KJ951煤矿顶板动态监测系统技术与方案

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顶板动态监测系统

技术标

招标人：山东东山古城煤矿有限公司 招标编号：LKWZZB-20171105 投标人：北京中煤矿山工程有限公司

2017年11月20日

目录 一、概述 二、设计依据 三、设计原则 四、系统监测内容 五、系统功能 六、系统组成 七、主要技术参数 八、系统工作原理与工作过程 九、系统现场测点布置与安装 十、产品简介 十一、 .

一、概述

随着人类社会对于能源需求的增长，同时也局限于现今的能源结构，由于其它的新型能源，例如核能、太阳能、风能等还不具备足够的开发技术或广泛推广的条件，煤、石油、天然气至今仍然是人类主要的能源形式。尤其是我国现今的能源结构中，煤炭仍然是主要的能源形式，它占一次能源生产和消费总量的76%和69%。我国电力工业能源的76%、家庭消费能源的80%以及能源化学原料的60%都是由煤炭提供的，在未来相当长的时期内，我国仍将是以煤为主的能源结构。为了满足国民经济建设的需要，在今后相当长的历史时期内仍需保证煤炭的高效生产，这就为我国的煤矿开采提出了更加严峻的要求。安全生产是煤炭开采工作中的重中之重，在各类煤矿事故中，顶板事故仍居前位。随着生产能力的提高、开采强度的增大和向深部开采转移，顶板安全等问题越来越凸现，主要体现在三个方面：一是以锚杆支护为主要形式的巷道稳定性。现有的支护参数到底有多大安全系数？需要监测手段进行评估及潜在的危险性预测。二是超前支承压力影响范围多大？压力集中程度多高？支承压力高峰位置在何处？支承压力前移速度是多少？等等，这些与超前支护和冲击地压密切相关因素监测问题；三是工作面支护稳定性和安全性。工作面支护工作状态怎样？支护是否满足控制顶板的要求？工作面

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上覆岩层初次来压与周期来压步距多大？来压时对目前支护系统有多大影响等。我国几乎所有煤矿都面临开采顶板安全问题，而这些问题往往由于局限于相对落后的监测手段和信息处理技术而被忽略，这是顶板管理不到位的主要原因。因此，安装一套技术先进、稳定、安全可靠的“矿压实时监测系统”，对促使煤矿安全上一新台阶具有实际意义。

二、设计依据

GB/T 2887 电子计算机场地通用规范 GB191-2000 包装储运图示标志

GB3836.1-2010 爆炸性环境 第1部分：设备 通用要求

GB3836.2-2010 爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备 GB3836.4-2010 爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备 GB9969.1-1998 工业产品使用说明书总则

MT209-1990 煤矿通信、检测、控制用电工电子产品 通用技术要求 MT210-1990 基本试验方法

MT286-1992 煤矿通信、自动化产品型号编制方法和管理方法 MT/T 772-1998 煤矿监控系统主要性能测试方法 MT/T899-2000 煤矿用信息传输装置

三、设计原则

 可靠性

系统经过相关部门检测，取得合格证、防爆证、安标证，能够在煤矿恶劣环境下长期工作，确保系统可靠运行。

 安全性

系统采用冗余及容错技术，具有数据备份、数据恢复功能，具有完善的防范措施（如权限认证、防病毒等），保证系统安全、稳定地运行。

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 先进性

系统采用先进的技术，功能强，确保系统的使用周期。  扩展性

系统采用标准接口，结构灵活，根据需要，容易扩充，保护用户投资。  高度自动化

系统根据配置实现自动分析、预警以及报警等功能。  易用性

系统组成简单、灵活，易于安装维护，操作简便、实用，满足煤矿需求。

四、系统监测内容

1、综采工作面顶板矿压在线监测 2、巷道顶板离层在线监测 3、巷道锚杆应力在线监测

五、系统功能

 灵活组网，支持RS485总线、光纤、以太网；  系统容量：64个分站；

 实时监测多种传感器，本地超限报警； 

系统监测功能全面，一套系统可同时满足掘进巷道和回采工作面的矿压监测

需求，便于管理，有效避免了重复建设，节约了矿压监测成本；

 配置灵活，适用于井下不同开采条件的测区、测点布置；  实时数据分析，超限报警；  报表方式多样，便于查询；  操作简单，易于维护；

 支持局域网、客户端、Web模式、OPC接口和FTP模式；

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 双机热备，确保系统安全。

 系统稳定性好，所用位移监测仪采用光测技术，抗干扰性强，量程大； 

系统防水性好，独特的安装技术可以解决多水等复杂环境中巷道顶板、两帮、

底板位移在线监测；

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井下分站支持U盘拷贝及存储功能，在井下环网不通时分站自动储存数据，

