高峰位置在何处？支承压力前移速度是多少？等，与超前支护和冲击地压密切相关因素等其他监测问题；三是回采工作面支护稳定性和安全性。回采工作面支架工作状态怎样？支护是否满足控制顶板的要求？回采工作面上覆岩层初次来压与周期来压步距多大？来压时对目前支护系统有多大影响等。目前，煤矿上已有的监测手段都是独立的，包括煤矿井下综采工作面液压支架监测系统、巷道顶板及围岩离层监测系统、煤岩超前支撑应力监测系统、巷道围岩锚杆支护应力监测系统等。因为各监测单元相互独立，所以不能对监测到的数据进行综合分析处理；除了监测手段独立外，各生产矿井的独立监测，也制约了整个矿区的资源共享。因此，充分利用网络资源，建立一套“基于以太网技术的矿山顶板安全监测系统”，对促使煤矿安全上一新台阶具有实际意义，在全国煤矿中具有重要推广应用价值。发明内容[0003] 本发明的目的就是为满足煤矿井下安全需要，提出一种基于以太网平台建立的可实现全矿井矿压在线监测的综合监测系统。该系统利用矿区或矿井已经建立的计算机网络平台，将各生产矿井顶板动态监测系统组成矿务局级矿区监测网络，实现矿压监测的自动化和信息共享。\n[0004] 本发明的技术方案是：它包括井下四个子系统，即井下综采工作面液压支架监测系统、巷道顶板及围岩离层监测系统、煤岩超前支撑应力监测系统、巷道围岩锚杆支护应力监测系统，其特征在于上述四个子系统的数据通过矿用数据通讯电缆传送到井下设置的矿用监测主站，矿用监测主站通过兼容电话线或以太环网交换机传送到井上设置的矿用数据通讯接口，通过矿用数据通讯接口至监测服务器，监测服务器再传送到网络交换机，通过网络交换机至矿区局域网，并传送到GPRS收发器至GPRS公共数据网。本发明的监测服务器采用工控机，系统监测分析软件采用SQL Server数据库，CS/BS结构，实行多项集成，并发机制，支持多元化参数分析及报警功能。\n[0005] 监测分析软件的处理步骤是：1、先根据矿井情况设置采场顶板参数及报警阈值；\n2、监测服务器接收到的实时数据与报警阈值进行比较，比较结果超出阈值范围，软件发出事件报警信息；3、同时将实时数据定时存入数据库；4、对数据库中的数据进行趋势分析、多参数关联分析和开采条件对比分析；5、将以上分析情况再根据输入的采场顶板参数作以下处理，一是生成综合报表，二是输出煤矿顶板的危险性的综合预测情况，三是输出到GPRS收发器，对授权用户进行GPRS数据输出。\n[0006] 本系统根据煤岩层的赋存特点和物理力学性质，在井下进行布点，安设四个子系统的传感器。根据不同类型监测数据所反映出围岩稳定状态或支护体工作状态的数学力学模式，对四个子系统的监测数据，由工控机进行分析与解释，达到以下自动识别判定：1)巷道围岩安全性；2)或端头支护的稳定性和可靠性；3)或锚杆及支架的工作状态；4)或超前支撑压力分布及转移特征等。四个子系统两两相邻，覆盖内外应力场的整个范围，在同一时间，可以监测到不同位置处的矿压信息；随着顶板岩层在相对稳定的运动到显著运动，再到顶板来压的全过程中，支撑压力高峰要经历先向前方扩展，后向工作面方向收缩的往复过程，上述四个子系统将相继经历压力显现高峰阶段，这样人们就可以从前一个子系统(上一子系统)的信息状态预测相邻系统(下一个子系统)的信息状态；同理，可以从下一个子系统当前的信息状态验证此前在上一个子系统预测的正确性，从而提高顶板动态监测的科学性和准确性。\n[0007] 本系统实现了以下优点：本发明实现了全矿区的数据共享。其理论依据是基于矿山压力分布的“内外应力场理论”。随采场推进，上覆岩层运动和矿山压力的分布都处于不断的变化之中，其中上覆岩层(包括顶板)运动的规律性决定了矿山压力分布及其显现的规律性。在揭示了上覆岩层运动、矿山压力分布及矿山压力显现因果关系的基础上，就可以通过实测得到的矿山压力显现信息，预测上覆岩层运动及矿山压力分布的变化情况。\n[0008] 煤矿顶板动态监测关键是对采场矿压显现有明显影响的顶板岩层运动的监测，顶板岩层运动具有周期性，监测顶板岩层周期性运动过程是监测活动的核心。在顶板岩层周期性运动过程中，矿山压力分布和显现的规律性充分体现在：同一位置处在不同时间矿压显现规律不同；不同时间内，不同位置处的矿压显现规律不同。本发明实现了在顶板周期性运动的全过程中尽可能在较大的范围内，全程监测多种矿压信息并进行综合分析，从而得到准确的预测预报结果。\n[0009] 本发明的特点还在于：四个子系统布置方案依据了上述顶板动态监测理论而进行的。监测系统采用两级总线树型结构，井下监测网络以回采工作面为中心，由远及近布置。\n由远及近的顺序依次是：\n[0010] 1、巷道围岩锚杆支护应力监测子系统。主要监测外应力场中支撑压力高峰的位置，巷道围岩应力状态，评价锚杆工作状态及巷道围岩稳定性状态，为锚杆支护和冲击地压预防等提供依据。