綜采工作面液壓支架工作壓力地面監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)

陳永冉，牛一村

(1. 安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心有限公司， 北京 100013；2. 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京 100013；3. 煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100013)

0 引言

煤礦支護(hù)設(shè)備是煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，它擔(dān)負(fù)著控制管理頂板、維護(hù)正常工作空間、保護(hù)人員及設(shè)備安全的重要任務(wù)。采煤工作面的礦山壓力控制主要是指老頂斷裂后引起的工作面來壓控制。工作面頂板上覆巖層基本頂隨工作面推進(jìn)產(chǎn)生周期性的斷裂運(yùn)動(dòng)，即周期來壓。因此，準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)工作面周期來壓對搞好工作面安全生產(chǎn)、減少采場冒頂事故具有重要意義[1]。

1 國內(nèi)外信息概況

英國煤炭局最早在20世紀(jì)70年代開始研發(fā)液壓支架用的電液控制系統(tǒng)，但是技術(shù)尚不完善[2]。德國于80年代初開始大力發(fā)展液壓支架電液控系統(tǒng)[3]。美國的電液控制液壓支架研究起步較晚，但發(fā)展速度較快，目前已處于世界領(lǐng)先水平[4]。目前國內(nèi)有許多公司在從事該方面的研究，但是存在監(jiān)控裝置功能落后的問題[5]。亟需研制可以實(shí)時(shí)、整體監(jiān)測液壓支架壓力，并對周期來壓進(jìn)行預(yù)測的系統(tǒng)。

灰色系統(tǒng)理論經(jīng)過多年的發(fā)展和檢驗(yàn)，已被證明是一種實(shí)用、可行的預(yù)測工作面周期來壓的方法。如果可以在地面開發(fā)出對工作面液壓支架的總體受壓狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的軟件平臺(tái)，及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握工作面液壓支架頂板的壓力情況，利用灰色系統(tǒng)理論預(yù)測工作面周期來壓步距，就可以及時(shí)、有效地采取安全防范措施，保障工作面人員和設(shè)備的安全。

2 裝置總體結(jié)構(gòu)

作為一個(gè)主從式的監(jiān)測裝置，該裝置主要分為3個(gè)層次：底層為液壓支架壓力監(jiān)測分站，中間層為布置在順槽內(nèi)的順槽監(jiān)測總站，頂層為地面監(jiān)測站。其裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

地面監(jiān)測站是研究的重點(diǎn)，一般被布置在地面監(jiān)控室內(nèi)，以方便井上的工作人員實(shí)時(shí)了解井下液壓支架的壓力情況。地面監(jiān)測站主要是通過井下以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)接收來自順槽監(jiān)測總站的壓力數(shù)據(jù)，并對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、顯示和預(yù)測。

3 地面監(jiān)測站設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

地面監(jiān)測站以工業(yè)計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，工作在井上就可以實(shí)現(xiàn)對液壓支架壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測。地面監(jiān)測站通過計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)監(jiān)視、存儲(chǔ)、分析底層傳送來的液壓支架壓力數(shù)據(jù)。監(jiān)測平臺(tái)軟件采用Visual Basic開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用SQL Server開發(fā)。

地面監(jiān)測站裝置由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、綜合數(shù)據(jù)處理模塊和系統(tǒng)維護(hù)模塊等部分組成，如圖2所示。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫用于保存工作面液壓支架壓力歷史數(shù)據(jù)、工作面參數(shù)信息、工作面回采進(jìn)尺、用戶的用戶名及密碼等。綜合數(shù)據(jù)處理模塊是以曲線圖或柱狀圖等形式直觀地顯示液壓支架壓力變化情況，查看液壓支架壓力歷史數(shù)據(jù)，顯示支架壓力的歷史分布信息，生成液壓支架壓力監(jiān)測日報(bào)表，預(yù)測工作面周期來壓步距，打印歷史數(shù)據(jù)、壓力曲線、壓力分布、監(jiān)測日報(bào)表等。系統(tǒng)維護(hù)模塊用于添加或刪除工作面，修改工作面參數(shù)設(shè)置，添加或刪除用戶，修改用戶密碼，保存工作面回采進(jìn)尺值，備份、調(diào)入液壓支架壓力數(shù)據(jù)庫等。

圖2 軟件功能框圖

3.2 周期來壓步距預(yù)測方法的選擇

煤礦回采工作面頂板來壓預(yù)報(bào)對礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。但由于采場圍巖邊界條件十分復(fù)雜，影響頂板來壓的因素眾多，現(xiàn)有建立在某些假定前提下的理論推導(dǎo)成果還不能直接應(yīng)用于來壓預(yù)報(bào)。因此，現(xiàn)場觀測仍是當(dāng)前研究礦壓的主要手段[6]。

