支架压力监测（共3篇）
支架压力监测 篇1
0 引言
支架压力监测是矿压监测和顶板支护的重要监测手段[1]。在矿压监测数据中,移架过程的压力变化对于计算和分析煤矿工作面压力有非常重要的意义[2]。图1(a)为某支架24h实际压力曲线,可见支架压力监测数据中存在有奇异变化的信号,反映了移架时的压力突降、低压保持、再升压和压力调整的过程[2,3]。其中A点移架过程压力变化如图1(b)所示,整个移架过程持续约7~8s,其中降压时间约为1s,升压时间约为1s。24h压力曲线被多个移架过程分成2~3h的若干工作周期。在这2~3h内,压力曲线的变化比较缓慢。
可见支架压力监测数据的特殊性是在较缓慢变化的压力数据中夹有人工移架时压力突变的奇异数据。对于缓慢变化的压力数据,支架压力监测系统的采样频率可低至数秒甚至数十秒1次,而对移架时的奇异数据,采样频率需不低于每秒3—4次。
目前煤矿支架压力监测系统一般采用工业总线传输数据,系统由1个主站和若干个接在总线上的分站构成,由主站轮询向各个分站查询数据。主站通常置于地面,分站分布在各个支架上,整个支架压力监测系统传输线路可达数km。为了保证长距离传输的可靠性,通信速率常设为5 kbit/s或2.4kbit/s。而分站的采样速率较快,如3次/s,一个支架采样6个压力值,传输速率为5kbit/s,在超长工作面多达200个分站时[3],查询扫描1周的时间约为11s。而在此传输过程中,分站内积累存储了约11倍的数据。为了缓解传输压力,有的支架压力监测系统不得不降低分站的采样速率,从而抛弃大量数据。 但分站采样速率即使减小为1 次/s,200个分站的数据传输时间仍需3.36s左右。也就是说,对于具有200个分站的支架压力监测系统,分站采样速率减小为0.25 次/s时才能满足数据的实时传输要求,但该情况下可能会丢失降架、移架、升架信息。针对该问题,本文提出一种支架压力监测数据分段拟合方法。
1 支架压力监测数据分段拟合方法
1.1 数据分段拟合
支架压力监测普遍采用工业总线查询方式,主站发指令查询分站,分站接收到主站的查询指令才向主站发送数据,1个查询周期往往为数秒或数十秒。因此,将支架压力监测数据按查询周期进行分段,即分站在1个查询周期内将数据存储在分站存储器中,主站查询该分站时进行数据拟合。
采用多项式拟合方法进行数据拟合。通过实测发现,采用4次多项式能较好地满足支架压力监测要求,即设监测的压力数据为
式中:ti为第i个采样点时刻,i=1,2,…,n,n为分段内数据长度。
f函数关系未知,因此采用多项式拟合公式(式(2))来拟合f函数。
式中:yi为拟合后的数据;a4,a3,a2,a1,a0为拟合系数。
与一般的数据拟合不同,因总线查询时间难以完全确定,所以分段内数据长度n可能会有变化。拟合目标是取合适的系数组,使拟合后的数据yi与监测数据xi最接近。目前常用最小二乘法来确定拟合系数,即通过不断迭代,使拟合后的数据yi与监测数据xi差值的平方和最小,即求解式(3)中F最小时的系数集。
具体方法:采用式(2)代替式(1)中的f函数并代入到式(3)中的xi,然后分别求5 个拟合系数的偏导数。令偏导方程为0,公式为[4]
式中:j为对某一个系数求偏导时该系数的下标,j=0,1,…,4;m=4;k为5 个系数的下标,k=0,1,…,m。
式(4)为5 个方程的偏导方程组,n为采样点数,因n>m,所以该方程组有唯一解。数据拟合过程即迭代求解式(4)的过程,获取5个拟合系数a4,a3,a2,a1,a0。总线传输时只传输这5个系数。
1.2 数据直传与数据拟合判断
