井下液压支架压力在线监测系统的优化设计

王彬发

（陕西彬长小庄矿业有限公司， 陕西 咸阳 713500）

引言

随着工作面埋深的加大，井下液压支架所受地应力越来越大[1]，为预防应力过大对工作面造成的不良影响，做好对井下液压支架压力改变的监测工作就显得非常重要，而传统的井下液压支架压力监测系统存在有线组网规模小、压力数据上传不够及时、系统稳定性差等问题[2]。因此，对井下液压支架压力在线监测系统进行优化很有意义。

1 工程背景

小庄煤矿部分工作面井下液压支架压力监测系统采用有线连接传输方式，传感器采集液压支架压力监测数据后，通过电缆传输到压力监测分站，最后将数据传输到液压监测主机[3]。由于工作面环境比较恶劣，且工作面空间有限，电缆的放置与维护十分不便，当电缆受落石破坏后，寻找和维修都会十分困难，导致液压支架的压力监测数据不能及时上传。同时，有线组网的数据传输方式存在着组网规模小、压力数据上传不够及时、系统稳定性差等问题。

因此，针对有线压力监测系统的缺点，选择合适的井下液压支架压力监测系统显得尤为重要。

2 液压支架压力监测系统的优化选择

若有线压力传感器数据上传不及时，液压支架易在工作面恶劣环境的影响下产生故障，而无线压力传感系统可以有效解决这些问题。与传统需要电缆传输数据的有线组网的液压支架压力监测系统相比，无线压力传输系统采用的是WaveMesh 无线自组网技术，安装在液压支架立柱上的无线压力传感的液体介质作用到压力探头上会产生应变，压力探头利用应变原理将压力信号转换成电压信号输入至AD7706。通过对AD7706 的PGA 编程控制，可实现对不同幅度输入信号的1～128 倍放大，放大后的信号通过SPI 总线串行输入至单片机进行处理，处理后的数据显示在液晶屏上并存至存储电路，同时将数据通过无线通信电路进行传输（动态路由算法选择最合适的数据传输路径）并汇集到无线监测分站[4]，监测分站采集数据完毕后，通过RS458 接口向监测主机发送数据。无线压力监测系统的液体介质可以精确地监测液压支架压力改变，无线通信电路可保证系统做到数据的实时传输。因此，40309 工作面采用无线压力传感系统监测工作面液压支架压力变化情况。

3 无线监测系统的结构及工作流程

3.1 系统的组成

井下液压支架压力监测系统主要由监测主机、上位机软件、矿用隔爆兼本质安全型交换机、数据光端机、无线监测分站、本质安全型电源和无线压力传感器等组成，图1 为无线监测系统结构图。

图1 无线系统结构图

监控主机对液压支架压力数据进行存储；上位机软件对数据进行处理分析；矿用隔爆兼本质安全型交换机保障通讯及集控系统正常运行；数据光端机实现“光-电”“电-光”信号相互转换；无线监测分站接收一组压力传感器的传输数据；本质安全型电源保证系统断电后正常运行；无线压力传感器监测液压支架压力变化情况，并将搜集到的数据传输到监测分站，是整个系统设计的关键[5]。

3.2 系统的工作流程

40309 工作面液压支架压力传感器分别安装在ZF14000/21/40D 液压支架的左右支架控制阀上，系统接通电源后，各部分开始工作。首先由无线压力传感器采集液压支架支柱压力的数据（通过测量油压力换算出支架或支柱的工作阻力），然后通过压力信号采集电路将采集到的液压支架的压力变化数据转换为电信号，然后对搜集的不同幅度的电信号进行不同程度的放大，放大后的信号通过SPI 总线串行输入至单片机，再在单片机电路中对电压信号进行分析处理，然后通过无线通信电路将数据以无线电波的形式传给监测分站，监测分站与传感器的无线通信采用群呼方式，监测分站先向全网进行帧群发，各传感器收到命令后触发中断，将自身数据发送至监测分站，当液压支架压力值超过安全范围后系统开始预警，确保液压支架工作阻力在安全阈值范围内，监测分站通过RS485 总线与光纤环网相连，将数据上传到液压监测主机，系统在上位机软件的支持下，最终实现对井下采集数据的显示、统计、分析、查询、打印和网络传输等功能。

4 无线压力监测系统的应用

4.1 无线系统的优点

各液压支架无线压力传感器可互相自动组建网络，可有效防止外来无线干扰，保证相互间不受影响，即使系统中部分传感器存在因故障导致数据无法传输的情况，也不会影响其他传感器的正常运行；可避免因工作面恶劣环境导致有线电缆损坏产生的数据遗漏现象，且数据参数存储于外部存储器，可防止因系统程序更新或是传感器发生故障后导致的前期存储数据丢失的情况，液压支架的压力改变数据在无需无线传输部分采用光缆传输，数据先通过无线传输的方式传递至无线监测分站，然后传输至压力监测主机，以保证数据在井下传送到井上过程中的稳定性，大大提升了数据传输效率。

4.2 无线系统的应用效果

为验证优化后系统的应用效果，观测小庄煤矿40309 工作面液压支架压力监测系统运行效果。工作面采用123 架ZF14000/21/40D 放顶煤支架，每隔5 架安装一组传感器，分别安装在液压支架的左右支架控制阀上，共24 组传感器（一组2 个）。取各液压支架压力监测平均值绘制液压支架压力监测图，回采期间液压支架压力监测图如图2 所示。

图2 液压支架压力监测图

由图2 可知，在初次来压及周期来压期间，液压支架所受工作阻力剧增。表1 为来压期间工作面支架支护阻力表。

表1 40309 工作面支架支护阻力表

由表1 可知，工作面初次来压步距为33 m，液压支架最大工作阻力为12 170 kN；5 次周期来压的步距在23.2～25.6 m 范围，液压支架最大工作阻力分别为9 178 kN、9 541 kN、9 436 kN、9 760 kN、8 993 kN，工作面现场实测的液压支架压力数据与通过无线压力传输系统传输到井上监测主机的数据一致，来压期间液压支架数据实现了准确有效的实时传输，且在监测系统运行过程中，并未出现因系统数据造成的判断失误、显示不正确等问题，监测监控、上传准确有效。

5 结论

1）为解决有线组网井下液压支架压力监测系统维护困难、数据传输不及时的问题，40309 工作面采用无线压力传感系统监测工作面液压支架压力变化。

2）无线压力监测系统通过无线传输的方式将压力传感器的监测数据传输至监测分站，进而传输到监测主机进行处理分析。

3）将优化后的井下液压支架压力监测系统应用在小庄煤矿工作面回采过程中，系统数据监测监控、上传准确、有效且及时。