倪 娟

(潞安环能股份公司 王庄煤矿，山西 长治 046031)

近年来，虽然中国已经开始控制煤炭产能，但我国以煤炭为主导的能源结构还难以改变。煤矿采区变电所担负着整个采区的受电、配电、变电任务，是煤矿开采运输的重要基石。由于井下变电所采用锚杆支护，顶板活动较为隐蔽，难以察觉躲避。在采区变电所应用智能型顶板监控预警装置，实时监测顶板活动，及时发出预警，对于从业人员的安全具有重要意义。

1 研制智能型顶板监控预警装置的目的

煤矿采区变电所是采区的供电中心，它担负着整个采区的受电、配电、变电的任务。

1) 受电：井下采区变电所将地面变电所经井筒由高压电缆输送6 kV电能，通过总高压隔爆开关接受。

2) 配电：将总高压隔爆开关输出6 kV电能，经分路高压隔爆开关向高压设备、整流设备及采区变电所供电[1]。

3) 变电：通过矿用变压器，将6 kV电压降为660 V、1 140 V和3 330 V，供给井底车场附近的低压动力设备。如中央水仓水泵、井底提升绞车及照明变压器等用电设备。为保证供电可靠，井下采区变电所全天24 h必须有专人看护。所以中央变电所的顶板支护显得尤为重要。

目前采用的顶板离层仪需要人工定期观测，达不到自动监测和预警功能。由于井下变电所采用锚杆支护，顶板活动具有隐蔽性，巷道冒顶的预兆不易被人察觉，甚至在冒顶时人员无机会躲避，所以要对巷道进行顶板离层观测。目前采用的顶板离层仪需要人工定期观测，达不到自动监测和预警功能。智能型顶板监控预警装置主要用于监测井下变电所顶板离层量，为巷道的及时支护和安全管理提供依据。该装置可在井下就地监测预警，又可将监测数据通过矿井监控网络传输到地面调度指挥中心。

2 智能型顶板监控预警装置设计

2.1 硬件设计

智能型顶板离层监控装置由位移传感器、传感器托架、金属感应板、监控主机、报警装置、通讯传输系统和就地监控分站等组成。

1) 位移传感器、传感器托架、金属感应板。为了解决顶板离层观测参照的问题，在顶板离层监控过程中本装置将采用位移计监测方法，在顶板埋设基点，测量顶板的位移，位移传感器采用本安型NJ4-12GM电子接近开关，它的作用是与金属板相配合感应顶板离层位移信号，并将位移信号转换成电信号送至监控主机。

2) 报警装置。正常工作时，报警装置能通过电路放大位移信号，驱动装置显示顶板离层量。当位移信号超过阈值时，直接驱动显示报警装置YB-1发出语音警报，其中阈值根据采区实际条件进行调节。

3) 监控主机。地下的监控主机采用S7-200可编程序控制器，它可集中处理输入离层监测信号和输出控制语音报警装置，并能实现数据采集、存储的功能。地表监控部分主要实现了连续监测曲线显示、历史数据查询及报表输出以及顶板安全的综合分析评估的功能。

4) 通讯传输系统。将监测信号通过RS485通讯端子与井下监测网络互联，实现对监测离层信号进行数据上传至地面。采用的是两线制的总线式拓扑结构，在同一总线上最多可以挂接32个节点。采用主从通信方式，即一个主机带多个从机。考虑矿井的特殊条件，采用STP-120 Ω专用电缆，一对18AWG。

5) 就地监控分站。就地监控分站将不同测点的实测顶板离层数据通过预埋光纤进行传输，实现采区关键区段的顶板集中观测，方便工作人员进行数据分析并统筹安排。在顶板离层超限时，报警信号也会先集中到分站，然后传递到地表。

