礦山壓力監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)

杜倩倩+夏芳芳+馬曉峰

摘要：在礦山生產(chǎn)過程中，由于對礦山壓力顯現(xiàn)觀測預(yù)報(bào)不及時(shí)和處理不當(dāng)所引起的生產(chǎn)事故，對礦山企業(yè)安全生產(chǎn)和礦工的人身安全構(gòu)成了極大的威脅。由于礦壓環(huán)境的復(fù)雜多變性，受海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的限制，礦壓專家很難從礦壓數(shù)據(jù)中分析出礦壓運(yùn)動規(guī)律?；趯ΦV壓理論的分析，開發(fā)出一套礦壓數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過極值求解的算法，借助信號處理的方法，利用極值點(diǎn)實(shí)現(xiàn)在雜亂的時(shí)序數(shù)據(jù)里獲取初撐力和循環(huán)末阻力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)周期來壓步距的提取，來輔助礦壓專家對礦壓運(yùn)動進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：礦山壓力；數(shù)據(jù)分析；來壓步距；初撐力；循環(huán)末阻力

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）12-0053-02

Abstract： In the mine production process， the accidents due to the mine pressure observation and forecasting untimely or improper handling had posed a grave threat to the mine safe production and the safety of miners. Owing to the complex of underground pressure environment， restricted massive real-time data， strata experts need mine pressure data processing system to aid in the analysis of underground pressure law of motion. Based on the analysis of underground pressure theory， the mine pressure data processing system in this article through the solution of extreme algorithms， using the method of signal processing， making use of extreme points to achieve setting load and the end of the loop resistance in the clutter timing data， then extract step distance of roof weighting， in order to help strata experts analysis the pressure law of motion.

Key words： mine pressure ； data analysis ； step distance of roof weighting； setting load； the end of the loop resistance

由于沖擊地壓問題極為復(fù)雜，國內(nèi)外目前尚未建立比較符合實(shí)際的沖擊地壓發(fā)生及破壞過程的理論，因而沖擊地壓的預(yù)測、預(yù)報(bào)及防治并不完備[1]。隨著國家對煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)的要求的不斷提高和企業(yè)自身發(fā)展的需要，我國的各大、中、小煤礦的礦井都裝備了礦井實(shí)時(shí)的監(jiān)測系統(tǒng)[2]。監(jiān)測系統(tǒng)的普遍安裝大大提高了礦井安全生產(chǎn)水平和安全生產(chǎn)管理效率，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。很多煤炭企業(yè)為了提高安全生產(chǎn)，通常聘請煤炭專家對煤礦生產(chǎn)情況壞和礦壓規(guī)律進(jìn)行分析報(bào)告，但是目前我國礦壓專家人數(shù)并不多，很難做到每個(gè)煤礦企業(yè)都配有一位專業(yè)的礦壓專家對礦壓情況進(jìn)行及時(shí)的分析預(yù)測[3]。而且每份礦壓報(bào)告昂貴的價(jià)格也是許多中小煤礦很難定期請礦壓專家做礦壓分析，導(dǎo)致這類企業(yè)無法及時(shí)掌握礦井的安全狀況，造成很多不必要的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

基于對以上情況的綜合考慮，在充分利用我校先進(jìn)的礦壓理論研究基礎(chǔ)上，結(jié)合已開發(fā)完成的于礦壓監(jiān)測相關(guān)的系列產(chǎn)品，如KJ216綜采支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)，采用新的軟件設(shè)計(jì)理念，先進(jìn)的軟件開發(fā)工具以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)等研發(fā)了礦壓數(shù)據(jù)監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析平臺系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)需求分析階段得到的目標(biāo)系統(tǒng)的物理模型確定一個(gè)合理的軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)[5]。本系統(tǒng)依據(jù)已有的礦壓理論研究，結(jié)合煤礦工作面的壓力、進(jìn)尺等數(shù)據(jù)，最終給出目標(biāo)工作面內(nèi)的礦壓規(guī)律，并且利用計(jì)算機(jī)將壓力數(shù)據(jù)用圖形展示出來；通過極值求解的算法，借助信號處理的方法，利用極值點(diǎn)實(shí)現(xiàn)在雜亂的時(shí)序數(shù)據(jù)里獲取初撐力和循環(huán)末阻力進(jìn)而實(shí)現(xiàn)周期來壓步距的提取；將壓力數(shù)據(jù)通過人為設(shè)定相關(guān)參數(shù)將數(shù)據(jù)結(jié)果分析出來，從而節(jié)省了人力、物力，提高了工作效率[4]。軟件的功能分解屬于軟件開發(fā)中的總體設(shè)計(jì)階段，軟件的總體設(shè)計(jì)從總的方面決定了軟件系統(tǒng)的擴(kuò)充性和維護(hù)性[6]。本系統(tǒng)的軟件功能分解如圖1所示。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

煤礦頂板動態(tài)監(jiān)測與礦壓數(shù)據(jù)分析平臺主要是對礦井中監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要分為以下五個(gè)功能模塊：系統(tǒng)設(shè)置模塊，數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊，數(shù)據(jù)查詢模塊，數(shù)據(jù)分析模塊和用戶設(shè)置模塊。每個(gè)主要功能模塊又有各個(gè)子功能模塊。

