煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)測裝置及方法
【專利摘要】一種煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)測裝置及方法，由設(shè)在工作面中的多組信號發(fā)射器和信號收發(fā)中心構(gòu)成，每組信號發(fā)射器包括多種傳感器，部分傳感器經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器連接單片機(jī)Ⅰ，其他傳感器直接連接單片機(jī)Ⅰ，單片機(jī)Ⅰ上連接有無線收發(fā)模塊；信號收發(fā)中心包括無線收發(fā)模塊，控制無線收發(fā)模塊的單片機(jī)Ⅱ，單片機(jī)Ⅱ接有顯示模塊、485通訊口、功能按鈕及報警器。能夠?qū)崟r監(jiān)測頂板壓力、端面冒高、頂?shù)装逡平?，還可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的各指標(biāo)值形成報警回路實現(xiàn)預(yù)警功能和數(shù)據(jù)存儲傳輸功能，從多方面預(yù)警預(yù)測綜采工作面頂板安全。無線監(jiān)測裝置操作簡便，功耗低、測量精度高，預(yù)測和預(yù)警方法優(yōu)越。
【專利說明】煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)測裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)測裝置及方法，普遍適用于 各煤礦綜采工作面頂板安全的實時動態(tài)監(jiān)測。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國是世界煤炭生產(chǎn)大國，近幾年煤炭的產(chǎn)量不斷增加，但我國煤炭生產(chǎn)每年平 均死亡人數(shù)是全球其他產(chǎn)煤國家死亡人數(shù)總和的3倍，給國家人民的生命、財產(chǎn)帶來了巨 大的損失。而在煤礦的五大自然災(zāi)害中，頂板事故占極大的比例。頂板災(zāi)害事故是指在煤 礦井下生產(chǎn)過程中，頂板意外冒落造成的人員傷亡、設(shè)備損毀、生產(chǎn)終止等事故。頂板事故 相對于煤礦瓦斯爆炸、透水等事故而言，雖然每次死亡人數(shù)比較少，但其事故發(fā)生頻率高， 事故總量大，也是控制煤礦事故總量的重點。多年來，我國煤礦的頂板事故及頂板災(zāi)害以 其點多面廣、控制難度大等特點，在各類煤礦事故中一直居于前列。據(jù)國家煤礦安全監(jiān)察 局統(tǒng)計，在"十一五"期間，頂板事故發(fā)生起數(shù)和死亡人數(shù)分別占總事故起數(shù)和死亡人數(shù)的 52. 9%和38. 1%，均居各類災(zāi)害之首。2012年全國煤礦共發(fā)生頂板事故366起，死亡459 人，分別占全國煤礦事故總起數(shù)和死亡人數(shù)的47%和33. 2%，繼續(xù)居各類事故之首。因此 煤礦安全狀況的根本好轉(zhuǎn)，關(guān)鍵還在于如何大幅減少頂板災(zāi)害。由于頂板災(zāi)害受煤層賦存 條件、地質(zhì)構(gòu)造、采掘活動及開采技術(shù)等多種因素影響，目前還沒有措施能完全預(yù)防頂板事 故的發(fā)生，所以在煤礦開采過程中對工作面頂板安全實時動態(tài)監(jiān)測就顯得尤為重要，這能 夠極大地保證煤礦人員及財產(chǎn)的安全。
[0003] 目前，能有效反映工作面頂板安全的指標(biāo)有頂板壓力、端面冒高、頂?shù)装逡平?等。礦井在開采之前，煤巖體普遍受到重力的作用，各個方面的受力是平衡的，表現(xiàn)不出壓 力現(xiàn)象，礦井在生產(chǎn)期間，隨著采掘工作的進(jìn)行，形成一定的空間，使頂板巖石懸露，從而破 壞了地層原有的平衡穩(wěn)定狀態(tài)，巖石開始移動，發(fā)生變形，這種巖石活動所產(chǎn)生的力，叫礦 山壓力。在礦山壓力的作用下，造成頂板下沉、破碎、支架壓壞、片幫、煤體變形等現(xiàn)象，稱為 礦山的壓力顯現(xiàn)，礦山壓力顯現(xiàn)是礦山壓力作用的結(jié)果。