分站采用超大高亮液晶显示，便于井下查看数据；

六、系统组成

KJ951煤矿顶板动态监测系统采用先进的传感器技术、自动监测技术、网络技术、数据库技术，进行数据采集、存储、分析、报表、打印、上传，实时监测综采工作面液压支架工作阻力、巷道顶板及围岩离层、巷道围岩锚杆支护应力等安全生产参数，实现实时超限报警。系统支持多种通讯方式，具有功能齐全、抗干扰能力强、可靠性高、通信距离远、配置灵活、经济适用等特点，增强了应急响应手段，为矿山企业安全生产提供可靠保障。系统结构图如图1：

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图1 矿压在线监测系统组成

（一）井上监测信息与报警网络

井上监测信息与报警网络包括：1）传输接口；2）监测服务器；3）矿井办公局域网和客户端。如图2 KJ951系统传输接口可自动接收通讯线路传送的数据，接收单元自动侦测上位计算机的运行状态，当上位计算机退出工作时能自动备份数据，监测服务器恢复后自动上传存储数据，从而实现故障后备监测功能。

KJ951系统的监测分析软件采用了SQL sever数据库和C/S+B/S结构，支持Web模式访问。

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Web 服务器

PC客户端 矿区广域网

办公局域网络 OPC接口 监测服务器

井上 井下 井下监测网络 图2 矿压在线监测系统井上部分组成

本系统可与矿井综合自动化系统联网使用，综合自动化网络建设的基本构架采用了内外和外网结构，内网为矿井工业千兆以太环网。如图3所示。顶板监测系统分站内置RS485接口，可与带串口（RS485）组件的交换机直接接入。监测系统接入矿井以太环网，监测服务器通过传输接口读取井下监测分站传送的数据。

目前KJ951系统已接入煤矿综合监控系统和信息集成应用已有多个案例，取得了

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较好的应用效果。

井上 井下 RJ45 Web服务器 局域网 外网 OPC 监测服务器 FTP 1000/100M以太环网 监测分站

RJ45

图3 井上联网方案

（二） 井下部分

监测系统预留接口保证矿井以后扩展多个测区的使用要求，系统可通过扩展通讯分机和传感器方法扩展测区。考虑到井下采区的布局， 井下系统结构如图4、5所示， 地面传输接口和监测分站通过RS485总线电缆连接，与下位分站构成主从式系统结构。监测分站独立参数设置和运行，循环采集和显示每个监测点的数据，并能实时报警。

监测分站通过总线巡测每个测点的数据，形成上下位主从通讯关系，当传感器收到

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分站的指令时中断采集过程将存储的数据发送到分站。 1、巷道顶板离层监测系统

顶板离层传感器可用于顶板或两帮的岩层移动监测，传感器利用光学技术原理，采用组合式设计，方便用户的安装和回收复用。传感器具有数字显示、报警、参数设置、485通讯功能。

如图4所示为顶板离层监测系统结构图。根据《煤矿安全规程》的要求，建议每隔50m安装一组测点（传感器），可分段布置。每组测点有两个位移基点。

每个离层传感器配置了两个基点（深基点A，浅基点B），基点的安装深度根据顶板地质条件和选择的支护方式确定。

2、锚网巷道锚杆、锚索支护应力及支承压力监测

锚杆/锚索应力、支承压力监测可选择部分断面布置测点，测点可与顶板离层测点相邻安装。结构图如图5所示，工作面巷道按50米一组测点布置。每条巷道可布置一台或多台分站。锚杆应力传感器与锚索应力传感器通用，锚杆应力监测传感器与顶板离层传感器使用同一条通讯电缆。

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传输接口

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顶板离层传感器 50m 防爆电源

660/127V 监测分站

660/127V 锚杆/索应力传感器 接线盒 .

