泰安煤矿顶板动态综合监测系统技术方案A.docx

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泰安煤矿顶板动态综合监测系统技术方案A

泰安煤矿8101综放工作面

顶板综合在线监测系统

技术方案

山东省尤洛卡自动化装备股份有限公司

山东科技大学煤矿灾害监测工程研究中心

2010年12月22日

技术方案目录

一、监测内容

二、监测系统实现的功能

三、产品技术特点

四、系统结构及组成说明（含电气结构图）

五、系统监测方法及工作原理

六、系统现场布置及安装说明

七、技术指标、技术参数

八、系统软硬件配置清单

1、工作面的地质资料

1）工作面采煤方法？

长臂式开采

2）工作面长度、走向长度？

207米、1470米。

3）采高3.7米。

4）直接顶厚度、老顶厚度？

0.8米2米

5）顶板岩性？

砂质泥岩。

2、巷道的支护参数

1）巷道类别（掘进、回采）、支护形式？

回采锚杆锚索加钢筋网

2）锚杆、锚索的支护密度间距：

锚杆900mm排距：

锚索900mm

3）锚杆、锚索的长度？

锚杆2100mm、锚索6500mm。

4）巷道高度？

运顺3.2m回顺3.7米

5）巷道长度？

1470米。

3、工作面采掘位置平面图（草图）

要求有相对位置、距离。

4、矿井主通讯系统形式（通讯电缆、光纤、以太网）？

电缆

5、井上信息管理计算机网络（局域网）是否建立？

否

6、双顺槽长度1470m

一、项目监测要求（内容）

1、巷道顶板离层在线监测

2、巷道锚杆应力在线监测

3、综采工作面顶板矿压在线监测

4、巷道钻孔应力在线监测

5、煤矿井下巷道或工作面的顶底板动态监测

6、巷道每50m布置一组测点

7、工作面监测15组支架，每架监测三个压力测点

二、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海量数据库。

4.分站及接收系统后备存储功能，当通讯线路或计算机出现故障时自动启动后备存储，可用”U”盘取出数据导入计算机

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

●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）。

三、KJ216顶板动态监测系统得主要技术特点

KJ216顶板动态监测系统是第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。

搞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.“KJ216煤矿顶板动态监测系统”产品获国家发明、实用新型5项专利：

1）实用新型专利：

“煤矿顶板动态监测系统”2007年1月申请，2009年6月授权。

专利号：

ZL200710013233.5。

2）发明专利：

煤矿顶板动态监测系统，2008年8月申请，2009年11月授权，专利号：

2008101387798。

、

3）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”，

4）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。

5）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。

2．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，每个测区检测内容包括：

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。

3．系统根据采场地质条件采用了两级总线设计，总线之间完全隔离，提高了系统环境适应性，与其他的煤矿安全监控系统有本质的区别。

4.传感器采用总线技术，监测分站最大可连接128个传感器，相比集散式（分站+模拟信号传感器）结构可靠性更高，成本更低。

5.系统数据传输支持多种传输模式：

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。

RDS通讯技术采用了基带式隔离传送方式和平衡式浮地通讯技术，可在电话通讯高噪声环境中，同缆稳定传输20km，不需要专门敷设电缆，可构成最经济的监测系统。

6.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。

7、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。

四、监测系统结构及组成

（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。

KJ216B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NPORT5150）、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。

本矿井已经建立光纤和环网通讯网络，系统配置光端机分站接入环网。

KJ216A/B系统的监测分析软件采用了SQLsever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

图1矿压在线监测系统井上部分组成

（二）矿压监测系统与矿井综合自动化系统联网方案补充说明

综合自动化网络建设的基本构架采用了内外和外网结构，内网为矿井工业千兆以太环网。

如图2所示。

顶板监测系统主站内置RS485接口，可与带串口（RS485）组件的交换机直接接入。

KJ216B监测系统关联设备KJ216-J1环网光端机分站带有网口（RJ45）和光口（SC.S30-100），可与标准的环网交换机直接连接，接入地点可选就近环网交换机接入（例如采区变电所）。

测系统接入矿井以太环网，监测服务器通过驱动软件虚拟的串口（COMX）读取井下监测主站传送的数据。

监测服务器须接入环网段，监测服务器配置了双网口。

监测服务器通过微软公司提供OPCserver接口或通过FTP传送方式连接到局域网（外网）服务器。

当使用OPCserver时，局域网的客户端和Web服务器可安装C/S和B/S版监测软件通过操作系统底层链接（OPC）获取矿井环网（内网）的监测数据；当使用FTP网络传送方式时，外网服务器端设定固定IP路径缓存文件（.TXT），监测软件（CMPSES）通过读取缓存文件获取监测数据。

