煤礦工作面頂板安全實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置及方法
【專利摘要】一種煤礦工作面頂板安全實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置及方法，由設(shè)在工作面中的多組信號(hào)發(fā)射器和信號(hào)收發(fā)中心構(gòu)成，每組信號(hào)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(wú)線收發(fā)模塊；信號(hào)收發(fā)中心包括無(wú)線收發(fā)模塊，控制無(wú)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(bào)警器。能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)頂板壓力、端面冒高、頂?shù)装逡平浚€可根據(jù)預(yù)先設(shè)定的各指標(biāo)值形成報(bào)警回路實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸功能，從多方面預(yù)警預(yù)測(cè)綜采工作面頂板安全。無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置操作簡(jiǎn)便，功耗低、測(cè)量精度高，預(yù)測(cè)和預(yù)警方法優(yōu)越。
【專利說(shuō)明】煤礦工作面頂板安全實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置及方法，普遍適用于 各煤礦綜采工作面頂板安全的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

【背景技術(shù)】
[0002] 我國(guó)是世界煤炭生產(chǎn)大國(guó)，近幾年煤炭的產(chǎn)量不斷增加，但我國(guó)煤炭生產(chǎn)每年平 均死亡人數(shù)是全球其他產(chǎn)煤國(guó)家死亡人數(shù)總和的3倍，給國(guó)家人民的生命、財(cái)產(chǎn)帶來(lái)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(guò)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(duì)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(diǎn)。多年來(lái)，我國(guó)煤礦的頂板事故及頂板災(zāi)害以 其點(diǎn)多面廣、控制難度大等特點(diǎn)，在各類煤礦事故中一直居于前列。據(jù)國(guó)家煤礦安全監(jiān)察 局統(tǒng)計(jì)，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(guó)煤礦共發(fā)生頂板事故366起，死亡459 人，分別占全國(guó)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(dòng)及開采技術(shù)等多種因素影響，目前還沒(méi)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(guò)程中對(duì)工作面頂板安全實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要，這能 夠極大地保證煤礦人員及財(cái)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(gè)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(dòng)，發(fā)生變形，這種巖石活動(dòng)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(duì)的，所以如 果能有效的監(jiān)測(cè)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(dòng)影響，圍巖變形移動(dòng)的反映，所以用它 可以評(píng)價(jià)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(jì)（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(lái)壓、周期 來(lái)壓的步距和強(qiáng)度，從而掌握綜采工作面圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為保證工作面安全，國(guó)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(guó)還沒(méi)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(cè)是不容忽視的觀測(cè)項(xiàng)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(guò)340mm，端面冒高指這段距離的冒落高度， 規(guī)定距離不能超過(guò)300_。當(dāng)直接頂端面冒高小于臨界冒高時(shí)，可以形成穩(wěn)定的冒落拱，冒 落高度大于臨界高度時(shí)，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(gè)有效指標(biāo)都是靠人工通過(guò)相互獨(dú)立的儀器測(cè)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)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(cái)產(chǎn)和工人的生命安全。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 技術(shù)問(wèn)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(jiǎn)單，方法 簡(jiǎn)便，測(cè)量精度高，靈敏度高，使用效果好的煤礦工作面頂板安全實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)裝置，包括間隔設(shè)在綜 采工作面的多臺(tái)液壓支架上的多組信號(hào)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(hào)發(fā)射器無(wú)線傳輸信號(hào)的信號(hào)收發(fā)中心，所述的每組信號(hào)發(fā)射器包括并聯(lián) 在一起的多個(gè)傳感器、與多個(gè)傳感器順序連接的16位A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)I及無(wú)線收發(fā)模 塊一；所述的多個(gè)傳感器包括主動(dòng)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(hào)收發(fā)中心包括無(wú)線收發(fā)模塊二、與無(wú)線收發(fā)模塊相連的單片機(jī) II，信號(hào)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(bào)警器。
[0006] 所述多組信號(hào)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(hào)為MAX1166。
