礦用全光纖數字化頂板動態在線監測系統
導語
頂板災害是煤礦五大災害之首，實現煤礦頂板的在線監測是有效預防頂板災害的必要環節。本期由能源科技成果轉化服務平臺推薦的《礦用全光纖數字化頂板動態在線監測系統》，是基于光學原理，采用無源本安設計、專門針對煤礦頂板災害研發的新一代在線監測系統。該系統對頂板離層、錨桿、錨索載荷、煤巖層應力進行多參數實時監測；系統無分站，傳感器不帶電且具有極高的抗干擾能力，可實現超長距離傳輸和多參數綜合分析，研究形成了監測與治理相結合的頂板綜合防治解決方案，最大限度的防止頂板事故發生。
一、系統概述
礦用全光纖數字化頂板動態在線監測系統是基于光學原理，采用無源本安設計專門針對煤礦頂板災害研發的新一代在線監測系統。系統采用光纖傳感技術對頂板離層、錨桿、錨索載荷、煤巖層應力進行多參數實時監測；系統主機采用多參數、大容量設計，可同時實現對頂板離層、錨桿(索)應力及鉆孔應力的實時在線監測，傳感器均為光學無源本安型設計的光纖傳感器，具有極高的抗干擾能力。系統無分站，傳感器不帶電，可實現20km長距離傳輸，多參數綜合分析，不僅及時準確掌握頂板動態變化規律，還能為合理支護參數，解決支護不足或者過度支護問題提供數據分析依據。大量程可視化離層(位移)傳感器為國內首創，技術水平達到“國際先進”水平。
系統架構拓撲圖
二、系統技術參數
1.系統主機技術指標
| 序號 | 項目 | 單位 | 參數 |
| 1 | 工作方式 | / | 連續監測 |
| 2 | 顯示方式 | / | 液晶顯示 |
| 3 | 通訊端口 | / | 網口 |
| 4 | 傳感器接口 | / | 采用標準SC/APC接口 |
| 5 | 響應時間 | s | <30 |
| 6 | 傳輸距離 | km | 20 |
| 7 | 單通道容量 | 個 | 4 |
| 8 | 支持通道數 | 個 | 8/16/32 |
| 9 | 傳感器工作環境 | ℃ | 0～40 |
| 10 | 監測儀供電 | V | 127/660/1140 |
2.光纖傳感器技術指標
| 序號 | 項目 | 單位 | 參數 |
| 1 | 工作方式 | / | 連續監測 |
| 2 | 顯示方式 | / | 液晶顯示 |
| 3 | 通訊端口 | / | 網口 |
| 4 | 傳感器接口 | / | 采用標準SC/APC接口 |
| 5 | 響應時間 | s | <30 |
| 6 | 傳輸距離 | km | 20 |
| 7 | 單通道容量 | 個 | 4 |
| 8 | 支持通道數 | 個 | 8/16/32 |
| 9 | 傳感器工作環境 | ℃ | 0～40 |
| 10 | 監測儀供電 | V | 127/660/1140 |
三、系統功能
系統顯示界面截圖
顯示功能：滿足多種類型圖表、系統圖、曲線圖、棒圖等現實要求。
分析功能：滿足歷史趨勢顯示，對未來趨勢進行評估，提供檢修參考信息；
報警功能：可根據實際情況設定不同地點的頂板參數預警值、報警級別及地理位置名稱；系統可設置聲音報警功能；
打印功能：具備各種報表的打印功能；
上傳功能：滿足實時數據網絡上傳，輕松實現無人值守。
自檢功能：系統中某一個傳感器出現故障，軟件自動甄別出故障傳感器。
表格定制：滿足用戶可定制各種表格：實時數據表、歷史數據及統計報表、報警一覽表等。
查詢功能：滿足在系統圖上直接查詢設備信息、運行歷史數據等。
四、系統解決的主要技術問題
1.針對目前通用的機械式頂板離層儀無法實現實時監測的弊端，該系統通過連續監測、數字化傳輸，實現了頂板動態的實時在線監測、數據處理及報警功能；
2.與傳統的電子式頂板監測系統相比，由于傳感器采用無源本安設計，具有較好的抗干擾能力，應用現場免受粉塵、頂板水及電磁干擾，系統架構簡單、運行穩定可靠；
3.解決了傳統礦用光纖無源傳感器本地顯示難的問題，系統傳感器實現井下就地無源實時顯示功能；
4.系統采用了全數字化光纖通訊技術，數字化架構采用了C/S與B/S架構相結合，系統主機以TCPIP通訊為主，以CAN、485總線通迅為輔助，實現準分布式多點監測，監測覆蓋面廣，極大程度的減輕了安裝及維護的工作量。
五、系統主要創新點
1.系統從“傳感單元、監測主機、服務器、云計算”整個鏈路層實現數字化，數字化的實現解決了傳感器傳輸距離短、模擬信號易干擾、數據傳輸速度慢、分辨率低等問題，系統數字化實現了無論井下集成還是地面軟件集成更簡易，系統主流通訊協議采用當今工業控制領域的標準通訊協議MODBUS/TCP協議，系統主機以TCPIP通訊為主，以CAN、485總線通訊為輔，符合智慧礦山及智能化建設需求，實現數字化傳輸，系統配備RJ45電口與光纖網口。
2.系統架構簡單，穩定性好，兼容性及帶載能力強；與傳統監測系統相比，該系統無需大量分站，僅僅依靠一臺光電解調主機通過光纜可連接160支光纖頂板離層、錨桿(索)應力、鉆孔壓力等傳感器，現場應用可覆蓋3-4個采掘工作面或者一個采區，實現準分布式區域監測。
3.系統傳感器基于光學原理，采取無源本安設計，大量程可視化離層(位移)傳感器量程達到500mm以上，是目前國內量程最大的光學傳感器，解決了目前光纖傳感器無法實現就地顯示和量程小問題，傳感器設計為國內首創，而且傳感器可重復利用。
4.系統利用光纖作為傳輸載體，通訊距離可達20km，解決傳統監測系統易受干擾、傳輸距離短、分站供電隱患及防潮防水等問題，系統可實時監測頂板的變化規律，數據實時上傳，準確預報早期隱患點的位置，對預防頂板災害和保證工作人員安全具有重要意義。
5.首次將光纖傳感監測系統與全注漿錨索工藝有機結合，針對系統報警事件，及時采取注漿錨索治理措施，有效控制頂板沉降和破碎，監測與治理相結合，形成一套完整的頂板綜合防治解決方案，最大限度的防止頂板事故發生。
六、應用案例
該系統目前已在山東、河北、黑龍江等沖擊地壓礦井及千米深井推廣應用，對于實時監測頂板動態，預防頂板事故起到了較好的監測預警效果，同時為礦井合理確定支護參數，改革支護工藝，發揮了積極作用。
山東某千米深井監測報警截圖：
2019年6月26日安裝系統，28日頂板監測系統發生二級報警，最大報警值150mm，通過局部注漿，截止7月2日，頂板狀態趨于穩定。
黑龍江某骨干礦井安裝示意圖
