煤矿水文监测系统技术发展方向展望

石 岩，王 博，李 旭（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安，710077）



煤矿水文监测系统技术发展方向展望

石 岩，王 博，李 旭
（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安，710077）

本文介绍了煤矿水文监测系统的组成，针对现有矿井水文监测系统在技术方面存在的诸多不足，结合传感器、通信、计算机软件等技术领域的发展状况及煤矿企业的实际，对矿井水文监测系统的技术发展方向做出了几点展望。

水文监测系统 煤矿 传感器 通信

0　引言

目前我国火力发电量占总发电量75%左右，而煤炭占火电机组燃料的95%，随着我国国民经济持续高速发展，对电力需求空前增长，我国目前及今后相当长时期内的特殊国情是大部分的电力由燃煤电站提供。水害作为煤矿井下主要灾害之一，严重威胁着煤矿的安全生产，因此，建立矿井水文监测系统十分必要。在现代化的矿井水文监测方式出现以前，传统的水文监测方式还停留在人工记录、手工查询、纸张保存等阶段。对某个水文观测点添加信息时，通常需要繁琐复杂的手工录入。当要查询某一方面的信息，则要从大量的信息中查询、翻阅，处理过程费时、费力，达不到矿井防治水害的实时性要求。基于传感器技术和数据通讯技术的现代化煤矿水文监测系统的发展和应用，实现了煤矿水文信息的实时在线监测，节省了大量的人力、物力、财力，避免了人为现场测量以及测量数据误差大并不能及时反馈等问题。及时掌握地下水动态、全矿井各涌水点状况，保障煤矿的安全、正常生产。但是随着科学技术的发展，现有的水文监测系统仍存在一些问题有待改善。

1　水文监测系统的组成

系统由地面监测中心站主机控制，通过远程通信适配器以数据广播方式向井下各采集站发送相关指令，井下各子站内置计算机系统将接收到主机指令进行解析、处理后，通过有线传输网络将实时采集数据上传至中心站主机，完成井下子站与中心站的数据交换。地面监测中心站将接收到的各子站数据经过相应处理，然后在主机屏幕上显示并保存到数据库中。水文监测系统的组成主要包括传感器、监测设备、通信网络及监测软件四部分。

水文监测系统采集的水文参数种类多样且各测点分散分布，具有传感器种类多，监测设备分布分散，通信线路长等特点。

2　传感器

矿井水文监测的水文数据包含水仓水位、管道流量、明渠流量、钻孔压力、地面长观孔水位等数据。这些水文数据的采集都需要传感器感受被测物理量，因此传感器的品质、功能直接制约着水文监测系统的发展。智能传感器的发展和应用为水文监测系统的发展提供了广阔的空间。

煤矿井下环境潮湿、粉尘较大，对传感器的工作环境适应要求较高。现有的管道流量计、明渠流量计的精度较低，受环境因素影响误差较大。管道流量计一般需要管道中有满管水且无杂质气泡，才能保证其精确度。明渠流量计一般需要检测平整规则的明渠，且需要定期清除淤泥。由于煤矿井下粉尘大，管道及渠道中淤泥及杂质较多等原因都会带来测量误差。随着煤矿开采技术的发展，开采深度不断增加，对压力传感器的量程要求更高。煤矿井下用电设备多，且负荷种类多，供电系统易引发谐波等干扰，供电不可靠，传感器需提高稳定性和适应性从而满足煤矿的实际需求。现有传感器普遍为将被测量转换为电压/电流信号，随着传感器技术的发展，数字信号输出的智能传感器得到了普遍应用。在水文监测系统中应用数字信号输出的智能传感器可使多个传感器共用一根多芯通信电缆，省去了监测分站将模拟信号转换为数字信号的过程。

由于测量点分布较广且数量大等特点，传感器的安装数量也相应庞大，传感器集成通信功能，直接接入通信主网络可节约监测分站数量，节约成本、降低施工难度。大大节省了传输电缆、降低了设备成本、提高了系统可靠性、便于用户使用与维护。