目前KJ216B系统已接入KJ95、KJ90等煤矿综合监控系统和信息集成应用已有20多个案例，取得了较好的应用效果。

图2井上联网方案

（二）井下部分

系统配置一个采煤工作面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。

考虑到井下采区的布局，井下系统结构如图3、4所示。

分别主要设备配置是：

1）监测主站KJ216-Z1台

2）多功能监测分站KJ216-F23台

3）顶板压力监测分站（含传感器3通道）KJ216-F15台

4）围岩移动传感器（顶板离层传感器）60只

5）锚杆/锚索应力传感器60只

6）围岩应力传感器（钻孔应力传感器）60只

（配套相应的电源及其它设备，详见设备清单）

常村煤矿选择了电话线或光纤通讯方式，井下的数据信号通过RDS-100或光纤收发器接入到接收主机，接收主机将接收到的数据发送到监测服务器串口接收。

若用户选择了以太环网通讯方式，监测主站可可通过环网光端机分站接入环网，监测服务器可通过内部以太网卡（RJ-45）接入环网中，监测服务器直接从环网读取数据。

监测主站与下为通讯分站通过RS485总线电缆连接，与下位分站构成主从式系统结构。

通讯主站负责监测多个测区，通讯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。

数据通讯分站通过总线巡测每个测点的数据，形成上下位主从通讯关系，当离层测点（传感器）收到主站的指令时中断采集过程将存储的数据发送到上位主站。

1、综采工作面工作阻力在线监测子系统

如图3。

工作面设计安装15台顶板压力监测分站，另备用三台。

每台压力分站监测一组支架的三个测点，每台KDW28电源可供12台顶板压力监测分站正常工作。

压力分站采用一体化设计，集监测、显示、报警、总线接口、传感器于一体。

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声、光报警。

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。

压力监测分站之间由一根钢丝防护铠装电缆连接。

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。

2、巷道顶板离层监测系统

GYW系列顶板离层（岩层移动传感器）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、485通讯功能。

如图4所示。

根据《煤矿安全规程》的要求，结合本矿的顶板地质条件，建议每隔50m安装一组测点（传感器），可分段布置。

每组测点有两个位移基点。

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。

3、锚网巷道锚杆、锚索支护应力监测

锚杆/锚索应力监测可选择部分断面布置测点，测点可与顶板离层测点相邻安装。

如图4所示工作面巷道按50米一组测点布置。

每条巷道可布置一台或多台分站。

KJ216-F2多功能分站最大可连接64个锚杆传感器和64个离层传感器。

锚杆应力传感器与锚索应力传感器通用。

锚杆应力监测传感器与顶板离层传感器使用同一条通讯电缆。

4、超前煤、岩支撑应力监测

受采动影响采场上覆岩层的运动诱发的应力作用是造成巷道变形、顶板冒落甚至发生冲击地压的主要原因。

通过在煤层或岩层中安装应力监测传感器（钻孔应力传感器）检测煤岩支撑应力的变化。

分析回采工作面外应力场的范围大小、运动过程。

分析应力场作用的范围、强度和运动方向，为冲击地压防治的卸压措施实施提供依据。

钻孔应力监测也可以用于采场预留煤柱的承载力监测，用于合理确定预留煤柱的大小。

如图4钻孔应力监测可选择部分超前支护，停采线，预留煤柱布置测点，测点可与顶板离层测点相邻安装。

KJ216-F2多功能分站最大可连接64个锚杆传感器和64个离层传感器及64个钻孔应力传感器。

钻孔应力监测传感器与顶板离层、锚杆应力传感器使用同一条通讯电缆。

P15

皮带顺槽

图3综采工作面顶板监测系统硬件组成及布置图

·

图4巷道顶板离层、锚杆、钻孔监测硬件组成及布置图

五、系统工作原理与工作过程

1、综采工作面支架工作阻力监测

综采顶板压力监测分站是最基本的测量单元，每台监测分站包含三个压力监测通道，支架的高压腔由管路连接到压力通道。

压力监测分站在供电状态独立工作，每1S监测一次三个通道的压力数据，由程序自动判断初撑力、最大工作阻力，LCD显示器显示三个通道的数据，通过面板控制键可启动背光显示。

压力监测分站可以监测4个方向的倾角，分别是走向角度指的是回采方向的俯仰角度；倾斜角度指采煤机走向的变化角度。

当压力监测分站收到总线请求发送数据指令时，自动将数据发送到总线。

综采监测子系统使用专用的数据通讯分站控制，每台通讯分站最大可巡测128台压力监测分站，每台监测分站有独立的地址编码，通讯分站与压力监测分站通过RS-485总线构成上下位关系，通讯分站按编码顺序巡测压力监测分站数据，存储并循环显示数据。