目前來壓預(yù)報(bào)工作通常都是根據(jù)實(shí)測資料，用類比的方法定性推斷頂板的未來行為。這種預(yù)測方式因受主客觀因素的影響，預(yù)測精度差，常引起錯(cuò)報(bào)、誤報(bào)。地面監(jiān)測站選用灰色系統(tǒng)理論作為周期來壓預(yù)測的方法。灰色系統(tǒng)理論是我國的鄧聚龍教授于1982年首先提出的一套實(shí)用有效的處理灰色系統(tǒng)的控制、建模及預(yù)報(bào)等問題的理論和方法[7]。在控制論中， “黑”表示信息缺失，“白”表示信息完全，“灰”表示信息不充分?；疑到y(tǒng)指的就是相對于一定的認(rèn)識(shí)層次，系統(tǒng)內(nèi)部的信息部分已知、部分未知，即信息不完全的系統(tǒng)。頂板運(yùn)動(dòng)是一個(gè)多因素、多層次、多目標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)，它具有明顯的模糊性、隨機(jī)性和信息不完全性，亦稱灰色性。頂板運(yùn)動(dòng)也是一種灰色系統(tǒng)，而周期來壓步距則是該灰色系統(tǒng)中多因素相互作用的一個(gè)綜合灰色量。因此，采用灰色預(yù)測理論來預(yù)測工作面周期來壓的來壓步距是可行的。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

系統(tǒng)建立一個(gè)名為“pressure”的數(shù)據(jù)庫，用來存儲(chǔ)地面監(jiān)測站的所有數(shù)據(jù)。SQL Server數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在其內(nèi)部的數(shù)據(jù)表中，按用途分為基本數(shù)據(jù)表和工作面數(shù)據(jù)表。基本數(shù)據(jù)表是隨數(shù)據(jù)庫的建立而建立，它主要用來存儲(chǔ)所有工作面的參數(shù)信息及軟件使用用戶信息，包括用戶表和工作面參數(shù)表。工作面數(shù)據(jù)表是隨工作面的添加而建立，并隨工作面的刪除而刪除，它是用來存儲(chǔ)工作面的壓力歷史數(shù)據(jù)和其他相關(guān)數(shù)據(jù)，包括歷史數(shù)據(jù)表、分站配置表、回采進(jìn)尺表、報(bào)表支架表和周期來壓表等。

4.2 數(shù)據(jù)庫連接

軟件使用ADO(ActiveX Data Object)控件建立與SQL Server數(shù)據(jù)庫的連接。ADO是基于OLE DB開發(fā)的一個(gè)便于使用的應(yīng)用程序?qū)咏涌?，是一種驅(qū)動(dòng)程序級別的底層數(shù)據(jù)訪問界面。OLE DB向應(yīng)用程序提供了一個(gè)統(tǒng)一且高性能的數(shù)據(jù)訪問方法，數(shù)據(jù)操作快速便捷。

ADO有兩個(gè)重要的對象，分別是Connection和Recordset。Connection屬性用于定義與數(shù)據(jù)源的連接，Recordset對象用于接收來自數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。使用ADO連接數(shù)據(jù)源的方法是先使用Connection屬性建立一個(gè)連接， 然后使用Recordset對象獲取數(shù)據(jù)[8]。

4.3 系統(tǒng)維護(hù)模塊

系統(tǒng)維護(hù)包括用戶管理、工作面管理、工作面參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)庫管理等。系統(tǒng)初次使用時(shí)，只可使用admin用戶登陸，之后用戶可以自行添加其他用戶。admin用戶為系統(tǒng)管理員用戶，具有軟件操作的最高權(quán)限。非admin用戶的權(quán)限將受到軟件的限制。

用戶使用工作面管理功能向系統(tǒng)添加需要監(jiān)測的工作面，添加后用戶即可對工作面的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。軟件為新添加的工作面提供一組初始參數(shù)，用戶根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行修改，用戶手動(dòng)輸入礦名、測區(qū)名稱、壓力上下限、分站總數(shù)、傳感器和支架總數(shù)、支架類型等信息。

數(shù)據(jù)庫管理包括備份數(shù)據(jù)庫、查看數(shù)據(jù)庫備份和恢復(fù)數(shù)據(jù)庫3部分。通過該部分設(shè)計(jì)，防止數(shù)據(jù)庫損壞導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。