礦山壓力的存在是絕對的，所以如 果能有效的監(jiān)測礦壓的大小，保證礦壓在一定范圍內(nèi)，就能很大程度保證頂板的安全。頂?shù)?板移近量是在液壓支架支撐作用下，回采空間受采動影響，圍巖變形移動的反映，所以用它 可以評價綜采工作面頂板穩(wěn)定程度、支架支護(hù)效果及適應(yīng)性，為支架選型、設(shè)計（支架的結(jié) 構(gòu)、高度等）提供數(shù)據(jù)，為改進(jìn)頂板管理提出建議。另外用它可以判定老頂初次來壓、周期 來壓的步距和強(qiáng)度，從而掌握綜采工作面圍巖運動規(guī)律，為保證工作面安全，國家規(guī)定每米 采高的頂?shù)装逡平坎淮笥?〇〇_。當(dāng)前在我國還沒有找到比頂?shù)装逡平亢饬烤C采工作 面支護(hù)效果更好的指標(biāo)，因此頂?shù)装逡平康挠^測是不容忽視的觀測項目。端面距是指液 壓支架前探梁到煤壁之前的距離，規(guī)定不能超過340mm，端面冒高指這段距離的冒落高度， 規(guī)定距離不能超過300_。當(dāng)直接頂端面冒高小于臨界冒高時，可以形成穩(wěn)定的冒落拱，冒 落高度大于臨界高度時，直接頂巖體難以形成穩(wěn)定的冒落拱，導(dǎo)致綜采面出現(xiàn)嚴(yán)重的冒頂 事故。有效控制碎裂結(jié)構(gòu)直接頂?shù)穆┟?，必須將端面頂板冒高控制在臨界高以內(nèi)。但目前， 這3個有效指標(biāo)都是靠人工通過相互獨立的儀器測得，一方面不能保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，另 一方面也不能實時動態(tài)地監(jiān)測各指標(biāo)，再加上煤礦頂板事故的不確定性、偶然性，這就為工 作面頂板事故埋下了隱患，嚴(yán)重威脅煤礦的財產(chǎn)和工人的生命安全。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中的不足之處，提供一種結(jié)構(gòu)簡單，方法 簡便，測量精度高，靈敏度高，使用效果好的煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)測裝置及 方法。
[0005] 技術(shù)方案：本發(fā)明的煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)裝置，包括間隔設(shè)在綜 采工作面的多臺液壓支架上的多組信號發(fā)射器，還包括設(shè)在綜采工作面的上端口或下端口 處的接收多組信號發(fā)射器無線傳輸信號的信號收發(fā)中心，所述的每組信號發(fā)射器包括并聯(lián) 在一起的多個傳感器、與多個傳感器順序連接的16位A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)I及無線收發(fā)模 塊一；所述的多個傳感器包括主動式紅外線傳感器A、壓力傳感器B、紅外線距離傳感器C和 傾角傳感器D;所述的信號收發(fā)中心包括無線收發(fā)模塊二、與無線收發(fā)模塊相連的單片機(jī) II，信號收發(fā)中心上還分別設(shè)有485通訊口、顯示模塊、功能按鈕及報警器。
[0006] 所述多組信號發(fā)射器為10-20組，由工作面液壓支架總數(shù)確定，間隔10架設(shè)置一 組。
[0007] 所述的16位A/D轉(zhuǎn)換器的型號為MAX1166。
[0008] 所述的單片機(jī)I的型號為MSP430F149。
[0009] 所述的無線收發(fā)模塊一、二為半雙工模式的UTC-1212SE。
[0010] 所述的單片機(jī)II的型號為STM32F103。
[0011] 使用上述裝置的煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)測方法，包括如下步驟：
