段红民 邓占峰 侯会平 邓铁六

（1.北京天地华泰采矿工程技术有限公司，北京市朝阳区，100013；2.泰安弘谦泰电子有限责任公司，山东省泰安市，271019；3.淄博矿业集团有限责任公司许厂煤矿，山东省济宁市，272173）

为了防治顶板灾害，保障安全生产，国家要求煤矿改革采煤方法和采煤工艺、加强支护和完善顶板监测系统，并对有矿压和冲击地压灾害的矿井配备预警系统，而采煤工作面支架压力监测系统就是顶板监测系统的重要组成之一。发生顶板事故的原因一方面是由于对顶板活动和支架受力情况掌握不及时，另一方面是综采支架设备和采煤技术发展不匹配，我国综采工作面采煤机的平均开机率只有30%左右，影响开机率的一个主要因素就是支架对工作面的顶板控制不好，基于此设计开发了一套支架工况无线监测系统。

1 支架工况监测现状及研究目标

目前，各采煤工作面矿压监测系统多采用有线监测系统，即工作面上各压力分机之间以及分机与监测主站之间采用电缆连接，压力数据通过电缆传输实现在线监测。随着采煤的推进，综采支架和超前支架需要不断地向前移架，移架过程容易拉断或挤断监测分机之间的电缆、监测分机与主站之间的电缆以及对监测分站供电电缆等信号传输电缆，导致发生信号传输故障，进而导致支架工况监测数据中断。出现电缆拉断故障后，故障点多数在电缆外皮内，查找与定位维护困难，造成监测数据不能及时上传到地面，从而不能及时地掌握支架的工况情况，给矿井安全带来了极大的隐患。

本文基于振弦传感器理论和无线传感器网络WSNs技术，研制了一套适合于煤矿生产实际的振弦式煤矿支架工况无线监测系统，彻底解决因工作面监测设备连接电缆的拉／挤断所带来的系列问题，保证支架监测数据及时准确地上传至地面计算机。

2 KJ621支架工况无线监测系统结构设计

该系统采用振弦传感技术采集和计算支架压力信息，安装在采煤工作面液压支架上的各数字压力表 （带2只振弦传感器）按一定周期自动采集支架前柱和后柱的压力数据，之后进行处理、分析、显示并存储压力数据。每一周期压力表采集的数据经过中继器或以多跳的方式传输到监测分站，再经光缆或电缆接入工业以太网，然后上传至地面监测服务器，运行的KJ621监测系统分析软件同期对数据进行分析处理，绘制出实时模拟曲线。KJ621监测系统分析软件同时可以查询到支架运行的历史数据，从而可掌握工作面的压力变化趋势，进而为分析来压规律等提供依据。根据采煤工作面的长度和拐弯情况，布置多个无线中继器，组成以中继器为核心的无线传感器网络拓扑结构，完成工作面数据的采集和传输，KJ621支架工况监测无线系统结构图如图1所示。

图1 KJ621支架工况监测无线系统结构图

2.1 KJ621支架无线监测系统工作原理

井下采煤工作面的各监测设备组成无线压力表网络，相对位置不变，采用直线式星形拓扑结构，各无线节点 （压力表、中继器、监测分站）工作由各自内部时钟控制。为了消除时钟芯片误差，设计确定以1＃中继器的时钟为标准，事先用北京时间校准，带到工作面用1＃中继器调整其他无线节点时钟，开启无线系统工作，以后每到规定时刻 （如5min的整数倍），时钟唤醒井下各无线节点设备工作一次，具体控制实现方式如下：

（1）1＃中继器每到规定时刻被唤醒，发时钟同步信号，同步工作面各无线节点内部时钟；

（2）由最大编号 （离分站最远）的压力表到1＃压力表，依次每隔2s向最近的主管中继器无线发送编号和两个压力数据；

（3）最大编号中继器将获得的其主管的压力表数据发给编号小1 的中继器，依此类推，直到N个压力表数据全部集中到1＃中继器；

（4）1＃中继器先存贮数据，而后呼叫监测分站，将这一循环的起始时间和各压力表采集的数据发送给监测分站，收到监测分站回应OK 后休眠；

（5）监测分站收到所有压力表数据并存贮后呼叫地面微机，将这一循环的数据发送给地面监测微机；

（6）地面微机采用多线程异步通信方式，实时接收监测分站上传的数据，一个线程分析和存贮数据于数据库，另一个线程将各支架压力实时显示在模拟图上，绘制各支架压力-时间曲线和支架压力-空间分布曲线，便于值班人员随时观察，以便及时了解工作面支架受力分布情况。

2.2 YHY60 W 数字压力表设计

YHY60W 数字压力表结构图如图2所示。时钟唤醒MCU 后，电路上电，振弦压力传感器的钢弦被激发振动，激发电路输出频率为准数字信号，直接引到MCU，MCU 以多倍周期法快速准确地测量频率，并按振弦传感器精确数学模型计算支架的压力值P1和P2，之后进行数据存贮、分析处理和显示，若压力值超限则立即报警。到规定的时刻，MCU 通过无线通信方式将压力值P1和P2发送给相关中继器，之后进入休眠状态，等待下一个工作周期。

图2 YHY60W 数字压力表结构图

2.2.1 振弦压力变送器

为了改进振弦传感器的性能，提出了标准二次抛物线模型P=A （f2-f02）+B （f-f0），该模型能够使拟合准确度大幅提高，而且具有调零去皮和温漂修正功能（即将皮重或某温度对应频率做为f0）。在其指导下，开发了恒流输出自激型弱激发钢弦激发电路。进一步改进了传感器液压承载结构，首创了弹性膜居中的H 型压力膜，消除了其他弹性形变影响，增强了液压安全性。根据以上3个方面的改进，试验制做了16只振弦传感器，标定后误差都符合高准确度传感器的标准，其性能见表1。