4.4 綜合數(shù)據(jù)處理模塊

4.4.1 分站壓力監(jiān)測

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置完畢后，即可進(jìn)入分站實(shí)時(shí)壓力監(jiān)測界面進(jìn)行在線監(jiān)測。用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)測到井下各個(gè)監(jiān)測分站的壓力變化情況，數(shù)據(jù)以柱狀圖或曲線的形式顯示。

用戶可以通過曲線圖界面監(jiān)測各壓力分站的實(shí)時(shí)壓力平均值及不同位置的傳感器的實(shí)時(shí)值，并通過柱狀圖的顏色確定壓力是否超出壓力的上下限值；同時(shí)，用戶還可以通過曲線圖查看任何一個(gè)壓力分站的壓力變化，分析出最大工作壓力、最小工作阻力和平均工作阻力等信息。

4.4.2 歷史數(shù)據(jù)查詢

用戶通過軟件可以對計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。在歷史數(shù)據(jù)查詢界面中，用戶可以按照分站或支架、監(jiān)測位置、日期等條件對工作面壓力歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。 用戶也可以將查詢結(jié)果按Excel表格的形式輸出，根據(jù)需要進(jìn)行再編輯或打印。

4.4.3 周期來壓預(yù)測

此功能可實(shí)現(xiàn)對工作面周期來壓步距的預(yù)測，界面如圖3所示。選擇工作面并至少添加三次周期來壓步距數(shù)值后，用戶即可對工作面周期來壓步距進(jìn)行預(yù)測。此處填入的周期來壓步距是指周期來壓發(fā)生時(shí)工作面距開切眼的距離。

圖3 周期來壓預(yù)測界面

軟件提供兩種方式添加周期來壓步距:自動(dòng)添加步距和手動(dòng)添加步距。在自動(dòng)添加步距框中，用戶需設(shè)定好支架編號、災(zāi)變閥值和時(shí)間跨度，軟件自動(dòng)添加周期來壓步距。用戶選擇好支架后，軟件將自動(dòng)提供一個(gè)災(zāi)變閥值，它是根據(jù)我國礦壓壓力理論中普遍采用的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法(即總平均工作阻力加上一倍均方差)計(jì)算出來的，用戶也可根據(jù)實(shí)際情況修改災(zāi)變閥值。時(shí)間跨度有3個(gè)選擇：1.0 h、1.5 h和2.0 h。點(diǎn)擊添加按鍵后，軟件將從已存儲(chǔ)的最后一次周期來壓開始，以選定支架的壓力歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以選定的時(shí)間跨度為單位時(shí)間，比較單位時(shí)間內(nèi)的支架工作阻力平均值是否超過設(shè)定的閥值，并根據(jù)系統(tǒng)存儲(chǔ)的回采進(jìn)尺值，計(jì)算出每次周期來壓的來壓步距，添加到下方的列表框中。在手動(dòng)添加步距框中，用戶可以手動(dòng)輸入周期來壓步距，點(diǎn)擊添加后，填寫完周期來壓步距并點(diǎn)擊預(yù)測按鍵后，軟件將基于灰色系統(tǒng)理論建立工作面周期來壓步距的GM(1,1)模型計(jì)算出歷次周期來壓步距值，用戶可參考此預(yù)測值對周期來壓進(jìn)行預(yù)防。

為了驗(yàn)證上述方法的預(yù)測可靠性，以某礦某工作面的13次周期來壓步距(單位為 m)來驗(yàn)證該方法的預(yù)測準(zhǔn)確性。檢驗(yàn)方法如下：由前N個(gè)來壓步距序列建立GM(1,1)預(yù)測模型預(yù)測第N+1次來壓步距，對N=3～15逐次計(jì)算，預(yù)測結(jié)果如表1所示。13次預(yù)測結(jié)果的平均誤差為1.623 m，平均誤差百分比為2.096 9%。經(jīng)分析，其誤差在可接受的范圍內(nèi)，可以用預(yù)測值來代替實(shí)測值。可見，灰色預(yù)測方法具有較好的效果。

表1 周期來壓步距實(shí)際值和預(yù)測結(jié)果

5 結(jié)論

結(jié)合灰色系統(tǒng)理論開發(fā)了綜采工作面液壓支架壓力地面監(jiān)測站，其主要效果為：

1) 可以及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握工作面礦壓顯現(xiàn)程度和壓力分布范圍，為合理選用支架型號提供依據(jù)。

2) 可以對回采工作面周期來壓步距進(jìn)行預(yù)測，對于預(yù)防工作面冒頂事故的發(fā)生、保障井下工作面設(shè)備和人員的安全具有重要的意義。

3) 通過實(shí)際應(yīng)用后獲得了良好的效果，完善了綜采工作面液壓支架監(jiān)測的功能。