煤矿井下水情监测系统硬件设计

2015-03-19张宏涛

机械管理开发 2015年3期

张宏涛

（1.晋城无烟煤矿业集团有限责任公司，山西晋城 048006；2.太原理工大学，山西太原 030024）

引言

煤矿突水是煤炭资源开发过程中的一种水文地质灾害现象，对矿井安全生产造成了严重威胁。突水是一种复杂的、受环境和采动影响而导致的现象，其过程会出现一系列前兆：水压会升高，涌水量会增大，渗透性和岩体应力会发生变化。突水的发生机理、条件和严重程度都在随着煤矿的开采方式、深度和工作面开采空间尺度的不同而改变，传统的煤矿突水检测技术由于存在超前预测和实时性差等缺点，已不能完全满足安全生产的要求。

因此，为寻求更加准确可靠的煤矿突水检测技术，对全新的煤矿复杂环境下水害特征信息提取技术和数据融合预测理论的要求非常迫切。煤矿安全生产一直以来都严重受到水文地质灾害的影响，尤其是地质条件复杂的矿井，水位检测与控制更是生产中不可缺少的系统之一。因此实现高可靠性自动监测控制，确保煤矿安全生产，具有非常大的市场需求量。煤矿水文分析及水害防治一直是矿井灾害防治的一项重要工作，国内外学者针对此类问题开展了深入的研究。文献［1］研究基于矿井水害的防治技术及系统性、动态性等特点，分析了矿井水害立体防治技术体系、构成及立体性、技术体系性分类特点，按立体空间位置及软件措施、危险程度及控制措施、系统的影响要素等特征进行几种分类方法的论述，重点给出了影响因素分类系统中矿井地表水害防治技术子体系、地下水害立体防治技术子体系等分类、特点及适用范围，论述了矿井水害发生的根本原因及构建矿井水害立体防治技术体系的重要性。文献［2，3］通过阐述依兰矿区所具有的水文地质条件和介绍近年来的危害，列举了因为重视程度不够，导致发生各种恶劣的工程危害，介绍了近年来水文地质灾害，并结合水文地质条件进行水患综合治理，同时联系水文地质条件来综合有效地治理水患，使人们认识到水文地质在煤矿开采中的重要性。文献［4］介绍了我国煤矿水害的类型，有顶、底板突水、地表水涌入、老空水等问题。

因此设计能有效应用于煤矿井下的所有工作环境，随时采集最能直接反应水文信息的变化的信息，最终达到水情实时监控的目的，进而超前预测水文灾害，具有重要的意义。

1 煤矿井下水情监测系统的功能

煤矿井下水情监测系统为展现井下水情，具有实时监测、远程控制及异常报警功能。

1）煤矿井下水情监测系统可监测煤矿井下巷道积水水位、排水管道流量、排水管道压力、排水泵运行状态等运行数据。积水水位是监测系统的主要监测参数，通过对水位值的测量与显示可实现对井下水情安全状况的判别，同时，水位值的大小也是故障预警的主要评定参数，当水位值的大小超过一定限度时，系统会发出报警信号提示工作人员。排水管道是井下积水排除的路径，排水管道流量、排水管道压力是反映排水管道状况的重要参数，可通过流量、压力的大小判断管道状况，保证排水路径畅通。排水泵是煤矿井下排水系统的重要部分，只有排水泵工作正常才能保证正常排水，排水泵运行状态反映排水泵的工作状态，并可综合上述参数判断排水泵是否存在启停故障，确保及时排水。

2）煤矿井下水情监测系统可对上述监测参数进行显示，并可实现排水设备的自动控制。同时，系统可通过通信部分将监测参数传输到井上上位机进行集中监测，并能对历史数据进行记录、查询，同时上位机可对排水泵进行远程手动控制。