[0012] a、在綜采工作面的多臺液壓支架上間隔設(shè)置信號發(fā)射器，每組信號發(fā)射器中：主 動式紅外線傳感器A設(shè)在液壓支架頂梁靠近掩護(hù)梁位置，通過主動式紅外線傳感器A測量 前控梁與工作面之間的頂板冒落高度；壓力傳感器B設(shè)在液壓支架的液壓閥中，通過壓力 傳感器B測量支柱壓力；紅外線距離傳感器C安設(shè)在液壓支架立柱的上半部分，在傳感器 C上方20cm處距離安設(shè)傳感器D，通過紅外線距離傳感器C和傾角傳感器D測量液壓支架 立柱上下段的相對位移量，之后通過計算得到頂?shù)装逡平浚?br> [0013] b、在綜采工作面的上端口或下端口處安裝接收無線傳輸信號的信號收發(fā)中心，隨 工作面回采移動；
[0014] c、工作時，啟動信號收發(fā)中心，通過信號收發(fā)中心喚醒信號發(fā)射器，信號發(fā)射器中 的壓力傳感器B、紅外線距離傳感器C和傾角傳感器D將采集到的信息通過16位A/D轉(zhuǎn)換 器傳遞給單片機(jī)I，由單片機(jī)I實時觸發(fā)無線收發(fā)模塊發(fā)射信號，將無線信號發(fā)送給信號 收發(fā)中心；分項設(shè)置各傳感器的報警閾值，一旦出現(xiàn)超過報警閾值的現(xiàn)象，由單片機(jī)I觸發(fā) 無線收發(fā)模塊一發(fā)射報警信號，將無線信號發(fā)送給信號收發(fā)中心；
[0015] 主動式紅外線傳感器A實時監(jiān)測前控梁與工作面之間的頂板冒落高度，當(dāng)頂板冒 落高度達(dá)到預(yù)警值時，主動式紅外線傳感器A將信息傳遞給單片機(jī)I，由單片機(jī)I觸發(fā)無 線收發(fā)模塊一發(fā)射報警信號，將無線信號發(fā)送給信號收發(fā)中心；
[0016] 設(shè)在綜采工作面端口的信號收發(fā)中心觸發(fā)無線收發(fā)模塊二接收無線收發(fā)模塊一 的無線信號，信號收發(fā)中心接收的信號通過單片機(jī)II進(jìn)行地址判斷、數(shù)據(jù)處理，實時顯示各 地址的數(shù)據(jù)結(jié)果并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)判斷是否觸發(fā)報警器，同時通過485通訊口將信號傳 給井下分站，通過井下監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳至地面上位機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。
[0017] 有益效果：通過設(shè)在工作面液壓支架上的信號發(fā)射器和設(shè)在上端口或下端口的信 號收發(fā)中心，信號發(fā)射器在信號收發(fā)中心的喚醒條件下，可對關(guān)于工作面頂板的多種信號 進(jìn)行采樣，并控制無線收發(fā)模塊對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，信號收發(fā)中心接收到信號后對其進(jìn) 行地址判斷、數(shù)據(jù)處理，實時顯示各地址的數(shù)據(jù)結(jié)果并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)判斷是否觸發(fā)報 警器，反映頂板安全情況的數(shù)據(jù)結(jié)果，同時可通過485接口連接到井下分站，通過井下監(jiān)控 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對工作面頂板安全參數(shù)的地面實時監(jiān)測，能夠?qū)崟r動態(tài)地監(jiān)測工作面的端面 冒高、頂板壓力和頂?shù)装逡平浚沟霉ぷ髅骓敯宓陌踩O(jiān)測工作更加實時、準(zhǔn)確、可靠，使 得礦井內(nèi)和地面上的人能夠提前預(yù)知工作面頂板危險、有效避免頂板事故的發(fā)生。其結(jié)構(gòu) 簡單，方法簡便，測量精度高，靈敏度高，傳感器分辨率高，測量數(shù)據(jù)精確，通信方式簡單，可 靠性高，工作效率高，造價低，測試方便，具有廣泛的適用性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的液壓支架中位置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2是本發(fā)明的工作面俯視位置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖3是本發(fā)明的信號發(fā)射器構(gòu)成框圖；
