综采工作面液压支架工作压力地面监测系统研发

陈永冉，牛一村

(1. 安标国家矿用产品安全标志中心有限公司， 北京 100013；2. 煤炭科学技术研究院有限公司， 北京 100013；3. 煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室， 北京 100013)

0 引言

煤矿支护设备是煤矿生产的关键设备之一，它担负着控制管理顶板、维护正常工作空间、保护人员及设备安全的重要任务。采煤工作面的矿山压力控制主要是指老顶断裂后引起的工作面来压控制。工作面顶板上覆岩层基本顶随工作面推进产生周期性的断裂运动，即周期来压。因此，准确地预报工作面周期来压对搞好工作面安全生产、减少采场冒顶事故具有重要意义[1]。

1 国内外信息概况

英国煤炭局最早在20世纪70年代开始研发液压支架用的电液控制系统，但是技术尚不完善[2]。德国于80年代初开始大力发展液压支架电液控系统[3]。美国的电液控制液压支架研究起步较晚，但发展速度较快，目前已处于世界领先水平[4]。目前国内有许多公司在从事该方面的研究，但是存在监控装置功能落后的问题[5]。亟需研制可以实时、整体监测液压支架压力，并对周期来压进行预测的系统。

灰色系统理论经过多年的发展和检验，已被证明是一种实用、可行的预测工作面周期来压的方法。如果可以在地面开发出对工作面液压支架的总体受压状况进行实时监测的软件平台，及时、准确地掌握工作面液压支架顶板的压力情况，利用灰色系统理论预测工作面周期来压步距，就可以及时、有效地采取安全防范措施，保障工作面人员和设备的安全。

2 装置总体结构

作为一个主从式的监测装置，该装置主要分为3个层次：底层为液压支架压力监测分站，中间层为布置在顺槽内的顺槽监测总站，顶层为地面监测站。其装置结构如图1所示。

图1 总体设计框图

地面监测站是研究的重点，一般被布置在地面监控室内，以方便井上的工作人员实时了解井下液压支架的压力情况。地面监测站主要是通过井下以太网环网接收来自顺槽监测总站的压力数据，并对压力数据进行实时处理、显示和预测。

3 地面监测站设计

3.1 总体结构

地面监测站以工业计算机为平台，工作在井上就可以实现对液压支架压力的实时监测。地面监测站通过计算机可以实时监视、存储、分析底层传送来的液压支架压力数据。监测平台软件采用Visual Basic开发，数据库采用SQL Server开发。

地面监测站装置由实时数据库、综合数据处理模块和系统维护模块等部分组成，如图2所示。实时数据库用于保存工作面液压支架压力历史数据、工作面参数信息、工作面回采进尺、用户的用户名及密码等。综合数据处理模块是以曲线图或柱状图等形式直观地显示液压支架压力变化情况，查看液压支架压力历史数据，显示支架压力的历史分布信息，生成液压支架压力监测日报表，预测工作面周期来压步距，打印历史数据、压力曲线、压力分布、监测日报表等。系统维护模块用于添加或删除工作面，修改工作面参数设置，添加或删除用户，修改用户密码，保存工作面回采进尺值，备份、调入液压支架压力数据库等。

图2 软件功能框图

3.2 周期来压步距预测方法的选择

煤矿回采工作面顶板来压预报对矿井安全生产具有重要意义。但由于采场围岩边界条件十分复杂，影响顶板来压的因素众多，现有建立在某些假定前提下的理论推导成果还不能直接应用于来压预报。因此，现场观测仍是当前研究矿压的主要手段[6]。

目前来压预报工作通常都是根据实测资料，用类比的方法定性推断顶板的未来行为。这种预测方式因受主客观因素的影响，预测精度差，常引起错报、误报。地面监测站选用灰色系统理论作为周期来压预测的方法。灰色系统理论是我国的邓聚龙教授于1982年首先提出的一套实用有效的处理灰色系统的控制、建模及预报等问题的理论和方法[7]。在控制论中， “黑”表示信息缺失，“白”表示信息完全，“灰”表示信息不充分。灰色系统指的就是相对于一定的认识层次，系统内部的信息部分已知、部分未知，即信息不完全的系统。顶板运动是一个多因素、多层次、多目标的复杂系统，它具有明显的模糊性、随机性和信息不完全性，亦称灰色性。顶板运动也是一种灰色系统，而周期来压步距则是该灰色系统中多因素相互作用的一个综合灰色量。因此，采用灰色预测理论来预测工作面周期来压的来压步距是可行的。

4 软件设计

4.1 数据库设计

系统建立一个名为“pressure”的数据库，用来存储地面监测站的所有数据。SQL Server数据库的数据存储在其内部的数据表中，按用途分为基本数据表和工作面数据表。基本数据表是随数据库的建立而建立，它主要用来存储所有工作面的参数信息及软件使用用户信息，包括用户表和工作面参数表。工作面数据表是随工作面的添加而建立，并随工作面的删除而删除，它是用来存储工作面的压力历史数据和其他相关数据，包括历史数据表、分站配置表、回采进尺表、报表支架表和周期来压表等。