[0008] 所述的單片機(jī)I的型號(hào)為MSP430F149。
[0009] 所述的無(wú)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(hào)為STM32F103。
[0011] 使用上述裝置的煤礦工作面頂板安全實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)方法，包括如下步驟：
[0012] a、在綜采工作面的多臺(tái)液壓支架上間隔設(shè)置信號(hào)發(fā)射器，每組信號(hào)發(fā)射器中：主 動(dòng)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(guò)主動(dòng)式紅外線傳感器A測(cè)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(guò)壓力 傳感器B測(cè)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(guò)紅外線距離傳感器C和傾角傳感器D測(cè)量液壓支架 立柱上下段的相對(duì)位移量，之后通過(guò)計(jì)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(wú)線傳輸信號(hào)的信號(hào)收發(fā)中心，隨 工作面回采移動(dòng)；
[0014] c、工作時(shí)，啟動(dòng)信號(hào)收發(fā)中心，通過(guò)信號(hào)收發(fā)中心喚醒信號(hào)發(fā)射器，信號(hào)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(guò)16位A/D轉(zhuǎn)換 器傳遞給單片機(jī)I，由單片機(jī)I實(shí)時(shí)觸發(fā)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)射信號(hào)，將無(wú)線信號(hào)發(fā)送給信號(hào) 收發(fā)中心；分項(xiàng)設(shè)置各傳感器的報(bào)警閾值，一旦出現(xiàn)超過(guò)報(bào)警閾值的現(xiàn)象，由單片機(jī)I觸發(fā) 無(wú)線收發(fā)模塊一發(fā)射報(bào)警信號(hào)，將無(wú)線信號(hào)發(fā)送給信號(hào)收發(fā)中心；
[0015] 主動(dòng)式紅外線傳感器A實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)，主動(dòng)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(wú) 線收發(fā)模塊一發(fā)射報(bào)警信號(hào)，將無(wú)線信號(hào)發(fā)送給信號(hào)收發(fā)中心；
[0016] 設(shè)在綜采工作面端口的信號(hào)收發(fā)中心觸發(fā)無(wú)線收發(fā)模塊二接收無(wú)線收發(fā)模塊一 的無(wú)線信號(hào)，信號(hào)收發(fā)中心接收的信號(hào)通過(guò)單片機(jī)II進(jìn)行地址判斷、數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)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(bào)警器，同時(shí)通過(guò)485通訊口將信號(hào)傳 給井下分站，通過(guò)井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳至地面上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
[0017] 有益效果：通過(guò)設(shè)在工作面液壓支架上的信號(hào)發(fā)射器和設(shè)在上端口或下端口的信 號(hào)收發(fā)中心，信號(hào)發(fā)射器在信號(hào)收發(fā)中心的喚醒條件下，可對(duì)關(guān)于工作面頂板的多種信號(hào) 進(jìn)行采樣，并控制無(wú)線收發(fā)模塊對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，信號(hào)收發(fā)中心接收到信號(hào)后對(duì)其進(jìn) 行地址判斷、數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)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(bào) 警器，反映頂板安全情況的數(shù)據(jù)結(jié)果，同時(shí)可通過(guò)485接口連接到井下分站，通過(guò)井下監(jiān)控 監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面頂板安全參數(shù)的地面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)工作面的端面 冒高、頂板壓力和頂?shù)装逡平?，使得工作面頂板的安全監(jiān)測(cè)工作更加實(shí)時(shí)、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(xiǎn)、有效避免頂板事故的發(fā)生。其結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，方法簡(jiǎn)便，測(cè)量精度高，靈敏度高，傳感器分辨率高，測(cè)量數(shù)據(jù)精確，通信方式簡(jiǎn)單，可 靠性高，工作效率高，造價(jià)低，測(cè)試方便，具有廣泛的適用性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)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(hào)發(fā)射器構(gòu)成框圖；
[0021] 圖4是本發(fā)明的信號(hào)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?jì)算說(shuō)明圖。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖中的實(shí)施例對(duì)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)裝置，包括間隔設(shè)在綜采工作面的 多臺(tái)液壓支架上的多組信號(hào)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(hào)發(fā)射器1無(wú)線傳輸信號(hào)的信號(hào)收發(fā)中心2,所述多組信號(hào)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(hào)發(fā)射器（1)包括并 聯(lián)在一起的多個(gè)傳感器11、與多個(gè)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(wú)線收發(fā)模塊一 5 ;所述的16位A/D轉(zhuǎn)換器3的型號(hào)為MAX1166 ;所述的單片機(jī)14的型號(hào) 為MSP430F149。所述的多個(gè)傳感器11包括主動(dòng)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(hào)收發(fā)中心2包括無(wú)線收發(fā)模塊二6、與無(wú)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(bào)警器12。所述的無(wú)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(hào) 為 STM32F103。