通讯分站可诊断并显示下位压力监测的工作状态（正常/故障）。

2、巷道围岩移动（离层）监测过程描述

KJ216-F2数据通讯分站连接巷道各顶板传感器和锚杆、索应力传感器，构成二级总线上下位监测关系，离层传感器与锚杆应力传感器共用一条总线连接，每个传感器有唯一的地址编码，通讯分站控制巡测每个传感器的数据，分站显示和存储数据并将数据发送到上位监测主站。

监测传感器采用智能一体化设计，每个传感器独立运行（供电状态），灯光出发显示数据，设置报警参数后能自动报警。

3、锚杆、锚索应力监测

锚杆锚索传感器配套总线变送器工作，固定设置变送器编码。

传感器输出标准的电压信号，变送器由CPU控制监测传感器输出信号。

传感器内置总线接口连接到RS-485总线，传感器收到总线请求发送数据指令时，自动将数据发送到总线。

锚杆监测传感器、变送器上位连接到综合数据通讯分站，每台综合数据通讯分站最大可连接128台传感器（或64台离层传感器+64台锚杆应力传感器），每台变送器由唯一的地址编码，通讯分站按地址编码顺序巡测各锚杆传感器变送器的数据，循环显示各测点的数据。

通讯分站可诊断并显示下位锚杆应力监测传感器、变送器的工作状态（正常/故障）。

4、围岩应力监测

受采动影响采场上覆岩层的运动诱发的应力作用是造成巷道变形、顶板冒落甚至发生冲击地压的主要原因。

通过在煤层或岩层中安装应力监测传感器（钻孔应力传感器）检测煤岩支撑应力的变化。

分析回采工作面外应力场的范围大小、运动过程。

分析应力场作用的范围、强度和运动方向，为冲击地压防治的卸压措施实施提供依据。

钻孔应力监测也可以用于采场预留煤柱的承载力监测，用于合理确定预留煤柱的大小。

钻孔应力监测可选择部分超前支护，停采线，预留煤柱布置测点，测点可与顶板离层测点相邻安装。

5、井下数据通讯系统

通讯主站与多台通讯分站构成上下位主从关系，主站与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，分站接收巡测指令后，将分站已经存储的数据帧发送到通讯主站。

通讯主站将每次巡测的数据通过主传输系统发送到井上接收主机。

主传输系统有三种接口：

方式1，RDS-100有线电缆通讯方式（电话线）；方式2，单模光纤通讯方式SC.S30-100（光纤1310um）；方式3，符合TCP/IP协议的以太环网通讯方式（光口或RJ45网口）。

以上传送方式均支持串行异步透明传送。

6、井上接收及数据处理系统

接收主机以上述三种方式之一接收到井下传送的数据，容错后直接发送到监测服务器，监测服务器安装CMPSES监测分析软件（C/S），将数据存储到数据库，并根据用户的要求进行不同的数据分析和报警。

局域网用户可安装或下载客户端软件，实现在线同步监测。

若局域网建立了Web服务器，可安装B/S监测软件，局域网或互联网用户可通过IE浏览器方式共享监测信息。

用户若选择了电话线或光纤通讯方式，井下的数据信号通过RDS-100或光纤收发器接入到接收主机，接收主机将接收到的数据发送到监测服务器串口接收。

若用户选择了以太环网通讯方式，监测主站可可通过内置NPORT接口接入环网，监测服务器可通过内部以太网卡（RJ-45）接入环网中，监测服务器直接从环网读取数据。

六、监测系统现场测点布置与安装

1、工作面支架工作阻力监测系统

如图3所示，工作面安装15台顶板压力监测分站，另三台用做备用。

压力监测分站每个端头支架布置一台，其他按均匀布置，分机固定安装在支架的顶梁下面，工作面通讯电缆采用吊挂式安装，压力分机的1、2压力通道采用KJ1-10高压油管与综采支架的左右立柱连接，第3通道与支架平衡千斤顶或前探梁油缸连接。

