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山西坤龙煤业有限公司KJ653煤矿顶板动态（无线）监测系统技术方案山西华力邦科技有限公司尤洛卡矿业安全工程股份有限公司山东科技大学煤矿灾害监测工程研究中心2016年8月6日1技术方案目录一、监测内容二、产品执行标准三、监测系统实现的功能四、产品技术特点五、系统结构及组成说明（含电气结构图）六、系统监测方法及工作原理七、系统现场布置及安装说明八、监测软件九、技术指标、技术参数十、系统软硬件配置清单2一、项目监测内容1、综采工作面顶板矿压无线网络实时监测综采工作面（195米）每5台支架安装一台顶板压力无线监测分站，共需要顶板压力无线监测分站26台。顶板压力监测分站含三个压力传感器，压力传感器一体化设计。2、巷道顶板离层无线网络实时监测工作面（运输、回风巷道各870米）巷道（每隔50米布置一个离层测点）在顶板上安装无线离层测点，两条巷道共设计安装36个离层测点，每条顺槽安装18个离层测点。顶板位移传感器机械部分与电子部分一体化设计，电子部分可回收。3、单体支柱工作阻力无线网路实时监测通过单体液压支柱中安装无线单体压力监测分机，监测随着开采的不断推进，超前支承压力的显著影响范围、支承压力高峰值、支承压力高峰位置以及前移速度等，为超前支护范围和有重点地预防冲击地压的发生提供依据。工作面两巷超前支护各布置安装6台无线单体压力监测分机对单体液压支柱工作阻力进行监测。工作面两条巷道共布置安装12台无线单体压力监测分机。二、产品执行标准GB3836.1-2010爆炸性环境第1部分：设备通用要求GB3836.2-2010爆炸性环境第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备GB3836.4-2010爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i保护的设备GB/T9969-2008工业产品使用说明书总则GB/T191-2008包装贮运图示标志GB/T2887-2011计算机场地通用规范GB/T10111-2008随机数的产生及其在产品质量抽样检验中的应用程序；MT209-1990煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求3MT210-1990煤矿通信、检测、控制用电工电子产品基本试验方法MT/T1004-2006煤矿安全生产监控系统通用技术条件MT/T772-1998煤矿监控系统主要性能测试方法MT/T899-2000煤矿用信息传输装置AQ1043-2007矿用产品安全标志标识三、系统实现功能1．井上计算机动态模拟显示监测参数、报警监测服务器和客户端可实时显示监测点的数据和直方图，当监测数据超限时能自动声音报警并记录报警事件。2．井下现场显示数据和报警井下的压力监测分站、离层传感器可实时监测数据，能根据设定报警参数报警指示，通讯分站可实时显示每个测点的数据并有报警状态指示。3．监测数据自动记录存储井上监测服务器能根据设置记录周期将数据存储到数据库，数据采用动态存储技术，数据库采用SQL数据库。4.分站及接收系统后备存储功能，当数据通讯或计算机出现故障时自动启动后备存储。5．连续监测曲线显示、分析软件支持服务器端和客户端的历史曲线和测线加权数据分析。6．监测数据综合专业化分析；CMPSES监测分析软件综合了矿压理论数学模型，支持综合专业化数据分析。工作面支架循环工作阻力分析测线（或上、中、下部）顶板运动规律分析工作面顶板压力分布分析支架液压系统故障诊断工作面周期来压步距、强度分析等4巷道顶板及围岩运动分析巷道支护应力变化分析监测段顶板冒落综合预警多元参数关联分析及预警7．历史数据查询及报表输出历史数据时间区间查询，历史曲线查询和输出，统计分析，输出标准的综合分析报表。8．局、矿顶板动态监测网络功能软件采用C/S+B/S结构，支持局域网、广域网客户端监测模式和Web用户浏览器模式数据共享。9．