[0025] 如圖1所示，信號(hào)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(dòng)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(gè)液壓支架上的四種傳感 器都通過(guò)礦用傳感器連接線與同一液壓支架上的信號(hào)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(gè)信號(hào)發(fā)射 器，每個(gè)信號(hào)發(fā)射器包括分別安設(shè)在液壓支架特定位置的主動(dòng)式紅外線傳感器A(監(jiān)測(cè)端 面冒高）、壓力傳感器B(監(jiān)測(cè)頂板壓力）、紅外線距離傳感器C(間接監(jiān)測(cè)頂?shù)装逡平浚?和傾角傳感器D (測(cè)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(wú)線收發(fā)模塊 5〇
[0027] 如圖3所示，傳感器B、C、D通過(guò)精度為16位A/D轉(zhuǎn)換器MAX1166,將采樣區(qū)間的 模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)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(guò)無(wú)線收發(fā)模塊一 5將信號(hào)調(diào)制成電波發(fā)出，單片機(jī)I 4的型號(hào)為 MSP430F149。
[0028] 如圖4所示，信號(hào)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(wú)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(hào)為STM32F103。
[0029] 信號(hào)收發(fā)中心2的無(wú)線收發(fā)模塊二6收到數(shù)據(jù)信號(hào)后，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)解調(diào)并將數(shù)據(jù) 通過(guò)讀寫操作傳遞給單片機(jī)II 7,信號(hào)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)方法，具體步驟如下：
[0031] a、在綜采工作面的多臺(tái)液壓支架上間隔設(shè)置信號(hào)發(fā)射器1，每組信號(hào)發(fā)射器）中： 主動(dòng)式紅外線傳感器A設(shè)在前探梁上，通過(guò)主動(dòng)式紅外線傳感器A測(cè)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(guò)壓力傳感器B測(cè)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(guò)紅外線距離 傳感器C和傾角傳感器D測(cè)量的液壓支架立柱上下段的相對(duì)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(wú)線傳輸信號(hào)的信號(hào)收發(fā)中心2 ;
[0033] c、工作時(shí)，啟動(dòng)信號(hào)收發(fā)中心，通過(guò)信號(hào)收發(fā)中心喚醒信號(hào)發(fā)射器，信號(hào)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(guò)16位A/D轉(zhuǎn)換 器傳遞給單片機(jī)I，由單片機(jī)I實(shí)時(shí)觸發(fā)無(wú)線收發(fā)模塊發(fā)射信號(hào)，將無(wú)線信號(hào)發(fā)送給信號(hào) 收發(fā)中心；分項(xiàng)設(shè)置各傳感器的報(bào)警閾值，一旦出現(xiàn)超過(guò)報(bào)警閾值的現(xiàn)象，由單片機(jī)I觸發(fā) 無(wú)線收發(fā)模塊一發(fā)射報(bào)警信號(hào)，將無(wú)線信號(hào)發(fā)送給信號(hào)收發(fā)中心；
[0034] 主動(dòng)式紅外線傳感器A實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)，主動(dòng)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(wú) 線收發(fā)模塊一發(fā)射報(bào)警信號(hào)，將無(wú)線信號(hào)發(fā)送給信號(hào)收發(fā)中心；
[0035] 設(shè)在綜采工作面端口的信號(hào)收發(fā)中心觸發(fā)無(wú)線收發(fā)模塊二接收無(wú)線收發(fā)模塊一 的無(wú)線信號(hào)，信號(hào)收發(fā)中心接收的信號(hào)通過(guò)單片機(jī)II進(jìn)行地址判斷、數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)顯示各 地址的數(shù)據(jù)結(jié)果，并通過(guò)485通訊口將信號(hào)傳給井下分站，通過(guò)井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳至地 面上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
[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(zhǎng)度為250mm，之后將主動(dòng)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(shí)，主動(dòng)式紅外線傳感器將會(huì)探測(cè)到紅外線 不是靜止不動(dòng)的，也就是說(shuō)發(fā)出的紅外線不是不斷反彈的，主動(dòng)式紅外線傳感器A被觸發(fā)， 同時(shí)傳送信息給相應(yīng)的單片機(jī)I，之后經(jīng)過(guò)無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)轿挥诠ぷ髅嫔隙丝诨蛳露丝诘?