2.1 系統(tǒng)設(shè)置模塊

系統(tǒng)設(shè)置模塊這一模塊包括礦井基本信息設(shè)置、監(jiān)測分站設(shè)置、生產(chǎn)進(jìn)度管理、測點(diǎn)設(shè)置、報(bào)警設(shè)置、系統(tǒng)初始化。礦井基本信息設(shè)置主要實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用單位、工作面、區(qū)域和支架等信息進(jìn)行添加、修改和刪除的功能；監(jiān)測分站設(shè)置實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測分站的各種參數(shù)的添加、修改和刪除的功能；生產(chǎn)進(jìn)度管理實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)工作面推進(jìn)進(jìn)尺和班產(chǎn)量的添加、修改和刪除的功能；測點(diǎn)設(shè)置實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測點(diǎn)對應(yīng)的支架以及支架接線次序進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)對支架信息進(jìn)行添加、修改和刪除的功能；系統(tǒng)初始化是對系統(tǒng)的所有信息進(jìn)行初始化。

2.2數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊

數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊主要是用來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的。傳感器將井下的礦山壓力數(shù)據(jù)采集以后通過光纖將數(shù)據(jù)傳送到一個(gè)通訊分站中。計(jì)算機(jī)通過USB接口和通訊分站相連，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊通過調(diào)用SerialPort類，采用RS232通信協(xié)議將數(shù)據(jù)從通訊分站中解析出來，存入數(shù)據(jù)庫中完成數(shù)據(jù)采集的工作。數(shù)據(jù)采集模塊的工作原理如圖2所示。

2.3數(shù)據(jù)查詢模塊

數(shù)據(jù)查詢模塊下的單點(diǎn)阻力查詢可以用來查詢單點(diǎn)阻力曲線；單架阻力查詢可以用來查詢單架阻力曲線；平均阻力查詢可以用來查詢一個(gè)工作面內(nèi)所有支架的平均阻力曲線；測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢可以某個(gè)測點(diǎn)支架的原始數(shù)據(jù)。

2.4數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊下的提取進(jìn)尺是用戶根據(jù)查詢條件選擇工作面內(nèi)的進(jìn)尺類型；計(jì)算循環(huán)是用戶根據(jù)限定值和最小閾值在原始數(shù)據(jù)里求出循環(huán)；計(jì)算初撐力和循環(huán)末阻力是根據(jù)進(jìn)尺和循環(huán)求出初撐力和末阻力；計(jì)算來壓步距是根據(jù)循環(huán)末阻力和限定值求出顯著步距和穩(wěn)定步距；導(dǎo)出報(bào)表是根據(jù)計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出相應(yīng)的報(bào)表。

2.5用戶設(shè)置模塊

用戶設(shè)置模塊主要是包括用戶管理和修改密碼，在這一模塊中用戶可以根據(jù)提示修改個(gè)人信息，系統(tǒng)管理員用戶可以在這一模塊中添加普通用戶并為其設(shè)置相應(yīng)的權(quán)限。

3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)主要使用C#語言進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫為SQL Server2008，采用MVC三層架構(gòu)的設(shè)計(jì)模式搭建該項(xiàng)目的一個(gè)完整開發(fā)環(huán)境。系統(tǒng)分為表示層（UI）即View，業(yè)務(wù)邏輯層（BLL）即Controller，數(shù)據(jù)訪問層（DAL）即Model的三個(gè)層次來實(shí)現(xiàn)程序 “高內(nèi)聚，低耦合”，MVC的框架如圖3所示。

3.2系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采取的是客戶機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu)，即Client/Server體系結(jié)構(gòu)。C/S結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能充分發(fā)揮客戶端PC的處理能力，很多工作可以在客戶端處理后再提交給服務(wù)器。對應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)就是客戶端響應(yīng)速度快。本系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)主要有系統(tǒng)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、更改外觀和用戶設(shè)置模塊構(gòu)成，系統(tǒng)的物理部署由客戶端以及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器SQL Server2008組成。

3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)共有11個(gè)表，存儲的數(shù)據(jù)主要有煤礦基本信息、工作面基本信息、進(jìn)尺和產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)信息、支架壓力傳感器信息、初撐力和末阻力信息、步距信息等各種信息。系統(tǒng)開發(fā)的數(shù)據(jù)接口是ADO.NET，ADO.NET數(shù)據(jù)提供者對象接口實(shí)現(xiàn)了通用數(shù)據(jù)訪問類，在訪問數(shù)據(jù)庫時(shí)可以統(tǒng)一調(diào)用通用的數(shù)據(jù)庫訪問接口，使應(yīng)用程序能夠高效、快捷和安全訪問數(shù)據(jù)庫，從而提高代碼的重用性、通用性、靈活性和擴(kuò)展性。

4結(jié)束語

目前為止，安全生產(chǎn)一直是困擾煤炭企業(yè)長期生存發(fā)展的重要問題，本文結(jié)合已有的礦壓監(jiān)測設(shè)備和礦壓理論研究成果，設(shè)計(jì)的礦壓數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析平臺，解決了礦壓規(guī)律預(yù)測與分析的問題。

本文取得的最主要成果有：

1）本文提出了把 C/S的模式應(yīng)用于煤礦壓力的監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析的信息管理中，提高了安全監(jiān)察管理的效率和數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性。

2） 礦山壓力監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)支持多種原始數(shù)據(jù)的計(jì)算，最大限度的保持?jǐn)?shù)據(jù)的有效性。

3）系統(tǒng)采用可視化的設(shè)計(jì)理念，能夠?qū)⒃嫉膲毫η€實(shí)時(shí)的顯示在界面上，用戶可以更直觀的看出礦壓壓力的變化規(guī)律。同時(shí)外放計(jì)算參數(shù)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求改變參數(shù)來改變計(jì)算結(jié)果，最大程度上提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

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