[0021] 圖4是本發(fā)明的信號收發(fā)中心構(gòu)成框圖；
[0022] 圖5是本發(fā)明中頂?shù)装逡平坑嬎阏f明圖。

【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖中的實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：
[0024] 本發(fā)明的煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)裝置，包括間隔設(shè)在綜采工作面的 多臺液壓支架上的多組信號發(fā)射器1、設(shè)在綜采工作面的上端口或下端口處的接收多組信 號發(fā)射器1無線傳輸信號的信號收發(fā)中心2,所述多組信號發(fā)射器1為10-20組，具體設(shè)置 組數(shù)由工作面液壓支架總數(shù)確定，間隔10架設(shè)置一組。所述的每組信號發(fā)射器（1)包括并 聯(lián)在一起的多個傳感器11、與多個傳感器1)順序連接的16位A/D轉(zhuǎn)換器3、單片機(jī)I 4及 無線收發(fā)模塊一 5 ;所述的16位A/D轉(zhuǎn)換器3的型號為MAX1166 ;所述的單片機(jī)14的型號 為MSP430F149。所述的多個傳感器11包括主動式紅外線傳感器A、壓力傳感器B、紅外線 距離傳感器C和傾角傳感器D ;所述的信號收發(fā)中心2包括無線收發(fā)模塊二6、與無線收發(fā) 模塊二6相連的單片機(jī)II 7,單片機(jī)II 7上分別設(shè)有485通訊口 8、顯示模塊9、功能按鈕10 及報警器12。所述的無線收發(fā)模塊為半雙工模式的UTC-1212SE ;所述的單片機(jī)117的型號 為 STM32F103。
[0025] 如圖1所示，信號發(fā)射器1安設(shè)在液壓支架的頂梁中部；在液壓支架頂梁靠近掩護(hù) 梁的地方安設(shè)自制可伸縮支架Z，伸縮范圍是100?300mm，在該支架的末端安設(shè)主動式紅 外線傳感器A ;壓力傳感器B安設(shè)在液壓支架的液壓閥中；紅外線距離傳感器C安設(shè)在液壓 支架立柱的上端；在傳感器C上方20cm處距離安設(shè)傳感器D ;每個液壓支架上的四種傳感 器都通過礦用傳感器連接線與同一液壓支架上的信號發(fā)射器相連接。
[0026] 如圖2所示，自工作面上口往下第三支架開始，自上而下每7架安設(shè)一個信號發(fā)射 器，每個信號發(fā)射器包括分別安設(shè)在液壓支架特定位置的主動式紅外線傳感器A(監(jiān)測端 面冒高）、壓力傳感器B(監(jiān)測頂板壓力）、紅外線距離傳感器C(間接監(jiān)測頂?shù)装逡平浚?和傾角傳感器D (測量立柱和垂直方向的夾角），傳感器B、傳感器C和傳感器D經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換 器3連接單片機(jī)I 4,傳感器A直接與單片機(jī)I 4連接，單片機(jī)I 4上連接有無線收發(fā)模塊 5〇
[0027] 如圖3所示，傳感器B、C、D通過精度為16位A/D轉(zhuǎn)換器MAX1166,將采樣區(qū)間的 模擬量信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳遞給單片機(jī)I 4,傳感器A直接與單片機(jī)I 4相連接，單片 機(jī)I 4處理數(shù)據(jù)后通過無線收發(fā)模塊一 5將信號調(diào)制成電波發(fā)出，單片機(jī)I 4的型號為 MSP430F149。
[0028] 如圖4所示，信號收發(fā)中心2由單片機(jī)II 7、分別與單片機(jī)II 7相連接的無線收發(fā) 模塊二6、485通訊口 8、顯示模塊9及功能按鈕10構(gòu)成，單片機(jī)II 7的型號為STM32F103。