有的支架压力监测系统并不对所有支架进行压力监测,如采用5条线监测方法时,在工作面中选取5个支架安装分站,当工作面向前推进时,形成5条监测线。该情况下,由于分站少,可能不需要进行数据拟合,而是直接传输监测数据。为了实现系统软件的通用性,由分站判断分段内的数据量,若数据量小于拟合系数量,则直接传输数据;若数据量大于或等于拟合系数量,则进行数据的多项式拟合,只传输拟合系数。本文采用4次多项式拟合,即当1个查询分段周期内的数据量小于5时,直接传送数据,并在数据后补0,凑足5位数据,所补0可作为主站判断所传输数据为直接数据还是拟合系数的标志;当数据量大于或等于5时,进行4次多项式拟合,获取5位拟合系数且只传输这5位数据。这样每次均传输5位数据,便于管理数据传输和确定传输时间。
1.3 主站中拟合数据恢复
理论上主站只需将接收到的5位拟合系数代入式(2)即可求出拟合数据yi。但主站首先需要确定分段内数据长度n。有2种方法获取n:(1) 在传输时增加1 位数据n,即传输6 位数据(5 个系数加1个数据长度数)。该方法优点是恢复的数据长度准确,缺点是增加了传输负担。设每个分站有6个测点,存在200个支架时,在1个查询周期内需多传输1 200个数据。当查询周期较短时,这种传输代价与本文目的相悖。(2)由主站根据查询周期计算出数据长度。查询指令由主站发出,因此主站可方便地根据每个分站的查询时间间隔乘以各个分站的采样速率计算出本查询周期内的数据长度。例如主站对某分站的查询周期为12.8s,该分站采样速率为3次/s,则可计算出数据长度为38.4,取整为n=38。该方法的优点是获取方便,减少了数据传输量,缺点是由于主站与各分站之间时钟稳定性存在差异,在极偶然的情况下,可能会少或多计算出1位数据。实际上因分站之间时钟稳定性存在差异,在1个查询周期内,大多数分站采集了n个数据,但极个别分站采集了n+1或n-1个数据,这与拟合后极偶然情况下可能会多或少1位数据类似,并不影响整体数据的准确性。因此,本文采用方法(2)来确定分段内的数据长度,进而恢复拟合数据。
2 数据分段拟合方法的实现
图2为系统分站组成。6路压力传感器量程为5 000kN,分别监测前梁、前柱、后柱压力。压力数据由6路信号放大电路放大为0~5V电压信号。信号放大电路中带有低通滤波器,对压力数据进行滤波处理。STC15F2K60S2 单片机对放大信号进行A/D转换,对部分信号进行显示转换后送液晶显示屏进行显示,并根据需要进行分段数据拟合。单片机处理程序和数据均存储在外部存储器中,采集数据或拟合系数通过MAX485芯片连接到系统总线上。主站发送的查询指令通过总线由分站接收。
图3 为分站软件流程。主程序首先进行初始化,清数据存储器,然后采集6 路压力信号进行A/D转换,将A/D转换值发送到存储器,并对数据进行压力转换,送到液晶显示屏进行本地显示。
当主站查询本分站数据时,程序进入中断处理过程。首先进行中断保护,然后从存储器中读取数据,如果数据量小于5,直接将数据存入通信缓冲单元,数据不足5位时通过补0补足5位;如数据量不小于5则进行数据拟合,获得5位拟合系数,将系数存入通信缓冲单元并发送给主站。6路压力数据发送完后,清除数据存储器,准备存储下一段数据。
3 拟合效果分析
采用支架压力监测数据分段拟合方法后,主站对从站的查询周期与采样间隔可相互独立,不会出现查询周期越长,分站中积累的数据越多,所需传输时间也越长的情况。设分站采样速率为3次/s,在查询周期分别为10,15,30s情况下(即分别有30,45,90 个采样数据)进行数据拟合,结果如图4所示。