2.2 软件设计

智能型顶板离层监控软件基于编程语言，集成了通用模块、监控模块、显示报警模块以及网络模块，其中通用模块起到系统初始化，人机交互的作用，地下工作人员可以通过交互功能实时查看获取相关顶板参数，并进行简单的预测分析。监控模块则需要通过信道采集转化来自位移传感器的数字信号，完成差分数据和原始数据的保存工作，并保证完整的采样周期内设定故障自查，确保模块安全准确运行。显示报警模块提供了顶板离层阈值的设定接口，采用内置算法对顶板离层信息进行分析测算，便于综合分析及顶板安全评估分析。网络模块则通过信道传输协调各测点信息，分配端口进行串行通信。

3 智能型顶板离层监控装置的工作原理

3.1 安装结构

将变电所的顶板分为若干个区段，如图1所示，每10 m2为1个区段，每个区段内部布置2个位移传感器，将自制1块5 cm2的金属感应板固定在顶板上，位移传感器安装在自制的铁制托架上，将托架上的位移传感器调整到固定在顶板上的金属板下方，调整好位移传感器与金属板的间距，这个间距控制在1 mm以内。

图1 区段内顶板监测设备布置

3.2 电气图

当地质结构发生变化时，顶板下降,安装在顶板上的金属板也随之下降,触发了位移传感器，位移传感器传位移信号送至监控主机，主机输出接通报警装置，发出语音预警，通知变电所内的工作人员，采取相应的处理措施。同时监控主机将离层数据上传地面，通知矿井生产调度中心。本装置可同时监控若干个区段发送过来的顶板离层信号，同时也会发出该区段的离层语音报警。

图2 电气布置

如图2所示，信息在由位移传感器采集后经由S7-200编程的PLC主机进行分析，如果顶板离层超过限制，经由语音报警系统进行广播。所有顶板信息都会通过RS485通讯端子和地下的KJF网络分站进行通信，KJF网络分站还负责一部分的数据储存和分析工作，最后信号传递至地面调动中心，由地表人员根据实测数据进行分析研判，实现统一调度。

3.3 实现功能

1) 监测预警功能。①井上计算机动态显示监测参数，报警。地下网络分站将顶板监测信息实时传输至井上调度中心，由专门的软件对监测信息进行处理，实现动态的参数显示。②井下现场显示数据和报警。采取变电所的PLC主机通过显示屏来显示监测数据，在顶板离层值发生异动时及时发出警报。③监测数据自动记录存储。监测数据通过PLC主机传递至网络分站，由网络分站进行自动储存，并发送至井上存入数据库。④连续监测曲线显示，分析。通过软件及相关算法，对监测数据进行处理，画出实时监测曲线，便于工作人员观察，并给出分析结果，可用于参考。⑤历史数据查询及报表输出。可以通过登录数据库进行历史数据查询，也可以在网络分站查询一定时间内的数据存储，并输出报表。⑥综合分析及顶板安全评估分析。根据顶板实时监测数据、长期的监测曲线以及技术人员分析得到的参数进行综合分析和顶板安全评估分析。

2) 动态监测网络功能。①网络用户web访问模式在线动态监测。井上调度室在获取来自网络分站的监测数据时，通过网络分享给有权限的admin用户。②数据库数据信息共享。井上调度室将监测数据同步至MYSQL数据库，实现数据信息的储存和共享，出于安全的考虑，设置权限并进行备份。③监测日报网上报表。网络分站将每日的监测信息进行分析整合，生成电子报表。④重要事件的GPRS短信寻呼功能。建立GPRS数据收发单元及数字信息用户群。井下监测网络通过井下的网络分站接入矿井主站交换机将数据传送到井上。

4 智能型顶板离层预警装置使用效果

在试验过程中,智能型顶板离层预警装置性能稳定，数码显示清楚,语音提示准确，能实时监控变电所的顶板变化情况，监测的数据准确、有效，不但能将这些数据及时上传至地面，而且在现场能发出语音提示，如变电所的一号区域顶板发生离层，语音报警系统这时会发出“一号区域顶板离层，请工作人员注意检查”的语音播报，同时预警灯闪烁。该预警信号直至隐患排除方可自动接触报警，本装置的使用为矿井安全生产又增加了一道安全防线。