表1 16只振弦压力传感器性能表 （环境温度：21℃）

由表1可见，最大综合误差为0.2%FS，最大滞后误差为-0.28%FS，这使振弦压力传感器进入高准确度压力传感器行列。

2.2.2 YHY60 W 数字压力表软件工作流程

YHY60W 数字压力表上电后，初始化各硬件设备与中继器进行时钟同步，然后按固定的周期（如5min）进行工作，在每一个工作周期过程中，时钟唤醒各电路进入工作状态，采集二只振弦传感器的频率数据值，滤波后进行计算、存储和显示，然后将压力数据经中继器路由无线传输到监测分站，收到监测分站回应OK 后进入休眠状态，等待下一工作周期的到来。YHY60W 数字压力表软件采用C语言设计，软件工作流程图如图3所示。

2.3 KJ621-Z无线中继器

无线中继器设计为矿用本质安全型，采用3.6V锂电池经本安设计电路供电，符合GB3836标准要求。无线中继器接受采集仪的指令后，设置中继器编号、时钟和工作周期，主要功能如下：

（1）1＃中继器是工作面无线网络设备的核心，起到控制与协调作用，以它的时钟为基准，同步工作面所有无线网络节点设备的时钟，各压力表采集的支架工况信息经它的路由无线发送给监测分站。

（3）其他中继器主要用于路由跳转，以延长无线压力表网络的覆盖范围。

2.4 KJ621-F监测分站

监测分站采用矿用隔爆兼本质安全型设计，采用127VAC供电，由隔爆外壳保护防爆性能，符合GB3836标准要求。内设以太网控制模块与光纤收发器进行双向通信，将定时采集的各压力表数据经光缆传送到地面监测服务器。

监测分站 （Sink 节点）一方面负责组建无线网络，“握手”成功后，才接收各压力表节点采集的支架工况数据，否则予以清除，以免干扰进入；另一方面将两个使用不同协议的网络联接在一起，实现无线网络与有线网络协议之间的通信转换，把无线接收的支架工况数据转发到有线网络上，完成与地面监测服务器的数据交换。监测分站软件采用C语言开发，具有网络重发、存储数据标记、定时无线收发和消除干扰等功能。

图3 YHY60W 数字压力表软件工作流程图

2.5 YHC64数据采集仪

便携式无线数据采集仪是系统必要的功能补充设备，主要用于设置或修改无线压力表网络中各节点参数和时钟校准，采集压力表、1＃中继器和监测分站数据，并将采集到的数据通过USB 接口输入到地面监测服务器。

2.6 KJ621支架工况监测系统地面软件设计

监测系统充分运用矿井自动化环网的各种设施及计算机控制技术，实现对采煤工作面支架工况信息的监控。KJ621支架工况无线监测系统上位机软件采用C＃.NET2010+MSSQL 平台开发，后台线程监听各监测分站，并异步接收上传的数据，通信误码率小于10-8。前台线程把采集来的各支架数据分析处理，做出实时压力曲线和报表，同时存入数据库，供管理人员查询和调用。历史数据的统计分析可以方便生产指挥人员及时掌握井下作业信息，了解工作面初次来压和周期来压情况，从而合理调度指挥生产。软件设计符合国家行业标准MT209和MT210煤矿通信、检测、控制用电工电子监测系统具体要求。

3 监测系统装置测试及结果分析

该无线监测系统在山东能源淄博矿业集团许厂煤矿4318 工作面进行了3 个月的工业性试验，4318工作面开切眼位置距离井下以太网接入设备约为5km，监测分站安装在轨顺端头的超前支架上，采用光缆接入430泵房环网交换机，进入矿井以太网，将数据传输到地面信息中心服务器。由于4318工作面存在金属支架和采煤机等设备，无线电信号强度衰减较大，所以将无线收发频率提高到470 MHz，通信距离能达到50 m，为了保证无线网络的稳定性，采用每隔40m 设置一个中继器组网的方式，保证网络覆盖范围内压力数据的实时监测和传输。上位机软件记录的某一时刻10个液压支架前后柱的压力值见表2。

表2 实际测试支架压力数据 MPa

由表2 可以看出，压力值在24～30 MPa的正常变化范围，从实时显示的10 个支架压力数据来看，相邻支架的压力变化不明显，所以可以根据测试结果对采集点进行分组，每8～10个支架安装一个YHY60W 数字压力表，既可以降低系统费用，又可以解决因采集点过于密集、数据量大带来的数据上传速度瓶颈和能耗大的问题。同时通过上位机提供的历史数据曲线，可以方便掌握工作面周期来压规律、升降架次数和压力变化趋势等信息。

4 结语

本项目研究开发了振弦式煤矿支架工况无线监测系统，采用先进的振弦传感技术采集、计算和分析处理各支架压力信息，并在采煤工作面组成无线压力表网络，完成支架工况信息的采集、无线传输和分析处理，解决了监测系统通信电缆随采煤推进出现的拉断问题，保证了监测数据的准确和及时上传。研制出的KJ621煤矿支架压力监测系统实时监测软件方便管理人员及时掌握采煤工作面矿压规律，为矿井的信息化打下基础。

作为功能的扩展，可以考虑在每个无线网络节点上加入瓦斯传感器、温度传感器以及烟雾和灰尘浓度等传感器，这样可以全面获得工作面的各个环境参数，从而更加有效地保障煤矿的安全生产。

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