综采通讯分站安装在开关列车上，通讯分站通过一条防护式电缆与工作面压力监测分机连接，工作面推进时通讯分站及电源、电缆随开关列车一起移动。

安装方法如图5

图5压力监测分站安装示意图

2、巷道顶板位移（离层）监测系统

如图5所示。

距切眼位置30米每隔50m布置一个测点，每20个测点增加一台供电电源。

电源通过三通接线盒接入总线。

顶板离层传感器采用ф28mm钻孔（锚杆钻孔）安装，顶板钻孔深度不大于20米，允许钻孔倾角+30度。

每个传感器配套一个三通本安型接线盒，安装方法如图4。

建议议浅基点B的安装深度1m，深基点A的安装深度2m（供参考）。

图6离层传感器安装示意图

3、巷道锚杆支护应力监测系统

锚杆应力监测测点的安装方法如图7所示。

锚杆应力传感器适用于端锚的金属锚杆或锚索的安装。

锚杆/锚索应力传感器采用穿孔式固定安装安装，最大穿孔直径Φ26mm，导向盘的穿孔直径依锚杆或锚索的直径确定（用户订货时说明）。

锚杆传感器安装锚杆的托盘和紧固螺母之间，传感器安装时要注意穿孔居中。

建议锚杆/锚索传感器在巷道掘进过程中安装，若在回采巷道锚杆上安装传感器时，要注意顶板局部安全。

图7锚杆/锚索传感器安装示意图

4、围岩应力监测系统

煤岩钻孔应力传感器采用Φ42mm～Φ46mm水平钻孔探入安装。

1.首先通过钻机将钻孔打出，用风或水压清洗钻孔，将传感器的受力面朝上用推杆将传感器缓慢推入。

注意：

在推入传感器时不可将推杆旋转，应保持一个方向。

安装方法如图所示。

2.将传感器的输出信号电缆，按信号顺序接入到接线盒。

注意事项：

传感器安装后应将电缆固定好，避免用力拉扯信号电缆。

围岩应力传感器安装示意图

八、技术指标、参数

监测服务器操作系统:

Windows2003/5/7server

数据库平台：

SQLserver

网络平台：

局域网

1．系统综合技术指标

1）系统分站容量1——128（监测分站）

2）系统监测点数<1000

3）系统通讯距离<20km（电话线）

<30km（单模光纤）

4）系统巡测周期≤20S

5）传输接口RDS-100串行异步

NPORT以太网接口

MWF485单模光纤接口

6）通讯速率2400—57600BPS（出厂设置9600）

7）运行环境环境温度：

0℃～40℃（井下）

平均相对湿度：

不大于75%（井上）；不大于95%（井下）

大气压力：

80kPa～106kPa

8）供电电源

a.地面设备交流电源

额定电压：

220V，允许偏差:

-10%～+10%；

谐波：

不大于5%；

频率：

50Hz；允许偏差±5%。

b.井下设备交流电源

额定电压：

127V，允许偏差:

-25%～+10%；

谐波：

不大于10%；

频率：

50Hz；允许偏差±5%。

2.通讯接口

1）输入接口（支持三种通讯方式）RDS-100、RS485

SC.S30-100（光纤1310um）

RJ45（TCP/IP）

3）输出接口RS-232/RS485

4）显示方式LCD（中文），LED背光

5）安全隔离方式光电耦合（2500V）

6）缓存容量256MB

7）电源AC220V±15%0.1A

8）防爆形式一般兼本质安全型[Exib]I

3．监测主站

1）接入容量1——128点

2）显示方式LCD20*4（中文）LED背光

3）井上通讯方式RDS-1002400bp（井上通讯）

NPORT以太网接口

MWF485单模光纤接口

4）下位通讯RS4852400bps

5）通讯距离至井上接口25km

至下位分站10km

6）存储容量8M/（U盘读取）

7）电源波动范围DC12—18V（本安电源）150mA

8）防爆形式本质安全型Exibl

4、本安监测分站

1）接入传感器容量1——128（下位分站或传感器）

2）显示方式LCD20×4（中文）LED背光

3）通讯速率9600bps

4）通讯距离10km

5）传输方式异步全双工、半双工

6）电源DC18V（本安电源）150mA

7）防爆形式本质安全型Exibl

5、顶板压力监测分站（一体化压力分站）

1）压力通道数3（内置传感器）

2）倾角2轴（内置芯片）

3）量程0——60Mpa

4）精度1.5%

5）显示分辨率±0.1MPa

6）显示方式LCD20×4（中文）LED背光

7）通讯接口RS4859600bps

9）传输方式：

异步全双工、半双工（RS-485）

10）报警参数1——60MPa（用户设定）

11）报警方式声音（90dB）、光闪烁

11）电源DC18V（本安电源）35mA

12）防爆形式本质安全型Exibl

6、围岩移动传感器

1）安装深度1——20米

2）量程0——300/500mm

3）测量精度1.0%

4）测量分辨率±0.1mm

5）显示方式LED×4

6）电源DC7——18V6mA

7）通讯接口RS-485;红外Ir

8）传输方式：

异步全双工、半双工9600bps

9）防爆形式本质安全型Exibl

7、锚杆应力检测传感器

1）量程0——400KN

2）测量精度±1.5%

3）显示分辨率0.01KN

4）通讯接口RS-485;红外Ir

5）传输方式异步全双工、半双工,9600bps

6）电源波动范围7——18V

7）防爆形式本质安全型Exibl

8、