[0029] 信號收發(fā)中心2的無線收發(fā)模塊二6收到數(shù)據(jù)信號后，對數(shù)據(jù)信號解調(diào)并將數(shù)據(jù) 通過讀寫操作傳遞給單片機(jī)II 7,信號收發(fā)中心2上設(shè)置的功能按鈕有：復(fù)位按鈕、喚醒發(fā) 射器按鈕、使能外部通信按鈕、歷史查詢按鈕、開關(guān)按鈕。
[0030] 使用上述裝置的煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)測方法，具體步驟如下：
[0031] a、在綜采工作面的多臺液壓支架上間隔設(shè)置信號發(fā)射器1，每組信號發(fā)射器）中： 主動式紅外線傳感器A設(shè)在前探梁上，通過主動式紅外線傳感器A測量前控梁的冒高量；壓 力傳感器B設(shè)在液壓支架的液壓閥中，通過壓力傳感器B測量支柱壓力；紅外線距離傳感器 C安設(shè)在液壓支架立柱的上端，在傳感器C上方20cm處距離安設(shè)傳感器D，通過紅外線距離 傳感器C和傾角傳感器D測量的液壓支架立柱上下段的相對位移量；
[0032] b、在綜采工作面的上端口或下端口處安裝接收無線傳輸信號的信號收發(fā)中心2 ;
[0033] c、工作時，啟動信號收發(fā)中心，通過信號收發(fā)中心喚醒信號發(fā)射器，信號發(fā)射器中 的壓力傳感器B、紅外線距離傳感器C和傾角傳感器D將采集到的信息通過16位A/D轉(zhuǎn)換 器傳遞給單片機(jī)I，由單片機(jī)I實時觸發(fā)無線收發(fā)模塊發(fā)射信號，將無線信號發(fā)送給信號 收發(fā)中心；分項設(shè)置各傳感器的報警閾值，一旦出現(xiàn)超過報警閾值的現(xiàn)象，由單片機(jī)I觸發(fā) 無線收發(fā)模塊一發(fā)射報警信號，將無線信號發(fā)送給信號收發(fā)中心；
[0034] 主動式紅外線傳感器A實時監(jiān)測前控梁與工作面之間的頂板冒落高度，當(dāng)頂板冒 落高度達(dá)到預(yù)警值時，主動式紅外線傳感器A將信息傳遞給單片機(jī)I，由單片機(jī)I觸發(fā)無 線收發(fā)模塊一發(fā)射報警信號，將無線信號發(fā)送給信號收發(fā)中心；
[0035] 設(shè)在綜采工作面端口的信號收發(fā)中心觸發(fā)無線收發(fā)模塊二接收無線收發(fā)模塊一 的無線信號，信號收發(fā)中心接收的信號通過單片機(jī)II進(jìn)行地址判斷、數(shù)據(jù)處理，實時顯示各 地址的數(shù)據(jù)結(jié)果，并通過485通訊口將信號傳給井下分站，通過井下監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳至地 面上位機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。
[0036] d、根據(jù)《規(guī)程》要求，綜采工作面端面冒高不得大于300_，因此，首先調(diào)節(jié)自制可 伸縮支架Z的長度為250mm，之后將主動式紅外線傳感器A在該支架的末端。當(dāng)端面距范圍 內(nèi)的頂板發(fā)生冒落，并且冒落高度達(dá)到250mm時，主動式紅外線傳感器將會探測到紅外線 不是靜止不動的，也就是說發(fā)出的紅外線不是不斷反彈的，主動式紅外線傳感器A被觸發(fā)， 同時傳送信息給相應(yīng)的單片機(jī)I，之后經(jīng)過無線信號傳輸?shù)轿挥诠ぷ髅嫔隙丝诨蛳露丝诘?信號收發(fā)中心，從而實現(xiàn)預(yù)警；另外，在此報警程序中需設(shè)置只有當(dāng)紅外線接收器在Is中 之內(nèi)都不能監(jiān)測到紅外線是動態(tài)時才報警，即設(shè)置濾波程序，從而實現(xiàn)當(dāng)頂板偶然有石塊 或煤塊掉落時傳感器A并不發(fā)出報警信息，自動過濾掉該信號，避免誤警。
[0037] e、將壓力傳感器B安裝在液壓支架液壓閥中，通過測量液壓支架立柱活塞腔中高 壓液體的壓力間接獲得頂板礦壓的大小，并將壓力數(shù)值傳送給單片機(jī)。