3　监测设备

水文监测设备主要由监测主站、监测分站、中继器、电源等设备组成。监测主站包括主机、适配器及打印机，负责系统远程通信信号的收发，通信协议转换且对水文数据进行集中管理，实现水文数据的显示、打印等功能。监测分站收集传感器采集到的电压/电流模拟量信号，将其转化为数字信号，并实现与主站的通信，将井下与地面水文数据传送至监测主站。中继器主要用于通信组网，数据转发，提供网络分支接口，延长通信传输距离。

现有监测分站主要负责对传感器信号的采集与通信。将模拟量信号转换为数字量信号并与主站通信。监测分站功能较为单一，且各厂家仪器一般只提供一种适合自己产品的通信方式，通信协议不统一，设备兼容性差，各厂家产品无互操作性。水文监测系统的监测分站根据各矿井实际监测测点的不同，分站数量安装地点都不尽相同。一般具有数量多且分散的特点。各测点的传感器连接至分站，各分站与主站形成通信网络都需要敷设大量的通信电缆。

现代化矿井中一般都具有Wifi、小灵通、人员定位等系统的无线通信基站，借用现有的通信基站组建水文监测通信网络可有效减少工作量及维护难度。监测分站可集成多种通信方式适用于现代化矿井的需求。利用煤矿井下现有的无线通信网络，实现水文监测系统中各监测分站与主站的无线通信，可节省大量通信电缆，减少监测系统的成本，且便于水文监测系统的后期扩容。

4　通信网络

现有的水文监测系统井下通信网络多采用CAN总线、以太网或RS485等有线传输的方式实现数据传输。对地面水文长观孔水文数据的收集主要依赖手机网络，通过GSM（全球移动通讯网络）方式实现数据传输。

5　监测软件

监测软件具有实时监测、曲线生成、数据报表等功能，最终实现对矿井水情水害的实时监测及预警功能。

由于各个厂家的水文监测系统设备通信方式不同，通信协议不统一，不同厂家产品难以接入统一系统不具有互操作性、兼容性较差。同时，现有的监控软件、监控主站及监控分站软件设计不统一，编程方法各异，给系统的使用和维护带来了极大的不便。各煤矿水文地质情况不同，需要观测的水文参数不同，观测的侧重点不同，对软件设计的要求增加了难度。煤矿技术人员普遍计算机水平不高，要求软件具有更高的可操作性，人性化。

目前，系统软件设计多为基于Windows NT多任务、多线程操作系统的图形用户软件。系统采用客户/服务器架构（C/S）以及浏览器/服务器（B/S）架构混合模式，现场实时监测数据由基于Windows NT数据库系统 SQL Server 2000管理和维护。基本满足了矿井对水文数据实时监测的基本功能，且具备远程发布、网页访问等功能。

矿井水文地质信息包含内容丰富，既包含水文监测的数据资料，又包含钻孔资料和矿井地理资料等。信息种类和属性广泛、综合、复杂、动态。现有的水文检测软件侧重于对水文数据监测，不能兼容各矿井水文地质信息。地理信息系统（GIS）是综合处理和分析空间数据的一种技术系统，其应用范围已远远超出狭义的地理范畴。在水文监测软件上综合运用GIS技术、数据库技术、专题应用模型，可为矿井水文地质领域解决问题提供有效的分析模型，提高水文地质工作的工作效率。

6　总结

综上所述，矿井水文监测系统的建立为矿井水情水害监测提供了依据，提高了矿井水文地质相关工作人员的工作效率。但是，随着煤矿现代化的发展和技术的进步，水文监测系统的传感器、分站及软件还有一定的提升空间。

［1］ 张振全，于一，新型交流电荷感应技术在火电厂烟气浊度测量中的应用［J］.工业仪表与自动化装置，2013，（1），97-99.

［2］ S. Li， T. M. Xu， S.E. Hui， H. L. Hu. Optimization of coal reburning in a 1MW tangentially fired furnace. Fuel 86（2007） 1169-1175.

Coal mine hydrology monitoring system technology development direction

Shi Yan，Wang Bo，Li Xu
（CCTEG Xi'an Institut， SHAAN XI ， XI'AN，710077）

This paper introduces the composition of coal mine hydrology monitoring system，in view of existing Mine Hydrology Monitoring System in the technical aspects of the existence of many problems，combined with actual sensor，communication，computer software and other technology in the field of development condition and the coal mine enterprises，the direction of technology and development of mine hydrology monitoring system made some prospects.

hydrological monitoring system coal mine sensor communication