660/127V 防爆电源 轨道巷 工作面 监测分站

660/127V

运输巷

图4 巷道顶板离层、锚杆及监测硬件组成及布置图

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七、主要技术参数

KJ951顶板动态监测系统是专业用于全矿井矿压综合在线实时监测系统，该系统集成了专业化矿压监测理论和方法，实现了矿压监测的数字化和网络化。

 系统容量：每套系统可接入64台分站，每台分站有4路RS485信号接口，每一路可以按总线方式接入18个传感器或监测仪；每台分站有4路频率信号接口。

 传输方式：传感器与分站，分站与传输接口采用通信电缆传输，通讯方式RS485，传输速率4800bps；传输接口与地面通讯方式为RS485、TCP/IP、ST单模光纤，根据井下环网设定。

 系统巡检时间：系统最大检测周期不大于30s；  传输距离：分站与接口≤10km ，分站与传感器≤2km

 系统供电：地面设备为AC220V，井下设备为：AC660V/127V；  通讯速率：4800bps

八、系统工作原理与工作过程

1、巷道围岩移动（离层）监测

监测分站连接巷道各顶板传感器和锚杆、索应力传感器，构成总线上下位监测关系，离层传感器与锚杆应力传感器可共用一条总线连接，每个传感器有唯一的地址编码，监测分站控制巡测每个传感器的数据，分站显示和存储数据并将数据发送到上位传输接口。监测传感器采用智能一体化设计，每个传感器独立运行（供电状态），LCD显示器显示实时检测数据，设置报警参数后能自动报警。 2、锚杆、锚索应力、支承压力监测

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锚杆锚索传感器，传感器部分与电路部分采用分体式设计，固定设置变送器编码。传感器部分输出标准的电压信号，由CPU控制监测传感器输出信号。传感器内置总线接口连接到RS-485总线，传感器收到总线请求发送数据指令时，自动将数据发送到总线。

锚杆监测传感器上位连接到监测分站，每台监测分站最大可连接18台传感器，每台传感器由唯一的地址编码，监测分站按地址编码顺序巡测各锚杆传感器的数据，循环显示各测点的数据。监测分站可诊断并显示下位锚杆应力监测传感器的工作状态（正常/故障）。

支承压力通过安装在煤壁内的压力油枕将压力传输至监测分站，由监测分站发送到总线。

3、 井上接收及数据处理系统

接收主机通过传输接口接收到井下传送的数据，容错后直接发送到监测服务器，监测服务器安装监测分析软件，将数据存储到数据库，并根据用户的要求进行不同的数据分析和报警。

局域网用户可安装或下载客户端软件，实现在线同步监测。若局域网建立了Web服务器，可安装B/S监测软件，局域网或互联网用户可通过IE浏览器方式共享监测信息。

九、 监测系统现场测点布置与安装

1、巷道顶板位移（离层）监测系统

如图7所示。距切眼位置30米每隔50m（具体距离按实际情况而定）布置一个

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测点，每18个测点增加一台供电电源。电源通过三通接线盒接入总线。

顶板离层传感器采用ф28mm钻孔（锚杆钻孔）安装，顶板钻孔深度不大于20米，允许钻孔倾角+30度。每个传感器配套一个三通本安型接线盒。建议议浅基点B的安装深度2.2m，深基点A的安装深度8.5m（供参考）。

深基点 浅基点 顶板 传感器 电缆 接线盒 煤矿巷道 图7 离层传感器安装示意图

2、巷道锚杆支护应力监测系统

锚杆应力监测测点的安装方法如图8所示。锚杆应力传感器适用于端锚的金属锚杆或锚索的安装。锚杆/锚索应力传感器采用穿孔式固定安装，最大穿孔直径Φ30mm，导向盘的穿孔直径依锚杆或锚索的直径确定（用户订货时说明）。锚杆传感器安装锚杆的托盘和紧固螺母之间，传感器安装时要注意穿孔居中。