[0038] f、將接收多組信號發(fā)射器1的信號收發(fā)中心2安設(shè)在工作面上端口或下端口處， 打開信號收發(fā)中心2的功能按鈕10發(fā)出啟動信號，多組信號發(fā)射器1的無線收發(fā)模塊5接 收到啟動信號后，使多組信號發(fā)射器11進(jìn)入工作狀態(tài)；當(dāng)多組信號發(fā)射器1的壓力傳感器 B、紅外線距離傳感器C或傾角傳感器D采樣信號超過閾值或主動式紅外線傳感器A傳出報 警信息時，單片機(jī)I 4觸發(fā)無線收發(fā)模塊5發(fā)射信號；信號收發(fā)中心2接收信號，單片機(jī)II 7 對接收到的信號進(jìn)行地址判斷、數(shù)據(jù)處理，實時顯示各地址的數(shù)據(jù)結(jié)果，并通過485通訊口 8將信號傳給井下分站，通過井下監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳至地面上位機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。
[0039] g、信號收發(fā)中心2的單片機(jī)II 7收到的數(shù)據(jù)如果是主動式紅外線傳感器A發(fā)送 過來的數(shù)據(jù)，則使用端面冒高數(shù)據(jù)處理子程序，同時將處理好的數(shù)據(jù)以十進(jìn)制含單位的數(shù) 據(jù)在顯示模塊上顯示，顯示內(nèi)容為端面冒高位置，并觸發(fā)信號收發(fā)中心處的報警器12 ;如 果是壓力傳感器B發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，則使用壓力數(shù)據(jù)處理子程序，同時將處理好的數(shù)據(jù)以 十進(jìn)制含單位的數(shù)據(jù)在顯示模塊上顯示，顯示內(nèi)容為支架編號及相應(yīng)的頂板壓力；如果是 紅外線距離傳感器C發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，則使用距離數(shù)據(jù)處理子程序，同時將處理好的數(shù)據(jù) 以十進(jìn)制含單位的數(shù)據(jù)在顯示模塊上顯示，顯示內(nèi)容為支架編號及相應(yīng)的傳感器監(jiān)測的距 離數(shù)值；如果是傾角傳感器C發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，則使用傾角數(shù)據(jù)處理子程序，同時將處理好 的數(shù)據(jù)以十進(jìn)制含單位的數(shù)據(jù)在顯示模塊上顯示，顯示內(nèi)容為支架編號及相應(yīng)立柱與鉛垂 方向的夾角。信號收發(fā)中心2的單片機(jī)II 7定時利用傳感器C和傳感器D傳輸?shù)臄?shù)據(jù)計 算得到綜采工作面頂?shù)装逡平浚陲@示模塊上顯示，顯示內(nèi)容為支架編號及相應(yīng)的頂?shù)?板移近量，并且根據(jù)最終數(shù)值大小決定是否觸發(fā)報警器12 (每米采高的頂?shù)装逡平看笥?100mm)。
[0040] h、利用回采工作面附近的井下監(jiān)測監(jiān)控分站，通過485通信線將信號收發(fā)中心2 與監(jiān)測監(jiān)控分站連接，最終將數(shù)據(jù)融入監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，在井上服務(wù)器將數(shù)據(jù)處理好，一方面 根據(jù)井下傳來的壓力數(shù)據(jù)，實時繪制出壓力的變化曲線及壓力數(shù)值大小，以便預(yù)測頂板來 壓，做好預(yù)警；其次根據(jù)井下傳來的頂?shù)装逡平繑?shù)據(jù)，實時繪制頂?shù)装逑鄬σ平壳€， 監(jiān)測其變化趨勢，以便表征老頂初次來壓、周期來壓的步距和強(qiáng)度，為綜合評定工作面頂板 安全提供依據(jù)，并且當(dāng)每米采高的頂?shù)装逡平看笥?00mm時，發(fā)出報警，顯示報警地點； 另外當(dāng)井下端面冒高達(dá)到報警預(yù)設(shè)值時，井上服務(wù)器發(fā)出報警并顯示出報警地點。然后通 過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布就可以在井上辦公室Web瀏覽器上查看井下綜采工作面頂板各參數(shù)變化趨勢 及是否超標(biāo)。