从图4可看出,采用数据分段拟合方法后,主站查询周期为10,15,30s时传输数据个数是相同的,均为每次传输5个数据,压力曲线变化也基本类似,满足应用需要。从数据准确度来讲,应尽可能选择较短的查询周期。
4 结语
支架压力监测数据分段拟合方法按支架压力监测系统主站的1个查询周期进行数据分段,在某个分段内,如果数据量小于拟合系数量,则直接传输数据;若数据量不小于拟合系数量,则进行数据的多项式拟合,获取拟合系数并只传输拟合系数。实验结果表明,该方法大大减少了数据传输量,且不丢失重要数据,解决了支架压力监测数据的实时性和对奇异信号捕捉之间相互矛盾的问题,同时实现了每个查询周期固定数据传输量,方便数据传输管理。
摘要：针对支架压力监测系统应用于超长工作面时,受总线查询周期限制而难以兼顾监测支架压力中的突发奇异信号与数据实时传输的问题,提出一种支架压力监测数据分段拟合方法。该方法按照支架压力监测系统1个查询周期进行数据分段,在某个分段内如果数据量小于拟合系数量,则直接传输数据;如果数据量不小于拟合系数量,则进行数据的多项式拟合,获取拟合系数并只传输拟合系数。实验结果表明,该方法大大减少了传输数据量,又不丢失重要数据,同时实现了每个查询周期固定数据传输量,便于数据传输管理。
关键词：支架压力监测,数据拟合,分段拟合,查询周期
参考文献
[1]赵端,纵鑫.基于ZigBee技术的井下液压支架压力监测系统设计[J].工矿自动化,2014,40(1):31-34.
[2]汪新文,刘云霞.综采工作面压力实时监测系统的应用[J].工矿自动化,2011,37(10):121-124.
[3]张飞,张巍,孙建岭,等.超长综放工作面矿压显现规律研究[J].煤炭工程,2010,12(12):52-54.
[4]刘霞,王运锋.基于最小二乘法的分段三次曲线拟合方法研究[J].科学技术与工程,2007(3):352-355.
支架压力监测 篇2
煤矿综采工作面液压支架的工作阻力监测对研究顶板来压规律、了解采场上覆岩层活动规律、预防顶板事故都有至关重要的作用[1,2,3]。测量液压支架工作阻力的传感器称为支架压力传感器。它的选型必须满足煤矿仪器设备的特殊要求[4,5],同时适应支架工作阻力变化和顶板来压规律的特点[6]。用于液压支架工作阻力监测的压力传感器种类很多,包括粘贴箔式金属应变片、振弦式、压阻式、光纤光栅式等压力传感器。研制适用于支架工作阻力测量的高可靠性压力传感器一直是学者们研究的重点[7,8,9]。 硅基SOI( Silicon on Insulator,绝缘体上硅) 压力传感器是近几年国内发展迅速的传感器,在军事、航天、 医疗中都有成功的应用[10],在煤矿使用较为少见。 将硅基SOI压力传感器应用于井下压力测量,提高监测的可靠性,具有重要的意义。
1压力传感器比较
粘贴箔式金属应变片压力传感器早期在矿山压力监测中应用较多。它的灵敏度很低,非线性、滞后和重复性通常仅为1% ~ 2% ,因此,综合精度不高, 且需要进行温度补偿,适用于缓慢变化或静态压力的测量。振弦式传感器工作性能稳定,不易受到电磁干扰,较为适合在煤矿井下的恶劣环境中使用,但是它对钢弦和弹性体的要求很高,若材料选取不当, 则无法测量工作阻力,不能承受高压力冲击。用于井下压力监测的压阻式压力传感器主要有溅射薄膜压力传感器和硅基压力传感器。溅射薄膜传感器将绝缘材料、电阻材料与弹性不锈钢膜片融合为一体, 提高了传感器的稳定性和工作温度。一些硅基SOI传感器采 用MEMS ( Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统) 技术,在体积、耐高温、稳定性、 价格方面均具有优势。光纤光栅传感器具有结构轻便、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强等优势,但光纤熔接和维护较为不便。表1为各种压力传感器的性能比较,各种压力传感器的性能差异是相对的。
