矿山压力监测与数据处理分析系统

    杜倩倩+夏芳芳+马晓峰

    

    

    

    摘要：在矿山生产过程中，由于对矿山压力显现观测预报不及时和处理不当所引起的生产事故，对矿山企业安全生产和矿工的人身安全构成了极大的威胁。由于矿压环境的复杂多变性，受海量实时数据的限制，矿压专家很难从矿压数据中分析出矿压运动规律。基于对矿压理论的分析，开发出一套矿压数据处理系统通过极值求解的算法，借助信号处理的方法，利用极值点实现在杂乱的时序数据里获取初撑力和循环末阻力进而实现周期来压步距的提取，来辅助矿压专家对矿压运动进行分析。

    关键词：矿山压力；数据分析；来压步距；初撑力；循环末阻力

    中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）12-0053-02

    Abstract： In the mine production process， the accidents due to the mine pressure observation and forecasting untimely or improper handling had posed a grave threat to the mine safe production and the safety of miners. Owing to the complex of underground pressure environment， restricted massive real-time data， strata experts need mine pressure data processing system to aid in the analysis of underground pressure law of motion. Based on the analysis of underground pressure theory， the mine pressure data processing system in this article through the solution of extreme algorithms， using the method of signal processing， making use of extreme points to achieve setting load and the end of the loop resistance in the clutter timing data， then extract step distance of roof weighting， in order to help strata experts analysis the pressure law of motion.

    Key words： mine pressure ； data analysis ； step distance of roof weighting； setting load； the end of the loop resistance

    由于冲击地压问题极为复杂，国内外目前尚未建立比较符合实际的冲击地压发生及破坏过程的理论，因而冲击地压的预测、预报及防治并不完备[1]。随着国家对煤炭企业安全生产的要求的不断提高和企业自身发展的需要，我国的各大、中、小煤矿的矿井都装备了矿井实时的监测系统[2]。监测系统的普遍安装大大提高了矿井安全生产水平和安全生产管理效率，取得了明显的经济效益和社会效益。很多煤炭企业为了提高安全生产，通常聘请煤炭专家对煤矿生产情况坏和矿压规律进行分析报告，但是目前我国矿压专家人数并不多，很难做到每个煤矿企业都配有一位专业的矿压专家对矿压情况进行及时的分析预测[3]。而且每份矿压报告昂贵的价格也是许多中小煤矿很难定期请矿压专家做矿压分析，导致这类企业无法及时掌握矿井的安全状况，造成很多不必要的经济损失和人员伤亡。

    基于对以上情况的综合考虑，在充分利用我校先进的矿压理论研究基础上，结合已开发完成的于矿压监测相关的系列产品，如KJ216综采支架压力监测系统，采用新的软件设计理念，先进的软件开发工具以及数据库技术等研发了矿压数据监测与数据分析平台系统。

    1系统总体设计

    总体设计的任务是根据需求分析阶段得到的目标系统的物理模型确定一个合理的软件系统的体系结构[5]。本系统依据已有的矿压理论研究，结合煤矿工作面的压力、进尺等数据，最终给出目标工作面内的矿压规律，并且利用计算机将压力数据用图形展示出来；通过极值求解的算法，借助信号处理的方法，利用极值点实现在杂乱的时序数据里获取初撑力和循环末阻力进而实现周期来压步距的提取；将压力数据通过人为设定相关参数将数据结果分析出来，从而节省了人力、物力，提高了工作效率[4]。软件的功能分解属于软件开发中的总体设计阶段，软件的总体设计从总的方面决定了软件系统的扩充性和维护性[6]。本系统的软件功能分解如图1所示。

    2 系统模块设计

    煤矿顶板动态监测与矿压数据分析平台主要是对矿井中监测的数据进行数据处理，主要分为以下五个功能模块：系统设置模块，数据监测模块，数据查询模块，数据分析模块和用户设置模块。每个主要功能模块又有各个子功能模块。

    2.1 系统设置模块

    系统设置模块这一模块包括矿井基本信息设置、监测分站设置、生产进度管理、测点设置、报警设置、系统初始化。矿井基本信息设置主要实现对应用单位、工作面、区域和支架等信息进行添加、修改和删除的功能；监测分站设置实现了对监测分站的各种参数的添加、修改和删除的功能；生产进度管理实现了对生产工作面推进进尺和班产量的添加、修改和删除的功能；测点设置实现了对监测点对应的支架以及支架接线次序进行设置，同时对支架信息进行添加、修改和删除的功能；系统初始化是对系统的所有信息进行初始化。