3）煤矿井下水情监测系统能对井下水情的异常情况进行报警。当水位超过设定的上限值时，报警装置会发出报警信号进行提示并指示地点；当水泵启动或停止故障时，系统会显示故障类型并报警，指示故障点以便快速维修；当检测到排水管流量、压力参数异常时，系统报警并指示故障点，方便快速检修保证生产安全［1］。系统功能框图如图1所示。

图1 煤矿井下水情监测系统功能框图

2 煤矿井下水情监测硬件系统设计

煤矿井下水情监测系统通过各种传感器采集现场数据，经通信网络传输到井上上位机进行远程监控，同时，现场参数要进行就地显示并能灵活控制排水设备工作。煤矿井下水情监测分站通过各种传感器采集现场运行参数，并进行就地显示，同时分站可根据水位值的高低按水位上限和水位下限自动控制排水泵的工作状态，并可执行主站的远程控制命令。煤矿井下水情监测分站主要由数据采集部分、显示部分、通信部分、控制输出部分组成。

2.1 单片机选型

井下水情监测分站主控制器选择新华龙C8051F040这款单片机，C8051F04x系列器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有64个或32个数字I／O引脚，单片机内部集成了一个CAN2.0B控制器。真正10位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关。

2.2 水位传感器

井下巷道积水水位的采集选用GUY1矿用水位传感器，GUY1矿用水位传感器选用特制的电缆线，将信号读取出来，具有精度高、线性好等特点，采用进口的芯片组进行处理，芯片装入不锈钢壳体内。GUY1水位传感器敏感元件由特制电缆与隔离金属头（简称配重块）组成，放入待测液体中，根据电容的大小与液位的高度成比例关系，将水位高度通过特制电缆转换为电容值，再把电容值转换成微弱的电信号，微弱的电信号经过放大器放大后送到A／D采集模块，最后经过传感器处理芯片的运算处理后，输出的液位高度用数码管来显示，同时输出相应的频率信号。系统设计了电源保护及转换电路，该电路输入18V本安电源，通过电源极性识别电路，防止误接线造成的短路事故，通过DC－DC模块将18V降至5V为单片机及其外围电路供电。系统设计中采用外部看门狗复位／存储电路，保证传感器正常工作。根据煤矿输出信号要求利用单片机自带PWM产生方法，设计了200～1 000Hz输出电路，采用三极管功率放大实现远程数据传输。GUY1水位传感器经12～24V直流电压供电，可输出频率范围的200～1 000Hz的频率信号，分站通过频率采集电路采集其输出信号，经换算进行显示。在使用传感器时，固定完成后应先进行校准操作，只有标定出零点，传感器才能正确测量。另外，传感器特制电缆需尽量位于液体仓中间位置，严禁将特制电缆与地面、仓壁或者巷道壁等与大地直接导通的地方接触，否则将严重影响测量精度。

2.3 开停传感器

排水泵运行状态通过KGT29煤矿用设备开停传感器采集，KGT29煤矿用设备开停传感器工作电压为直流18V，将井下电器设备的开停传感器状态转换为电信号输入到井下水情监测分站。外壳上的指示灯表示状态，通过发光光管的颜色来判断传感器的开、停状态。KGT29煤矿用设备开停传感器安装之前应先检查所测设备的供电电缆须绝缘良好，然后把KGT29固定在这根电缆上。把KGT29的钢制固定卡取下，套过电缆，插入KGT29的两个固定孔中压紧，再把螺钉拧好，KGT29可以绕电缆转动，以找出最佳位置，如果电缆中流过的电流大于3A，原理上任何位置均可，但最好要避开周围有强烈电磁场的场所。当用电设备在关闭状态时，供电电缆中无电流流过，传感器呈高阻状态。当用电设备开启后，传感器感应线圈感应信号经放大器放大，放大器输出端有振荡信号，功耗大大增加，传感器是低阻状态，工作电流增加到5mA左右，即可把设备的开停状态变为电信号。KGT29加电后，如果被测设备处于停机状态，红色发光管亮；当被测设备运转启动后，绿色发光管亮［2－3］。