信號(hào)收發(fā)中心，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)警；另外，在此報(bào)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(cè)到紅外線是動(dòng)態(tài)時(shí)才報(bào)警，即設(shè)置濾波程序，從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)頂板偶然有石塊 或煤塊掉落時(shí)傳感器A并不發(fā)出報(bào)警信息，自動(dòng)過(guò)濾掉該信號(hào)，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(guò)測(cè)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(hào)發(fā)射器1的信號(hào)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(hào)收發(fā)中心2的功能按鈕10發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，多組信號(hào)發(fā)射器1的無(wú)線收發(fā)模塊5接 收到啟動(dòng)信號(hào)后，使多組信號(hào)發(fā)射器11進(jìn)入工作狀態(tài)；當(dāng)多組信號(hào)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(hào)超過(guò)閾值或主動(dòng)式紅外線傳感器A傳出報(bào) 警信息時(shí)，單片機(jī)I 4觸發(fā)無(wú)線收發(fā)模塊5發(fā)射信號(hào)；信號(hào)收發(fā)中心2接收信號(hào)，單片機(jī)II 7 對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行地址判斷、數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)顯示各地址的數(shù)據(jù)結(jié)果，并通過(guò)485通訊口 8將信號(hào)傳給井下分站，通過(guò)井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳至地面上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
[0039] g、信號(hào)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(dòng)式紅外線傳感器A發(fā)送 過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，則使用端面冒高數(shù)據(jù)處理子程序，同時(shí)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(hào)收發(fā)中心處的報(bào)警器12 ;如 果是壓力傳感器B發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，則使用壓力數(shù)據(jù)處理子程序，同時(shí)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(hào)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(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，則使用距離數(shù)據(jù)處理子程序，同時(shí)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(hào)及相應(yīng)的傳感器監(jiān)測(cè)的距 離數(shù)值；如果是傾角傳感器C發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，則使用傾角數(shù)據(jù)處理子程序，同時(shí)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(hào)及相應(yīng)立柱與鉛垂 方向的夾角。信號(hào)收發(fā)中心2的單片機(jī)II 7定時(shí)利用傳感器C和傳感器D傳輸?shù)臄?shù)據(jù)計(jì) 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(hào)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(bào)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(cè)監(jiān)控分站，通過(guò)485通信線將信號(hào)收發(fā)中心2 與監(jiān)測(cè)監(jiān)控分站連接，最終將數(shù)據(jù)融入監(jiān)測(cè)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(lái)的壓力數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)繪制出壓力的變化曲線及壓力數(shù)值大小，以便預(yù)測(cè)頂板來(lái) 壓，做好預(yù)警；其次根據(jù)井下傳來(lái)的頂?shù)装逡平繑?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)繪制頂?shù)装逑鄬?duì)移近量曲線， 監(jiān)測(cè)其變化趨勢(shì)，以便表征老頂初次來(lái)壓、周期來(lái)壓的步距和強(qiáng)度，為綜合評(píng)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(shí)，發(fā)出報(bào)警，顯示報(bào)警地點(diǎn)； 另外當(dāng)井下端面冒高達(dá)到報(bào)警預(yù)設(shè)值時(shí)，井上服務(wù)器發(fā)出報(bào)警并顯示出報(bào)警地點(diǎn)。然后通 過(guò)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(shì) 及是否超標(biāo)。
[0041] 本發(fā)明的煤礦工作面頂板安全實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置及方法，頂?shù)装逡平坑梢?下方法測(cè)得：將紅外線距離傳感器C通過(guò)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(shí)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(shí)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(cè)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(cè)得的當(dāng)時(shí)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(duì)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(wú)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(hào)發(fā)射器（1)以無(wú)線傳遞接力的方式傳輸，直到傳 到第一信號(hào)發(fā)射器中，最后第一信號(hào)發(fā)射器匯總傳給位于上端口處的信號(hào)收發(fā)中心2,完成 工作面中信號(hào)發(fā)射器1到信號(hào)收發(fā)中心2的信號(hào)傳輸；反之亦然；該傳輸方式簡(jiǎn)單易操作， 適用于長(zhǎng)距離工作面，但可靠性較差，其中一個(gè)信號(hào)發(fā)射器出錯(cuò)，將導(dǎo)致其下的其他信號(hào)發(fā) 射器所采集的數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸?shù)叫盘?hào)收發(fā)中心2 ;