GPRS群发短信报警（可选）监测报警数据（事件）可通过GPRS公用无线数据网络群发到用户手机中（该项目用户可选择）。四、KJ653顶板动态（无线网络）监测系统的主要技术特点KJ653顶板动态监测系统是一套专业用于全矿井矿压综合在线实时监测系统，该系统集成了专业化矿压监测理论和方法，实现了矿压监测的数字化和网络化。该系统与将矿压传感器接入煤矿安全监控系统形成的顶板监测系统有本质的区别。1.“KJ653煤矿顶板动态监测系统”产品获国家发明、实用新型3项专利、1项软件项著作权（KJ216煤矿顶板动态监测分析系统v1.0）：1）实用新型专利：“围岩离层监测报警仪”2004年3月申请，2005年3月授权，专利号：ZL200420039443.3。“多方位多功能围岩离层监测报警仪”。2）实用新型专利：“多方位围岩离层监测报警仪”2006年4月申请，2007年7月授权，专利号：ZL200620083761.9。3）外观设计专利：围岩离层监测仪，2007年1月申请，2008年1月授权，专利号：ZL200730013939.2。4）软件著作权：KJ216煤矿顶板动态监测分析系统v1.0原始取得计算机软件著作权，登记号：2012SR028991.52.传感器采用超低功耗设计。3.传感器级安装时不用铺设电缆，节省系统施工成本和后期维护费用。4.使用时可以随意增减传感器个数；可以移动、互换传感器安装位置。5.各传感器节点采用的是一种完全分布式、对等的无线自组网。采用多径路由协议，充分利用网络中路由的冗余，使得网络具有优异的自愈性、稳定性和极佳的数据吞吐量，即使在移动的组网环境下也能轻松应对，耗时为零的组网速度。6.多频信道可配置，1个基本信道和1-16个辅助信道。7.路由的选择综合考虑的信号质量、传感器供电电池电压以及距离等诸多因素。8.支持全网无线异步唤醒技术，待机功耗极低。9.某个节点损坏不会影响整个通讯链路。10.电池窗、天线携带方便，无需打开盖子即可进行更换。11.与地面监测服务器通讯时，支持多种通信方式。12.专业化的监测分析软件采用C/S+B/S结构，支持多类型多参数监测和分析。13．该系统支持多个子系统和多元矿压参数监测，系统支持最多达16个独立采区（测区）的矿压监测，每个测区监测内容包括：综采工作阻力、顶板离层、煤岩支撑应力、锚杆支护应力、充填体承载应力多元参数监测。系统容量达1000个测点。14.系统主通讯网络支持多种传输模式：1）以太环网总线传输模式；2）RDS电话线模式；3）单模光纤传输模式。15.智能一体化监测分站和传感器，有微处理器控制，内置总线接口，具有现实的独立报警设置功能，监测分站带后备存储功能，可使用U盘读取存储数据。16.监测分析软件采用矿压专家提出的数据分析处理思想，分析功能更具专业化，分析结果更具科学性，指导安全生产的效果更好。五、监测系统结构及组成KJ653监测系统有5种不同监测功能的子系统组成，分别为综采支架工作阻力监测6子系统、围岩移动报警监测子系统、锚杆锚索支护应力监测子系统、围岩应力监测子系统及超前单体支柱工作阻力监测子系统。这5种监测子系统从功能上加以区分，硬件结构使用统一的地址编码，系统的实际布置上传感器可以混合排列，监测服务器通过通讯协议区分数据类型。井上检测服务器（计算机）可接入矿区局域网络，支持网络在线监测和信息共享。（一）井上监测信息与报警网络井上监测信息与报警网络包括：1）数据接口（中心站）；2）监测服务器；3）矿井办公局域网和客户端（已建立）；3）GPRS数据收发单元和图文短信手机用户群。如图1KJ653系统通讯接口可自动接收通讯线路传送的数据，通讯接口内置RDS收发器、NPORT以太网接口(联网服务器NPORT)、MWF光线收发器接口，接收单元自动侦测上位计算机的运行状态，当上位计算机退出工作时能自动备份数据，监测服务器恢复后自动上传存储数据，从而实现故障后备监测功能。KJ653系统的监测分析软件采用了SQLserver数据库和C/S+B/S结构，本系统监测分析软件CMPSES运行Windows2003server平台，支持Web模式访问。