[0041] 本發(fā)明的煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)測裝置及方法，頂?shù)装逡平坑梢?下方法測得：將紅外線距離傳感器C通過自制鐵環(huán)安設(shè)在液壓支架立柱的上部分，紅外線 距離傳感器C向下發(fā)射紅外線，當(dāng)紅外線遇到立柱上下兩部分的結(jié)合處的平面時將發(fā)生反 射，反射的部分紅外線被傳感器C的紅外線接收器接收，隨即得到傳感器C所在位置到結(jié)合 處平面的距離X，兩次采樣得到的差值X2-X1即為這段采樣時間內(nèi)液壓支架立柱上下兩部 的移近量。
[0042] 如圖5所示，假設(shè)由位于液壓支架立柱上的傾角傳感器D測得的立柱與垂直方向 的夾角為a ;由位于液壓支架立柱上部的測得的當(dāng)時數(shù)據(jù)為X2,上一數(shù)據(jù)為XI，則液壓支 架立柱上下段的相對移近量X = X1-X2 ;頂?shù)装逡平縃 = cos a *X。
[0043] 本發(fā)明的工作面中無線傳輸方式可以有以下三種。
[0044] 方式一：自工作面下口往上，信號發(fā)射器（1)以無線傳遞接力的方式傳輸，直到傳 到第一信號發(fā)射器中，最后第一信號發(fā)射器匯總傳給位于上端口處的信號收發(fā)中心2,完成 工作面中信號發(fā)射器1到信號收發(fā)中心2的信號傳輸；反之亦然；該傳輸方式簡單易操作， 適用于長距離工作面，但可靠性較差，其中一個信號發(fā)射器出錯，將導(dǎo)致其下的其他信號發(fā) 射器所采集的數(shù)據(jù)無法傳輸?shù)叫盘柺瞻l(fā)中心2 ;
[0045] 方式二：自工作面下口往上，每三個信號發(fā)射器組成一信號發(fā)射小組，之后一小組 為單位從下往上依次接力傳輸，直到傳到第一小組信號發(fā)射器，最后第一小組信號發(fā)射器 匯總傳給位于上端口處的信號收發(fā)中心，完成工作面中信號發(fā)射器1到信號收發(fā)中心2的 信號傳輸；反之亦然；例如，從下往上編號依次為9、8、7的信號發(fā)射器為一小組，其中9、8 編號的發(fā)射器都直接將信號傳輸給7編號信號發(fā)射器；編號為6、5、4的信號發(fā)射器同樣如 此，依次類推；之后7編號信號發(fā)射器將信號傳給4編號信號發(fā)射器，依次類推直到將所有 信號都傳到1編號信號發(fā)射器，最后由1編號信號發(fā)射器匯總傳給位于上端口處的信號收 發(fā)中心，完成信號傳輸。方式二同樣適用于長距離工作面，比方式一傳輸更為可靠，但操作 較為復(fù)雜。
[0046] 方式三：自工作面下口往上，每三個信號發(fā)射器組成一信號發(fā)射小組，之后以一小 組為單位直接將信號傳給位于上端口處的信號收發(fā)中心，完成工作面中信號發(fā)射器（1)到 信號收發(fā)中心2的信號傳輸；反之亦然；該方法操作簡單，比方式一、方式二更為可靠，但只 適用于短距離工作面。
[0047] 當(dāng)信號收發(fā)中心2位于下端口時，上述三種通訊方式同樣成立，具體通信方式根 據(jù)綜采工作面的實際情況確定。
【權(quán)利要求】
1. 一種煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)裝置，其特征在于：它包括間隔設(shè)在綜采 工作面的多臺液壓支架上的多組信號發(fā)射器（1)，還包括設(shè)在綜采工作面的上端口或下端 口處的接收多組信號發(fā)射器（1)無線傳輸信號的信號收發(fā)中心（2)，所述的每組信號發(fā)射 器（1)包括并聯(lián)在一起的多個傳感器（11 )、與多個傳感器（11)順序連接的16位A/D轉(zhuǎn)換 器（3)、單片機(jī)I(4)及無線收發(fā)模塊一（5);所述的多個傳感器（11)包括主動式紅外線傳 感器A、壓力傳感器B、紅外線距離傳感器C和傾角傳感器D;所述的信號收發(fā)中心（2)包括 無線收發(fā)模塊二（6)、與無線收發(fā)模塊（6)相連的單片機(jī)II(7)，信號收發(fā)中心（2)還設(shè)有 RS485通訊口（ 8 )、顯示模塊（9 )、功能按鈕（10 )及報警器（12 )。