综采工作面液压支架压力监测系统的研究与设计

邱 谷

（晋能控股煤业集团煤峪口矿信息监控中心，山西 大同 037000）

煤峪口矿2304 工作面位于307 盘区，开采时采用倾斜长壁后退式综合机械化方法。工作面的长度为118.8 m，平均煤层厚度为3.7 m，平均煤层倾角为2.2°，采高2.0 m。煤层的基本顶是白色粗砂岩，平均煤层厚度为23.77 m；直接顶为粉砂岩，平均煤层厚度为5.2 m；伪顶为黑色炭质页岩，平均煤层厚度为0.1 m；直接底是粉砂岩，平均煤层厚度为8.39 m。工作面上共用136 架液压支架。但复杂的工作面环境，加上液压支架空间狭小，开采难度较大[1]。为了预防顶板事故，设计液压支架压力监测系统，对周期来压步距进行预测，确保顶板安全管理。

1 压力监测系统整体方案

综采工作面压力监测系统结构如图1，包括信号采集层、压力监测平台层以及网络服务层三层[2]。其中，信号采集层主要是采集液压支架的压力信号，通过CAN 总线将数据传输到压力监测系统；压力监测系统是一个连接设备，主要连接底层CAN 总线网络和上层以太网，对采集到的数据进行集中处理，实现数据的存储，并将数据打包通过以太网传输到以太网交换机中；网络服务层是通过IP 地址，将工作面相关参数及压力历史数据进行保存，通过上位机进行日常的管理和监测，以柱状图或曲线图形式反映液压支架的压力变化情况。

图1 压力监测系统布局图

在液压支架的顶梁下方分别安装压力监测分站，将压力传感器通过电缆连接在立柱高压油腔上，在压力监测分站的两侧都配有插头，通过电缆与其他分站实现串联，端头分站通过通信电缆与监测平台连接。监测系统对数据进行处理后，通过网络协议接入井下光纤交换机，调度中心对液压支架进行远程监测。

2 压力监测系统硬件设计

对压力监测系统硬件部分进行设计，硬件结构如图2，选用STM32F107VCT6 微处理器芯片[3]，通过电源电路、时钟源电路以及复位电路，将数据输入微控制器中。对数据进行处理后，通过CAN总线，以太网PHY 传输数据，TFT 驱动器以及触摸电路将数据显示出来。

图2 硬件结构图

3 压力监测系统软件设计

3.1 建立数据库

给压力监测系统建立一个数据库，将所有采集到的数据进行存储，将SQL Server 数据库中的数据全部存储在数据库的内部数据表中，包括基本数据表和工作面数据表。基本数据表主要用来存储工作面的基本参数以及用户信息；工作面数据表主要是用来存储当前工作面的压力历史相关数据，一旦工作面删除，对应的数据表也就被删除。使用基于OLEDB 开发应用程序接口ADO 控件与SQL Server数据库建立联系，使用时，先通过Connection 将定义与数据源连接，再使用Recordset 对象接收数据，向应用程序提供数据访问方法，便于对数据进行操作[4]。

3.2 系统维护

压力监测系统维护主要包括用户管理、工作面管理、工作面参数设置以及数据库管理。在初次使用时，默认使用admin 用户登录，通过工作面管理模块随时添加要监测的工作面，然后设置工作面参数，可以手动输入工作面名称、压力上下限值、分站总数、支架总数、传感器等信息。数据库管理可以对数据进行备份、查看以及恢复等操作，防止数据库损坏丢失数据。

设置完系统参数后，进入分站压力监测界面，在线监测各个分站的实际压力变化情况，将压力变化情况通过曲线图或柱状图的形式显示出来。从曲线图上可以实时查看各个分站的压力平均值以及不同位置处传感器的监测值，从柱状图的不同颜色上可以判断是否超出压力的最大值和最小值，从而对工作压力、工作阻力等相关信息进行分析。同时，还可以根据液压支架监测位置和日期等条件，查询压力历史数据，并将数据以表格形式输出，便于编辑和打印。

3.3 周期来压步距预测

对工作面的周期来压步距进行预测，如图3。首先选择要预测的工作面，并添加最近三次以上的周期来压步距值，然后系统会开始预测工作面的周期来压步距。

图3 周期来压预测界面

4 应用效果

将压力监测系统应用在煤峪口矿2304 工作面，设置工作面13 次周期来压步距，验证压力监测系统的准确性。具体如下：根据前N 个工作面来压步距序列，建立预测模型，预测第N+1 次工作面来压步距，预测结果见表1。

表1 周期来压步距实际值与预测结果

从表1 可以看出，工作面周期来压步距的预测平均误差为1.62 m，误差在允许范围内，监测结果可靠，为矿压观测和顶板管理提供依据。

5 结论

（1）通过分析压力监测系统的整体架构，以STM32F107VCT6 微处理器为核心，通过CAN 总线和以太网等实现数据传输，对工作面周期来压步距进行预测。

（2）在煤峪口矿2304 工作面上进行实际应用，结果表明：工作面周期来压步距的预测平均误差为1.62 m，误差在允许范围内，监测结果可靠，为矿压观测和顶板管理提供依据。