井上PC客户端矿区广域网7井下监测网络（二）井下部分系统配置一个采煤工作面及巷道的顶板动态监测系统。监测系统预留接口保证矿井以后扩展多个测区的使用要求，系统可通过扩展通讯分机和传感器方法扩展测区。KJ653煤矿顶板动态（无线网络）监测系统采场测点布置示意图如图6所示。监测主站与下位数据传输无线分站通过RS485总线电缆连接，与下位数据传输无线分站构成主从式系统结构。监测主站负责监测多个测区，数据传输无线分站独立参数设置和运行，循环采集和显示每个监测点的数据，并能实时报警。1、综采工作面工作阻力在线监测子系统如图5。工作面设计每5架安装一台顶板压力无线监测分站，每台顶板压力无线监测分站监测一组支架的两个测点。压力分站采用一体化设计，集监测、显示、报警、无线组网通讯、传感器于一体。Web服务器图1矿压在线监测系统井上部分组成8压力分站由16位单片计算机控制，具有数据分析功能，自动显示初撑力、当前工作阻力、最大工作阻力。当压力值超过报警设定值时光报警。电池窗携带方便，无需打开盖子即可进行更换。顶板压力无线监测分站与电池窗结构如图2所示。传感器根据工作面条件设计（专利号：ZL92219348.7），能抗强顶板断裂引起的压力冲击。传感器通道通过高压油管与支架的高压腔连接。压力分站采用一体化结构的优点是：工作面内的地质条件复杂，传感器与压力分机一体化结构避免了分机与传感器之间电缆的损坏，提高了系统得可靠性。图2顶板压力无线监测分站与电池窗结构图2、巷道顶板离层监测系统GUD300W顶板位移传感器可用于顶板或两帮的岩层移动监测，该传感器（监测仪）获3项国家专利：围岩离层报警监测仪（实用新型专利）ZL200420039443.3多方位围岩离层报警仪（实用新型专利）ZL200620083761.9围岩离层检测仪（外观专利）ZL200730013939.2传感器采用组合式设计，方便用户的安装和回收复用。传感器具有数字显示、报警、参数设置、无线组网通讯等功能。顶板位移传感器组成如图3所示。9系统安装如图4所示。每个离层传感器配置了两个基点（深基点A，浅基点B），基点的安装深度根据顶板地质条件和选择的支护方式确定。图3顶板位移传感器组成（组合式结构）3、巷道超前单体支柱工作阻力监测单体支柱工作阻力监测系统主要用于煤矿单体支柱工作阻力的连续监测。通过检测支柱工作阻力的变化来分析工作面顶板来压的规律和强度。无线数据传输分站控制巡测下位压力监测分机，数据传输分站的数据通过有线的形式发送到上位监测主站。压力监测分机主要用于煤矿单体支柱工作阻力的连续监测，通过检测支柱工作阻力的变化来分析工作面顶板来压的规律和强度，具有内置电池供电。产品采用本质安全电路设计，可用于井下含有瓦斯等爆炸性气体的危险场所。机械部分电子部分图4KJ653煤矿顶板动态（无线网络）监测系统采场测点布置示意图P26图5工作面综采支架工作阻力监测设备及其它硬件组成及布置图1六、系统工作原理与工作过程1、KJ653监测系统工作原理总体概述由于煤矿井下的实际情况比较特殊，传感器节点在布置的时候只能是线性排列方式。为保证通讯网络的稳定性，传感器节点和中继器之间要做到多点覆盖。433MHz无线信号绕射穿透能力比较强，在回采工作面和巷道中可以分别覆盖60米和100米的范围、在此范围内会有2到4个传感器节点，这样就能达到通讯链路的健壮性。整个系统传感器级均采用OLDM无线网络技术进行无线组网通讯。各无线传感器节点监测相应的数据信息、然后根据最优路由协议将数据传送给网络内的网关也就是本安型通讯分站。各无线节点之间可以自由通讯。当网络内部某个无线节点出现故障，其他节点可以进行网络自组织，选择另外的传输链路，进而实现网络通讯的可靠性。如果末级传感器节点与数据传输无线分站距离较远，可以通过增加中继器的方式来延长通讯距离。数据传输无线分站通过RS485总线把接收到的传感器数据信息传送给监测主站，监测主站与多台数据传输无线分站构成上下位主从关系，监测主站与数据传输无线分站之间通过一级总线连接。通讯分站固定设置地址编码，主站依次巡测每个分站，分站接收巡测指