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)裝置，其特征在 于：所述多組信號發(fā)射器（1)為10-20組。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)測裝置，其特征在于： 所述的16位A/D轉(zhuǎn)換器（3)的型號為MAX1166。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)測裝置，其特征在于： 所述的單片機(jī)I(4)的型號為MSP430F149。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)測裝置，其特征在于： 所述的無線收發(fā)模塊為半雙工模式的UTC-1212SE。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)測裝置，其特征在于： 所述的單片機(jī)II(7)的型號為STM32F103。
7. -種使用權(quán)利要求1所述裝置的煤礦工作面頂板安全實時動態(tài)無線監(jiān)測方法，其特 征在于包括如下步驟： a、 在綜采工作面的多臺液壓支架上間隔設(shè)置信號發(fā)射器（1)，每組信號發(fā)射器（1)中： 主動式紅外線傳感器A設(shè)在液壓支架頂梁靠近掩護(hù)梁處，通過主動式紅外線傳感器A監(jiān)測 前控梁與工作面之間的頂板冒落高度；壓力傳感器B設(shè)在液壓支架的液壓閥中，通過壓力 傳感器B測量支柱壓力，即得到頂板壓力；紅外線距離傳感器C設(shè)在液壓支架立柱上半段， 在傳感器C上方20cm處距離安設(shè)傳感器D，通過紅外線距離傳感器C和傾角傳感器D測量 液壓支架立柱上下段的相對位移量，通過計算獲得頂?shù)装逡平浚? b、 在綜采工作面的上端口 或下端口處安裝接收無線傳輸信號的信號收發(fā)中心（2)， 回采過程中隨工作面移動； c、 工作時，啟動信號收發(fā)中心（2)，通過信號收發(fā)中心（2)喚醒信號發(fā)射器（1)，信號發(fā) 射器（1)中的壓力傳感器B、紅外線距離傳感器C和傾角傳感器D定時將采集到的信息通 過16位A/D轉(zhuǎn)換器（3)傳遞給單片機(jī)I(4)，由單片機(jī)I(4)觸發(fā)無線收發(fā)模塊（5)發(fā)射信 號，分項設(shè)置各傳感器的報警閾值，一旦出現(xiàn)超過報警閾值的現(xiàn)象，由單片機(jī)I觸發(fā)無線收 發(fā)模塊一發(fā)射報警信號，將無線信號發(fā)送給信號收發(fā)中心； 主動式紅外線傳感器A實時監(jiān)測前控梁與工作面之間的頂板冒落高度，當(dāng)頂板冒落高 度達(dá)到預(yù)警值時，主動式紅外線傳感器A將信息傳遞給單片機(jī)I(4)，由單片機(jī)I觸發(fā)無線 收發(fā)模塊一發(fā)射報警信號，將無線信號發(fā)送給信號收發(fā)中心； 設(shè)在綜采工作面端口的信號收發(fā)中心觸發(fā)無線收發(fā)模塊二接收無線收發(fā)模塊一的無 線信號，信號收發(fā)中心接收的信號通過單片機(jī)II進(jìn)行地址判斷、數(shù)據(jù)處理，實時顯示各地址 的數(shù)據(jù)結(jié)果并根據(jù)接收的數(shù)據(jù)判斷是否觸發(fā)報警器，同時通過485通訊口將信號傳給井下 分站，通過井下監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳至地面上位機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。
【文檔編號】G08C17/02GK104484987SQ201410650741
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】王凱, 蔣曙光, 周松, 吳征艷, 邵昊, 張衛(wèi)清 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)