2新型硅基SOI压力传感器结构
新型硅基SOI压力传感器主要分为2个部分: 一是受压弹性膜片,二是控制电路。受压弹性膜片是由硅基SOI应变计与17 -4PH不锈钢弹性体通过玻璃胶的微熔技术制成,如图1所示。
1 - 传感器国标 DN10 快速接口; 2 - U 型卡; 3 - 连接油管腔体; 4 - O 型圈; 5 - 受压膜片不锈钢弹性体; 6 - 电路板; 7 - 硅基 SOI 应变计
硅基SOI应变计采用一种双层电阻栅结构的单片SOI膜片,如图2所示,该结构是由上海复旦大学沈绍群教授所发明。它的上表层是2 ~ 5 μm的器件薄膜层,用以制作硅栅电阻和热压脚,材料为P型或N型单晶硅; 下表层是12 ~ 15 μm的衬底层, 材料也是单晶硅。每一层表面均生长一层绝缘薄膜,相互之间形成耐绝缘高压的SOI结构。整个结构分为左右对称的电阻栅,组成半个惠斯顿电桥。 每个体电阻分别由4个电阻条通过3个浓硼埋层区串接而成。在体电阻底部采用Si3N4薄膜作为基底,固定体硅栅电阻和金属电极热压脚的相对位置。
1 - 浓硼埋层; 2 - 硅栅电阻; 3 - 硅衬底; 4 - 绝缘层; 5 - 热压脚; 6 - 基底
这样的受压膜片有如下优点: 1采用MEMS技术,应变部分能够做到小于0. 4 mm2,使用灵活方便。2应变部分与受压不锈钢弹性体在高温下通过玻璃粉烧结而成,能在大于350 ℃ 的高温环境下正常工作。3采用半导体体电阻材料作为惠斯顿电桥电阻,其灵敏度高、温漂小。4电阻条外表被绝缘薄膜包裹,绝缘性能能够通过AC 500 V耐压测试要求,并且保护电阻条防潮,不受外界环境污染。 5体电阻设计为电阻栅的形状,能够获得高阻值桥路电阻,保证电阻栅位于弹性膜的应力峰值区,从而提高精度。
传感器的控制电路主要把获得的电压信号转变为远程传输的CAN总线数字信号,同时在本地显示。控制电路结构如图3所示。控制电路主要由单片机系统、信号处理部分、显示部分、CAN总线收发部分、时钟及存 储等部分 组成。 单片机选 用AT89C51CC03,它内部集成了CAN总线控制器,可将模拟信号转换为数字信号并进行远程传输。由于液压支架工作阻力的变化反映的是工作面采煤循环支架降、移、升的全过程,变化剧烈,瞬间会出现高压冲击,所以,传感器的采样程序设计不同于其他传感器,采用定值定时采样模式。定值采样是指设置一个压力阈值P0,这个阈值的选取与具体煤矿的工作面条件、支架参数相关。将高速采样得到的压力P与前一压力值比较,若变化量超过P0,则把这个压力值P记录下来并进行传输。定时采样是指设定固定时间周期记录压力值P。定值定时采样设计的优点: 1高速采样能够获得充足的数据信息。 2设定阈值记录,可保证数据的有效性,过滤无用数据。3当数据在较长时间内的变化不超过阈值时,定时记录数据,以保证数据的连贯性。
3SOI压力传感器的工程应用
SOI压力传感器已应用到KJ21顶板灾害监测系统中[11]。KJ21顶板灾害监测系统由井下传感器、井下分站、中继器和地面主机组成。传感器数据通过CAN总线远程传输至地面主机,地面主机接收数据并进行分析处理以及灾害预测预警。下面以扎莱诺尔铁北矿为例,介绍SOI压力传感器在分析工作面压架原因中的应用。
3.1SOI压力传感器的安装