建议锚杆/锚索传感器在巷道掘进过程中安装，若在回采巷道锚杆上安装传感器时，要注意顶板局部安全。

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顶板 传感器 电缆 接线盒 煤矿巷道

图8 锚杆/锚索传感器安装示意图

十、产品简介

1、GPD60矿用压力传感器

功能：监测综采工作面综采支架工作阻力、煤矿井下煤体或岩体承载应力。

 工作电压：DV18V  工作电流：2mA

 本安参数： Ui：DC19V Ii：5mA  配接设备：KJ951-C矿用本安型采集仪

KJ951-F矿用本安分站

 关联设备：KDW660/18B隔爆兼本安型稳压电源  测量范围： （0～60）MPa， 误差：±1%FS

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 液晶显示： 传感器自带液晶，可直接显示压力值

 信号测试： 输出信号为RS485信号，传输速率为9600波特 产品特点：

◇ 本安设计，安全可靠； ◇ 电源反极性及过电压保护；

◇ 抗干扰性强，抗振性强，优良的长期稳定性。 2、GMY300矿用锚杆（索）应力传感器 功能：监测煤矿井下锚杆或锚索应力。  工作电源：DC12V/DC18V

 工作电流：<30mA

 量程：0～300KN 精度：1.0级  分辨率：1KN

 穿孔直径：φ25mm、φ30mm  报警方式：光

 通讯方式：RS485总线  通讯距离：≤5Km

 配接设备：KJ951-C矿用本安型采集仪

KJ951-F矿用本安分站

 关联设备：KDW660/18B隔爆兼本安型稳压电源 产品特点：

◇ 采用高精度应变测量技术，测量精确可靠；

◇ 采用外接本安电源供电，消除了使用电池供电时需要经常更换电池的麻烦； ◇ LED数码管显示，显示直观准确； ◇ 具有远距离数据通讯和超限报警等功能。

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3、GWG400（B）本安型位移监测仪

功能：用于顶板或两帮的岩层移动监测，传感器利用光学技术原理，采用组合式设计，方便用户的安装和回收复用。  本安参数：Ui：DC18.5V；Ii：15mA  输出信号：RS485  传输距离：2km

 配接设备：KJ951-C矿用本安型采集仪

KJ951-F矿用本安分站

 关联设备：KDW660/18B隔爆兼本安型稳压电源 产品特点：

◇ 具有防爆、防尘、防水等性能，能适应恶劣的环境； ◇ 支持数据采集和存储；

◇ 采用专用电缆与矿井分站相互通信实现数据传输；

◇ 抗干扰能力强：光学检测技术，不受环境电磁干扰、温度、湿度、震动等因素影响；

◇ 测量精度高：测量精度0.1mm—0.01mm；

◇ 电压适应范围宽：常用的本安电源12V、18V、24V均能适应。 4、KJ951-F 矿用本安分站

功能：采集、分析和处理传感器数据，并通过传输接口上传至计算机以供软件处理。  工作电压：18V-24V  工作电流：150mA  输出信号：RS485

 配接设备： KJ951-J传输接口

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 关联设备：KDW660/18B隔爆兼本安型稳压电源 产品特点：

◇ 该分站具有与传输接口双向通信及工作状态指示功能，能接收并储存上级计算机的命令，采集、处理各传感器的信号并传输；

◇ 分站具有对模拟量采集及显示功能，模拟量输入信号为频率型模拟型号； ◇ 分站具有初始化参数设置和掉电保护功能；

◇ 分站具有自诊断和故障指示功能，同时具有数据发送、接收状态指示功能； ◇ 分站具有U盘存储功能。 5、KJ951-J 矿用本安型信息传输接口

功能：连接地面计算机与井下监测分站进行数据传输。  本安参数： Ui：DC12.5V、Ii：170mA  工作电压：DC12V  工作电流：150mA

 输出信号：RS232、RS485、TCP/IP、ST  配接设备： KJ951-F矿用本安分站

 关联设备：KDW660/18B隔爆兼本安型稳压电源 产品特点：

◇ 可转换信号种类多，实现RS485信号和光信号、以太网信号的互换。 6、KJ951-C矿用本安型采集仪

功能：通过该仪器可以对井下传感器进行配置，同时可以读取传感器信息。  工作电压：DC12～22V（电池供电）  工作电流：140mA

 输出信号：RS485，传输距离1km

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 配有存储器： 512KB（其他容量根据客户要求配置）  LCD液晶显示

 配接设备： GPD60矿用压力传感器

GMY300矿用锚杆（索）应力传感器 GWG400（B）本安型位移监测仪 产品功能：

◇ 数据采集：自动采集并记录传感器数据；

◇ 结果显示：显示当前测量结果与报警信息，显示方式有轮询显示和指定位置显示两种；

◇ 键盘设置：可以通过键盘设置仪器测量精度，接入传感器数量，位移参数，位移报警值等数据，也可对某一传感器进行测量值的读取和清零操作。软件界面友好，易于操作；

◇ 文件管理：可将采集的数据进行简单的管理，并设有密码保护功能，防止数据丢失。

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