\n[0011] 2、煤岩超前支撑应力监测子系统。该系统位于工作面超前巷道中，传感器分布在以顶板岩层端部断线为界的内外应力场两个部分，主要监测顶板岩层在相对稳定和显著运动全过程中，支撑压力显现在内外应力场中的变化过程，为依据支撑压力分布和转移变化而决策矿压问题提供依据，如高峰压力分布位置、范围、顶板来压远期、中期预报等。\n[0012] 3、巷道顶板及围岩离层监测子系统。该系统位于回采工作面上方顶板岩层内，主要监测临近采场的顶板岩柱内的离层状况，为上覆岩层的组合运动状况及直接顶和老顶的离层跨落状况预测提供依据。\n[0013] 4、煤矿井下综采工作面液压支架监测子系统。本系统位于回采工作面内，随采场推进监测支撑工作阻力，为研究合理的支架——围岩关系、顶板控制的设计和管理提供依据。\n[0014] 上述四个子系统的位置不是孤立的，而是相互关联的。从空间上说，四个子系统两两相邻，覆盖内外应力场的整个范围，在同一时间，可以监测到不同位置处的矿压信息。从时间上说，随着顶板岩层在相对稳定的运动到显著运动，再到顶板来压的全过程中，支撑压力高峰要经历先向前方扩展，后向工作面方向收缩的往复过程。上述四个子系统将相继经历压力显现高峰阶段，这样我们就可以从前一个子系统(上一子系统)的信息状态预测相邻系统(下一个子系统)的信息状态；同理，可以从下一个子系统当前的信息状态验证此前在上一个子系统预测的正确性，从而提高顶板动态监测的科学性和准确性。\n[0015] 参照图1、图2说明本发明的实施例。\n[0016] 附图说明\n[0017] 图1是本发明的整体布置结构示意图。\n[0018] 图2是本发明的数据处理过程示意图。\n具体实施方式\n[0019] 如图1所示，本发明包括以下四个字系统：\n[0020] 1、煤矿井下综采工作面液压支架监测子系统可以由多个矿用压力监测分站(最多64个)组成，矿用压力监测分站采用多通道一体化监测传感器，传感器引压孔通过高压油管直接与综采支架液压腔连接，传感器监测到的信号经过矿用压力监测分站转换为数字信号，矿用压力监测分站通过RS485接口、矿用通讯电缆与上位的矿用监测主站连接，进行数据传输。\n[0021] 2、巷道顶板及围岩离层监测子系统由矿用数据通讯分站和总线式离层监测传感器组成，离层监测传感器监测到的煤矿顶板巷道围岩离层位置、离层速度变化的信号通过矿用通讯电缆传输到矿用数据通讯分站，矿用数据通讯分站通过RS485接口、矿用通讯电缆与上位的矿用监测主站连接，进行数据传输。\n[0022] 3、煤岩超前支撑应力监测子系统由矿用数据通讯分站和总线式煤岩钻孔应力传感器组成，煤岩钻孔应力传感器监测到的煤岩采场上覆岩层的运动诱发的应力作用信号通过矿用通讯电缆传输到矿用数据通讯分站，矿用数据通讯分站通过RS485接口、矿用通讯电缆与上位的矿用监测主站连接，进行数据传输。\n[0023] 4、巷道围岩锚杆支护应力监测子系统由矿用数据通讯分站和总线式锚杆应力传感器组成，锚杆应力传感器监测到的锚杆初始锚固力及锚杆受力变化的信号通过矿用通讯电缆传输到矿用数据通讯分站，矿用数据通讯分站通过RS485接口、矿用通讯电缆与上位的矿用监测主站连接，进行数据传输。\n[0024] 矿用监测主站将各上述四个监测子系统的数据通过兼容电话线(或单模光纤)和矿用数据通讯接口传输到井上监测服务器(工控机)。监测服务器通过监测分析软件对数据进行综合分析处理(包括矿压规律变化趋势分析，顶板压力监测数据统计分析，事件报警分析等)。通过网络交换机将数据传输到矿井局域网；通过GPRS收发器将数据发送到GPRS公用数据网，根据软件的配置信息，实现授权的手机用户接收不同的数据信息和报警服务。\n[0025] 图2示出了本发明的数据处理过程。1、根据实测矿井情况设置采场顶板参数及报警参数，设定报警阈值输入到监测服务器；2、监测服务器接收到实时数据，与报警阈值进行比较，若超出阈值范围，发出事件报警信息；3、实时数据同时定时存入数据库，并将采场顶板参数存入数据库；4、监测分析软件对数据库中的数据进行趋势分析，通过对原始监测数据进行不同权值的加权处理，形成以时间为坐标的谱图曲线，可反映出顶板压力不同时间段的作用规律；5、监测分析软件对数据库中的数据进行多参数关联分析，将顶板的压力参数与顶板运动的位移参数关联起来，再与巷道支护阻力联系起来分析，可以确定支护参数是否合适，巷道是否安全；6、监测分析软件对数据库中的数据进行开采条件对比分析，将不同的支护条件和采煤方法形成类，将监测数据与开采分类的权值对比，确定是否存在支护安全问题；7、通过上述第4-6步的分析，根据第三步输入的采场顶板参数一是生成综合报表，包括每天的综合压力数据，统计分析支护合格值，二是输出危险区域预测情况、给用户的建议措施等，三是输出到连接GPRS收发器，对授权的用户进行GPRS数据输出。