铁北矿右三片工作面右部至301公路保安煤柱线,左部至新二采区回风下山,上部至新二采区右二片下巷,下部至新二采区右三片付巷。走向长度为1 800 m,工作面长度为165 m,煤层顶板由炭质泥岩、泥岩、泥质砂岩互层组成。工作面采用ZF8000 / 18 /35型正四连杆低位放顶煤液压支架。该工作面于2014年7月15日发生了大面积切顶来压事故, 工作面大部分支架不同程度处于压死状态,工作面无法正常推进。为了分析压架原因,解决工作面生产问题,右三片工作面安装了KJ21顶板灾害监测系统,SOI压力传感器沿工作面布置方向共分为3个测站,分别位于工作面的上部( 11,12号支架) 、中部 ( 40,70,71号支架) 和下部 ( 101号支架) ,如图4所示。
3.2初撑力分析
从系统监测数据来看,所观测的6个支架的初撑力都偏小,不到额定初撑力( 7 753 k N) 的60% , 有的支架初撑力长时间保持在2 000 ~ 3 000 k N, 12号支架工作阻力曲线如图5所示。初撑力较低, 导致支架对顶板的初始支撑作用较小,不能有效防止顶板与顶煤的离层和下沉,长时间的初撑力不足使工作面顶煤与顶板下沉量达到一定程度,导致整体下沉或切顶发生。
3.3前后柱受力分析
右三片工作面支架额定工作阻力为8 000 k N, 支架为四柱支撑掩护式支架,每个立柱额定工作阻力PH为2 000 k N,前后柱受力对比见表1。从表1可看出,支架存在严重的受力不均问题,平均来看, 前柱工作阻力较大,后柱较小,造成支架支撑效率不高。
3.4安全阀开启分析
71号支架工作阻力曲线如图6所示。从图6可看出,由于支架前后柱受力不均衡、顶板压力大等原因,造成支架安全阀频繁开启。安全阀频繁开启对工作面顶板支护非常不利,一是导致顶板急速下沉,容易被支架压死; 二是引起安全阀疲劳损坏,支架不保压。
经对比分析,新型硅基SOI压力传感器使用过程中监测的数据与矿方技术人员记录的现场情况高度一致。通过分析发现,初撑力低、前后柱受力不平衡、安全阀频繁开启以及安全阀疲劳导致支架不保压等问题是造成右三片工作面经常压架的主要原因。与矿方沟通后,采取加大泵站压力、排查供液管路质量、强化工人规范操作及排查乳化液质量等措施,使压架问题得以缓解。
4结语
支架压力监测 篇3
1 矿压观测内容及方法
(1) 观测内容。
①液压支架工作阻力;②工作面顶板破碎度;③巷道变形状况;④顶煤运移情况。
(2) 观测方法。
①利用压力圆图自记仪, 连续观测整个开采过程中支架载荷的变化。沿工作面布置5条测线, 将观测仪器分别安装在10#、25#、37#、50#、63#支架上。②在工作面内进行统计观测, 包括工作面的端面顶板 (顶煤) 破碎度、支架工作状态等。③在工作面两平巷内设置测点进行巷道变形观测, 主要测量巷道的顶底板和两帮的移近量。④利用深基孔观测顶煤及顶板运移的特征, 掌握大倾角煤层顶煤及顶板运移规律。
2 观测数据分析
2.1 工作阻力分析
液压支架工作阻力是反映液压支架支护性能和支护效果的重要指标, 工作阻力分析主要讨论液压支架工作阻力的大小及分布规律, 以及影响液压支架工作阻力的主要因素等[1]。鹤煤公司二矿3604工作面各支架的工作阻力统计如图1所示。
在鹤煤二矿大倾角倾斜厚煤层采用放顶煤开采时, 工作面的矿压显现具有以下特征。
(1) 工作面支架所承受的载荷较小, 工作面两端压力小于中部压力, 下端压力小于上端压力。煤壁片帮、端面顶煤冒落主要集中在40#—60#支架之间的区域, 表明工作面中部载荷较大, 矿压显现比较显著;上端压力大于下端压力则是由于位于上端头的4#、5#支架不放煤 (利于端头支护) , 顶煤的完整性较好, 承载和传递载荷能力强。