4.2 数据库连接

软件使用ADO(ActiveX Data Object)控件建立与SQL Server数据库的连接。ADO是基于OLE DB开发的一个便于使用的应用程序层接口，是一种驱动程序级别的底层数据访问界面。OLE DB向应用程序提供了一个统一且高性能的数据访问方法，数据操作快速便捷。

ADO有两个重要的对象，分别是Connection和Recordset。Connection属性用于定义与数据源的连接，Recordset对象用于接收来自数据源的数据。使用ADO连接数据源的方法是先使用Connection属性建立一个连接， 然后使用Recordset对象获取数据[8]。

4.3 系统维护模块

系统维护包括用户管理、工作面管理、工作面参数设置、数据库管理等。系统初次使用时，只可使用admin用户登陆，之后用户可以自行添加其他用户。admin用户为系统管理员用户，具有软件操作的最高权限。非admin用户的权限将受到软件的限制。

用户使用工作面管理功能向系统添加需要监测的工作面，添加后用户即可对工作面的参数进行设置。软件为新添加的工作面提供一组初始参数，用户根据实际情况进行修改，用户手动输入矿名、测区名称、压力上下限、分站总数、传感器和支架总数、支架类型等信息。

数据库管理包括备份数据库、查看数据库备份和恢复数据库3部分。通过该部分设计，防止数据库损坏导致数据丢失。

4.4 综合数据处理模块

4.4.1 分站压力监测

系统参数设置完毕后，即可进入分站实时压力监测界面进行在线监测。用户可以实时监测到井下各个监测分站的压力变化情况，数据以柱状图或曲线的形式显示。

用户可以通过曲线图界面监测各压力分站的实时压力平均值及不同位置的传感器的实时值，并通过柱状图的颜色确定压力是否超出压力的上下限值；同时，用户还可以通过曲线图查看任何一个压力分站的压力变化，分析出最大工作压力、最小工作阻力和平均工作阻力等信息。

4.4.2 历史数据查询

用户通过软件可以对计算机内存储的压力数据进行查询。在历史数据查询界面中，用户可以按照分站或支架、监测位置、日期等条件对工作面压力历史数据进行查询。 用户也可以将查询结果按Excel表格的形式输出，根据需要进行再编辑或打印。

4.4.3 周期来压预测

此功能可实现对工作面周期来压步距的预测，界面如图3所示。选择工作面并至少添加三次周期来压步距数值后，用户即可对工作面周期来压步距进行预测。此处填入的周期来压步距是指周期来压发生时工作面距开切眼的距离。

图3 周期来压预测界面

软件提供两种方式添加周期来压步距:自动添加步距和手动添加步距。在自动添加步距框中，用户需设定好支架编号、灾变阀值和时间跨度，软件自动添加周期来压步距。用户选择好支架后，软件将自动提供一个灾变阀值，它是根据我国矿压压力理论中普遍采用的数理统计方法(即总平均工作阻力加上一倍均方差)计算出来的，用户也可根据实际情况修改灾变阀值。时间跨度有3个选择：1.0 h、1.5 h和2.0 h。点击添加按键后，软件将从已存储的最后一次周期来压开始，以选定支架的压力历史数据为基础，以选定的时间跨度为单位时间，比较单位时间内的支架工作阻力平均值是否超过设定的阀值，并根据系统存储的回采进尺值，计算出每次周期来压的来压步距，添加到下方的列表框中。在手动添加步距框中，用户可以手动输入周期来压步距，点击添加后，填写完周期来压步距并点击预测按键后，软件将基于灰色系统理论建立工作面周期来压步距的GM(1,1)模型计算出历次周期来压步距值，用户可参考此预测值对周期来压进行预防。

为了验证上述方法的预测可靠性，以某矿某工作面的13次周期来压步距(单位为 m)来验证该方法的预测准确性。检验方法如下：由前N个来压步距序列建立GM(1,1)预测模型预测第N+1次来压步距，对N=3～15逐次计算，预测结果如表1所示。13次预测结果的平均误差为1.623 m，平均误差百分比为2.096 9%。经分析，其误差在可接受的范围内，可以用预测值来代替实测值。可见，灰色预测方法具有较好的效果。

表1 周期来压步距实际值和预测结果

5 结论

结合灰色系统理论开发了综采工作面液压支架压力地面监测站，其主要效果为：

1) 可以及时、准确地掌握工作面矿压显现程度和压力分布范围，为合理选用支架型号提供依据。

2) 可以对回采工作面周期来压步距进行预测，对于预防工作面冒顶事故的发生、保障井下工作面设备和人员的安全具有重要的意义。

3) 通过实际应用后获得了良好的效果，完善了综采工作面液压支架监测的功能。