摘 要：本文論述了礦井水害防治保障體系中的一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，利用KJ117礦井水壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)煤礦井下以總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式連接的水文觀測(cè)孔進(jìn)行水壓、水位超遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能及時(shí)反映當(dāng)前礦井不同地質(zhì)層位的水壓、水位及動(dòng)態(tài)變化情況，為煤礦安全生產(chǎn)和防治水工作提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水害防治；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；遠(yuǎn)程通信；預(yù)測(cè)

1 概述

礦井突水是煤礦的致命災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)，有時(shí)會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，隨著煤礦水害問題的日益突出，煤礦防治水研究將會(huì)越來(lái)越占有其重要的地位。目前我國(guó)大多數(shù)礦井水位、水壓等重要參數(shù)的監(jiān)測(cè)都是靠人工進(jìn)行觀測(cè)，定期進(jìn)行人工測(cè)算，稍有疏忽，就會(huì)發(fā)生事故，同時(shí)也不便于管理。因此，對(duì)于如何保證安全采煤己成為大水礦區(qū)亟待解決的首要問題。煤炭科學(xué)研究總院西安分院總結(jié)了原煤炭部100項(xiàng)新技術(shù)推廣項(xiàng)目之一的SY-1A水壓水位自動(dòng)記錄儀在水害較嚴(yán)重礦區(qū)所使用的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上[1]，成功研制了煤炭行業(yè)迫切需要的一種集中化、智能化、高可靠性的礦用本質(zhì)安全型KJ117礦井水壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)煤礦井下幾個(gè)至上百個(gè)分布式水文觀測(cè)孔的水壓、水位進(jìn)行“一線多點(diǎn)”形式的超遠(yuǎn)距離地面集中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用高速數(shù)據(jù)交換技術(shù)，系統(tǒng)具有最佳的實(shí)時(shí)性。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能及時(shí)反映當(dāng)前礦井不同地質(zhì)層位的水壓、水位及動(dòng)態(tài)變化情況，通過取得的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和組織管理經(jīng)驗(yàn)，以便及時(shí)采取防治措施，防患未然，為加強(qiáng)煤礦安全生產(chǎn)和防治水工作提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。KJ117礦井水壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制成功，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)過去無(wú)法進(jìn)行的遠(yuǎn)程礦井水壓、水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，獲得了有關(guān)專家的高度評(píng)價(jià)。礦井水位、水壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)我國(guó)各個(gè)大水礦區(qū)建立水害防治保障體系提供了重要的手段，全面推廣使用并盡快健全礦區(qū)地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)網(wǎng)，對(duì)解決煤礦安全生產(chǎn)、預(yù)防水害發(fā)生將有著極其重要的意義。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成

礦用本質(zhì)安全型KJ117礦井水壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的地面監(jiān)測(cè)中心站是由計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信設(shè)備及系統(tǒng)軟件（含系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理等應(yīng)用軟件）組成。井下子站（水壓測(cè)量點(diǎn)）主要由井下水壓/水位數(shù)據(jù)采集單元、高精度壓力/液位變送器、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信單元、井下防爆電源、子站殼體安全保護(hù)罩等組成。系統(tǒng)包含1～256個(gè)子站。KJ117礦井水壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)是Q/MKYX 029—2004，系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 KJ117礦井水壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理框圖

3 主要技術(shù)參數(shù)

觀測(cè)方式： 自動(dòng)、手動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

數(shù)據(jù)記錄： 自動(dòng)、手動(dòng)任選

測(cè)量范圍： 0～10Mpa

測(cè)量精度： 0.3%F.S

通信距離： 10km (可擴(kuò)展)

傳輸速率： ≥4800bps

觀測(cè)站點(diǎn)數(shù)：1～256（可擴(kuò)充）

環(huán)境溫度： 0～＋40℃

環(huán)境氣壓: (0.80～1.06)×105Pa

環(huán)境氣體: 可含有甲烷、煤塵無(wú)腐蝕性氣體爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所

相對(duì)濕度: ≤95%

防爆類型： 礦用本質(zhì)安全型

防爆標(biāo)志： ExibI(150℃)

4 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及特點(diǎn)

4.1 KJ117系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

KJ117礦井水壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理是采用總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方式連接幾個(gè)至上百個(gè)水文觀測(cè)孔上的子站，子站將水壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)并通過井下遠(yuǎn)程通信適配器及通信電纜MHYVRP傳輸?shù)降孛姹O(jiān)測(cè)中心站。

圖4 巡回采集設(shè)置

圖3 單孔水壓監(jiān)測(cè)月曲線

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要，將壓力變送器安裝在水文長(zhǎng)觀孔中或井下泄水管口并配備相應(yīng)的子站，子站殼體設(shè)計(jì)是防水全密閉結(jié)構(gòu)。距離太遠(yuǎn)或子站數(shù)量太多時(shí)，可通過中繼器擴(kuò)展子站距離和數(shù)量。子站的電源設(shè)計(jì)采用了不間斷防爆電源裝置，將AC127V變換為DC12V供給子站，當(dāng)電源裝置出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)切換子站內(nèi)部電池供電，子站電原理框圖見圖2所示。

圖2 子站電原理框圖

鍵盤/顯示

程有線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)井下子站進(jìn)行有效控制，實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)并記錄礦井所有觀測(cè)點(diǎn)的水壓、水位值及其變化情況。系統(tǒng)自動(dòng)將實(shí)時(shí)水壓數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、編輯添加至已建立的礦井水文水情數(shù)據(jù)庫(kù)中。根據(jù)需要生成相關(guān)的年月日?qǐng)?bào)表、數(shù)據(jù)曲線、進(jìn)行水文地質(zhì)數(shù)據(jù)資料管理及打印輸出結(jié)果。圖3是某礦區(qū)的一個(gè)單孔水壓時(shí)間月變化曲線圖。