(2) 工作面周期来压步距在8～20 m, 平均周期来压步距为12.7 m。工作面不同位置周期来压的表现具有比较大的差异。相比较而言, 工作面两端的周期来压显现要弱于工作面中部。
2.2 端面稳定性分析
通过对工作面端面顶煤区域有限元计算模拟[2], 分析端面稳定性 (图2) 。图2a→图2b:非周期来压割煤后→及时封闭顶板;图2c→图2d:周期来压割煤后及时封闭顶板→对煤壁施加水平支护。
(1) 正常回采期间, 在煤壁和端面附近, 上部顶煤中存在水平方向的拉应力区, 下部顶煤中存在水平压应力区。由于水平方向拉应力的作用裂隙极易被拉开, 采煤机割煤后及时封闭端面顶煤, 对端面水平应力的减小有显著的效果, 应力增高区域缩小。
(2) 当工作面处于周期来压时, 端面附近顶煤内部的应力增高加剧, 造成端面顶煤的进一步破碎, 尤其是靠近煤壁处的顶煤, 如果不能及时维护, 在自身重力的影响下很容易在端面失稳冒落。
(3) 无论工作面来压与否, 支架上方顶煤中的垂直应力均较小, 说明支架上方的顶煤已经完全破坏, 不再作为一个整体将顶煤以上的载荷传递到支架上, 因此支架载荷较小。
2.3 巷道变形分析
在工作面推进过程中, 工作面四周的巷道将受到不同程度的采动影响。观测巷道变形就是为了寻求矿压显现规律, 提供支护结构设计和支护形式选择的依据[3,4]。巷道变形数据如图3所示。
(1) 巷道变形量不大, 矿压显现不明显, 这与岩层条件、原岩应力状况、工作面周边条件等有关。总体来讲, 工作面回风巷与运输巷相比, 回风巷的稳定状况要优于运输巷, 其顶底板移近量、顶底板最大移近速度、断面缩小变形率均小于运输巷的相应值。
(2) 距端头45～50 m处, 由于移动支承压力的影响, 巷道开始变形, 但至工作面前方30 m处, 围岩 (煤) 的移近量均非常小;距端头12 m处, 巷道的顶底板移近速度和两帮移近速度急速增加, 这与工作面前方支承压力分布规律吻合。
2.4 顶板运移分析
顶板移动量及移动速率曲线如图4所示。顶板在工作面前方25～30 m处开始有位移产生, 随着工作面推进, 顶板移动量逐渐增大;在煤壁处移动量开始迅速增加。上述情况表明, 由于顶煤的破坏, 顶板失去顶煤的支撑开始迅速下沉, 并可能伴有向采空区方向的转动。在工作面前方约10 m位置, 顶板的移动速率发生突变, 表明岩层在此处可能发生断裂。
3 结语
(1) 工作面支架工作阻力不大, 支架初撑力能达到额定初撑力的79%, 工作面周期来压步距为12.7 m, 来压期间动载系数较小。说明在该地质条件下, 所选支架能满足工作面支护的要求。
(2) 在顶煤较破碎的工作面进行放顶煤开采, 顶煤能否放出已经不是主要问题, 而保持端面顶煤的完整性、阻止顶煤在端面的冒落是关键, 不仅在工艺上要求及时移架支撑顶煤, 更重要的是要求支架尽可能将顶板全部封闭, 尤其是端面顶煤, 保持顶煤的完整性, 并对端面附近的煤壁进行有效支护。
(3) 由于移动支承压力的影响, 巷道虽然产生变形, 但无论是顶底板或两帮, 围岩 (煤) 的移近量均非常小, 变形速度也很小;而后开始显著增加, 到工作面前方12 m处, 巷道的顶底板移近速度和两帮移近速度急速增加, 这与工作面前方支承压力分布规律吻合。
参考文献
[1]闻全, 王海燕.大倾角厚煤层轻放采场矿压显现特点[J].矿山压力与顶板管理, 2004 (4) :74-75.
[2]来兴平, 程文东, 刘占魁, 等.大倾角综采放顶煤开采数值计算及相似模拟分析[J].煤炭学报, 2003, 28 (2) :1-4.
[3]罗友德, 刘平安, 原钦岭, 等.大倾角轻型支架综采放顶煤工作面开采工艺探索[J].中州煤炭, 2001 (2) :10-12.