    2.2数据监测模块

    数据监测模块主要是用来进行数据采集的。传感器将井下的矿山压力数据采集以后通过光纤将数据传送到一个通讯分站中。计算机通过USB接口和通讯分站相连，系统中的数据监测模块通过调用SerialPort类，采用RS232通信协议将数据从通讯分站中解析出来，存入数据库中完成数据采集的工作。数据采集模块的工作原理如图2所示。

    2.3数据查询模块

    数据查询模块下的单点阻力查询可以用来查询单点阻力曲线；单架阻力查询可以用来查询单架阻力曲线；平均阻力查询可以用来查询一个工作面内所有支架的平均阻力曲线；测点监测数据查询可以某个测点支架的原始数据。

    2.4数据分析模块

    数据分析模块下的提取进尺是用户根据查询条件选择工作面内的进尺类型；计算循环是用户根据限定值和最小阈值在原始数据里求出循环；计算初撑力和循环末阻力是根据进尺和循环求出初撑力和末阻力；计算来压步距是根据循环末阻力和限定值求出显著步距和稳定步距；导出报表是根据计算结果导出相应的报表。

    2.5用户设置模块

    用户设置模块主要是包括用户管理和修改密码，在这一模块中用户可以根据提示修改个人信息，系统管理员用户可以在这一模块中添加普通用户并为其设置相应的权限。

    3系统实现

    3.1系统的技术架构

    系统主要使用C#语言进行开发，数据库为SQL Server2008，采用MVC三层架构的设计模式搭建该项目的一个完整开发环境。系统分为表示层（UI）即View，业务逻辑层（BLL）即Controller，数据访问层（DAL）即Model的三个层次来实现程序 “高内聚，低耦合”，MVC的框架如图3所示。

    3.2系统的体系结构

    系统采取的是客户机和服务器结构，即Client/Server体系结构。C/S结构的优点是能充分发挥客户端PC的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服务器。对应的优点就是客户端响应速度快。本系统的物理结构主要有系统设置模块、数据通讯模块、数据分析模块、数据查询模块、更改外观和用户设置模块构成，系统的物理部署由客户端以及数据库服务器SQL Server2008组成。

    3.3 系统数据库结构

    本系统共有11个表，存储的数据主要有煤矿基本信息、工作面基本信息、进尺和产量统计信息、支架压力传感器信息、初撑力和末阻力信息、步距信息等各种信息。系统开发的数据接口是ADO.NET，ADO.NET数据提供者对象接口实现了通用数据访问类，在访问数据库时可以统一调用通用的数据库访问接口，使应用程序能够高效、快捷和安全访问数据库，从而提高代码的重用性、通用性、灵活性和扩展性。

    4结束语

    目前为止，安全生产一直是困扰煤炭企业长期生存发展的重要问题，本文结合已有的矿压监测设备和矿压理论研究成果，设计的矿压数据监测与分析平台，解决了矿压规律预测与分析的问题。

    本文取得的最主要成果有：

    1）本文提出了把 C/S的模式应用于煤矿压力的监测和数据分析的信息管理中，提高了安全监察管理的效率和数据处理的准确性。

    2） 矿山压力监测与数据处理分析系统支持多种原始数据的计算，最大限度的保持数据的有效性。

    3）系统采用可视化的设计理念，能够将原始的压力曲线实时的显示在界面上，用户可以更直观的看出矿压压力的变化规律。同时外放计算参数，用户可以根据实际需求改变参数来改变计算结果，最大程度上提高计算结果的准确性和实用性。

    参考文献：

    [1] 钱鸣高，刘听成.矿山压力及其控制（修订本）[M].北京：煤炭工业出版社，1992.

    [2] 周鑫龙，杨令杰.矿山地压及其监测和控制研究[J].矿业工程，2006（5）：6-8.

    [3] Cao Y X， He D D， Glick D C. Coal and gas outbursts in footwalls of reverse faults [J]. Int JCoal Geology， 2001（4）：47-63.

    [4] 刘慧. 基于C/S 与B/S的煤矿安全监察信息管理系统[D].西安：西安科技大学硕士论文，2005.

    [5] Lindsey S， Raghavendra C S. PEGASIS： Power-Efficient gathering in sensor information system[C]. Aerospace Conference Proceedings， 2007， IEEE， 2007.

    [6] Li X， Qin X， Zheng L，et al. Simultaneous clock synchronization in double broadcast domain of WSN[C]. The 5th Global Symposium Millimeter Waves（GSMM）， 2012：367-371