[0045] 方式二：自工作面下口往上，每三個(gè)信號(hào)發(fā)射器組成一信號(hào)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(hào)發(fā)射器，最后第一小組信號(hào)發(fā)射器 匯總傳給位于上端口處的信號(hào)收發(fā)中心，完成工作面中信號(hào)發(fā)射器1到信號(hào)收發(fā)中心2的 信號(hào)傳輸；反之亦然；例如，從下往上編號(hào)依次為9、8、7的信號(hào)發(fā)射器為一小組，其中9、8 編號(hào)的發(fā)射器都直接將信號(hào)傳輸給7編號(hào)信號(hào)發(fā)射器；編號(hào)為6、5、4的信號(hào)發(fā)射器同樣如 此，依次類推；之后7編號(hào)信號(hào)發(fā)射器將信號(hào)傳給4編號(hào)信號(hào)發(fā)射器，依次類推直到將所有 信號(hào)都傳到1編號(hào)信號(hào)發(fā)射器，最后由1編號(hào)信號(hào)發(fā)射器匯總傳給位于上端口處的信號(hào)收 發(fā)中心，完成信號(hào)傳輸。方式二同樣適用于長(zhǎng)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(gè)信號(hào)發(fā)射器組成一信號(hào)發(fā)射小組，之后以一小 組為單位直接將信號(hào)傳給位于上端口處的信號(hào)收發(fā)中心，完成工作面中信號(hào)發(fā)射器（1)到 信號(hào)收發(fā)中心2的信號(hào)傳輸；反之亦然；該方法操作簡(jiǎn)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(hào)收發(fā)中心2位于下端口時(shí)，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(shí)際情況確定。
【權(quán)利要求】
1. 一種煤礦工作面頂板安全實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)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(tái)液壓支架上的多組信號(hào)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(hào)發(fā)射器（1)無(wú)線傳輸信號(hào)的信號(hào)收發(fā)中心（2)，所述的每組信號(hào)發(fā)射 器（1)包括并聯(lián)在一起的多個(gè)傳感器（11 )、與多個(gè)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(wú)線收發(fā)模塊一（5);所述的多個(gè)傳感器（11)包括主動(dòng)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(hào)收發(fā)中心（2)包括 無(wú)線收發(fā)模塊二（6)、與無(wú)線收發(fā)模塊（6)相連的單片機(jī)II(7)，信號(hào)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(bào)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)裝置，其特征在 于：所述多組信號(hào)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于： 所述的16位A/D轉(zhuǎn)換器（3)的型號(hào)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于： 所述的單片機(jī)I(4)的型號(hào)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于： 所述的無(wú)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于： 所述的單片機(jī)II(7)的型號(hào)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)方法，其特 征在于包括如下步驟： a、 在綜采工作面的多臺(tái)液壓支架上間隔設(shè)置信號(hào)發(fā)射器（1)，每組信號(hào)發(fā)射器（1)中： 主動(dòng)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(guò)主動(dòng)式紅外線傳感器A監(jiān)測(cè) 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(guò)壓力 傳感器B測(cè)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(guò)紅外線距離傳感器C和傾角傳感器D測(cè)量 液壓支架立柱上下段的相對(duì)位移量，通過(guò)計(jì)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(wú)線傳輸信號(hào)的信號(hào)收發(fā)中心（2)， 回采過(guò)程中隨工作面移動(dòng)； c、 工作時(shí)，啟動(dòng)信號(hào)收發(fā)中心（2)，通過(guò)信號(hào)收發(fā)中心（2)喚醒信號(hào)發(fā)射器（1)，信號(hào)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(shí)將采集到的信息通 過(guò)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(wú)線收發(fā)模塊（5)發(fā)射信 號(hào)，分項(xiàng)設(shè)置各傳感器的報(bào)警閾值，一旦出現(xiàn)超過(guò)報(bào)警閾值的現(xiàn)象，由單片機(jī)I觸發(fā)無(wú)線收 發(fā)模塊一發(fā)射報(bào)警信號(hào)，將無(wú)線信號(hào)發(fā)送給信號(hào)收發(fā)中心； 主動(dòng)式紅外線傳感器A實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)，主動(dòng)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(wú)線 收發(fā)模塊一發(fā)射報(bào)警信號(hào)，將無(wú)線信號(hào)發(fā)送給信號(hào)收發(fā)中心； 設(shè)在綜采工作面端口的信號(hào)收發(fā)中心觸發(fā)無(wú)線收發(fā)模塊二接收無(wú)線收發(fā)模塊一的無(wú) 線信號(hào)，信號(hào)收發(fā)中心接收的信號(hào)通過(guò)單片機(jī)II進(jìn)行地址判斷、數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)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(bào)警器，同時(shí)通過(guò)485通訊口將信號(hào)傳給井下 分站，通過(guò)井下監(jiān)測(cè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳至地面上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。
【文檔編號(hào)】G08C17/02GK104484987SQ201410650741
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)