KJ117系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了基于現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制總線技術(shù)，所有子站均由內(nèi)置計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制，完成水壓/水位數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。通過有線遠(yuǎn)程通信單元并按系統(tǒng)約定通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，為監(jiān)測(cè)中心提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖4所示的是水壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)“巡回采集” 界面，圖中顯示有數(shù)據(jù)區(qū)、采集地名、站號(hào)、時(shí)間、子站采集的壓力值、采集站的水位標(biāo)高、警戒值、采集間隔、存儲(chǔ)間隔和手動(dòng)方式等內(nèi)容。其中警戒值是達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)報(bào)警，如果所測(cè)水壓值小于小值或大于大值時(shí)，那么將進(jìn)行報(bào)警提示，并用紅色顯示水壓值。采集間隔是采集數(shù)據(jù)時(shí)的間隔，每隔一定的時(shí)間從1號(hào)子站到10號(hào)子站采集一次數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)間隔是每隔設(shè)定的時(shí)間存儲(chǔ)一次數(shù)據(jù)（從1號(hào)站采集到10號(hào)站），采集10號(hào)站到下一次采集1號(hào)站的時(shí)間為采集間隔，手動(dòng)方式是每按1次回車從1號(hào)站到10號(hào)站采集一次。通訊端口為通訊所使用的端口，通訊站號(hào)為當(dāng)前子站通訊的站號(hào)，連接時(shí)間是啟動(dòng)巡回采集到當(dāng)前的時(shí)間，單位為分鐘。

KJ117系統(tǒng)支持井下監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離超過10Km或帶載容量超過10個(gè)子站的擴(kuò)展，二次擴(kuò)展傳輸距離≥5Km；帶載容量10個(gè)子站。圖1 所示的中繼器連接設(shè)計(jì)，其目的是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)、延長(zhǎng)通信距離和擴(kuò)展子站數(shù)量，保證現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離的需要。

系統(tǒng)壓力變送器實(shí)際安裝位置的選擇，要應(yīng)用相關(guān)物探技術(shù)[2]，如直流電法儀，音頻電穿透儀，瞬變電磁法等方法，結(jié)合鉆探資料，在預(yù)測(cè)可能發(fā)生突水的部位來(lái)安裝，通常方便的安裝方法是選擇井下泄水管口。

4.2系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

該系統(tǒng)具有量程大、測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性最佳、超遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸可靠、人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)便和無(wú)人職守可智能化工作等特點(diǎn)。系統(tǒng)的主要功能如下：

對(duì)各地點(diǎn)、各參數(shù)、各時(shí)間單位傳感器所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量；

完成地面中心站與各子站數(shù)據(jù)的傳輸，主機(jī)能實(shí)時(shí)地接收由各子站采集來(lái)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)處理；

通過地面中心站可以觀察所有井下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)水壓情況，并以圖形畫面直觀顯示監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的觀測(cè)數(shù)據(jù)；

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的年、月、日曲線顯示和數(shù)據(jù)報(bào)表顯示，自動(dòng)生成系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的報(bào)表，可打印年、月、日?qǐng)?bào)表和對(duì)比報(bào)表、曲線，以及柱狀圖打印、柱狀對(duì)比圖打印。

可以任意選定觀測(cè)站進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)；

各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瞬時(shí)值和歷史記錄顯示；

各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)越限報(bào)警顯示；

對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)分析和判斷是否超出報(bào)警范圍，水壓超限時(shí)，中心站計(jì)算機(jī)顯示有關(guān)報(bào)警數(shù)據(jù)。

所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過組態(tài)在3分鐘到24小時(shí)范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)定和存儲(chǔ)。

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)最快每3分鐘存盤一次，以隨機(jī)值形成歷史曲線，所有數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)一年以上。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)KJ117礦井水壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在多個(gè)礦井的工業(yè)性試驗(yàn)，受到了現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的高度評(píng)價(jià)。下一步可以將該系統(tǒng)功能進(jìn)行擴(kuò)展，利用該系統(tǒng)的超遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸和控制技術(shù)，研究開發(fā)出礦井突水預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)系統(tǒng)。由于礦井水害的因素十分復(fù)雜，防治水工作不單純是水文地質(zhì)問題，而是一項(xiàng)多學(xué)科的系統(tǒng)工程。在礦井水害防治保障體系的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究中，應(yīng)研究礦井突水發(fā)生的物理力學(xué)過程，尋找出物理量的可監(jiān)測(cè)性和監(jiān)測(cè)內(nèi)容[3]。目前，我們對(duì)如何擴(kuò)展其監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行分析、論證和試驗(yàn)，如：監(jiān)測(cè)水壓直接反映承壓水導(dǎo)升部位，監(jiān)測(cè)水溫變化是否反映有深部承壓水的補(bǔ)給，并監(jiān)測(cè)煤層底板中的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)等內(nèi)容。通過選擇不同類型的傳感器，就可達(dá)到對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)內(nèi)容的數(shù)據(jù)變化特征進(jìn)行綜合分析和研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井監(jiān)測(cè)部位突水的可能性進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 鄭綱.東龐礦9103工作面底板突水前兆實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù).煤炭科學(xué)技術(shù)，2004,3,P5,P27