礦山壓力監測與數據處理分析系統

杜倩倩+夏芳芳+馬曉峰

摘要：在礦山生產過程中，由于對礦山壓力顯現觀測預報不及時和處理不當所引起的生產事故，對礦山企業安全生產和礦工的人身安全構成了極大的威脅。由于礦壓環境的復雜多變性，受海量實時數據的限制，礦壓專家很難從礦壓數據中分析出礦壓運動規律?；趯ΦV壓理論的分析，開發出一套礦壓數據處理系統通過極值求解的算法，借助信號處理的方法，利用極值點實現在雜亂的時序數據里獲取初撐力和循環末阻力進而實現周期來壓步距的提取，來輔助礦壓專家對礦壓運動進行分析。

關鍵詞：礦山壓力；數據分析；來壓步距；初撐力；循環末阻力

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：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

由于沖擊地壓問題極為復雜，國內外目前尚未建立比較符合實際的沖擊地壓發生及破壞過程的理論，因而沖擊地壓的預測、預報及防治并不完備[1]。隨著國家對煤炭企業安全生產的要求的不斷提高和企業自身發展的需要，我國的各大、中、小煤礦的礦井都裝備了礦井實時的監測系統[2]。監測系統的普遍安裝大大提高了礦井安全生產水平和安全生產管理效率，取得了明顯的經濟效益和社會效益。很多煤炭企業為了提高安全生產，通常聘請煤炭專家對煤礦生產情況壞和礦壓規律進行分析報告，但是目前我國礦壓專家人數并不多，很難做到每個煤礦企業都配有一位專業的礦壓專家對礦壓情況進行及時的分析預測[3]。而且每份礦壓報告昂貴的價格也是許多中小煤礦很難定期請礦壓專家做礦壓分析，導致這類企業無法及時掌握礦井的安全狀況，造成很多不必要的經濟損失和人員傷亡。

基于對以上情況的綜合考慮，在充分利用我校先進的礦壓理論研究基礎上，結合已開發完成的于礦壓監測相關的系列產品，如KJ216綜采支架壓力監測系統，采用新的軟件設計理念，先進的軟件開發工具以及數據庫技術等研發了礦壓數據監測與數據分析平臺系統。

1系統總體設計

總體設計的任務是根據需求分析階段得到的目標系統的物理模型確定一個合理的軟件系統的體系結構[5]。本系統依據已有的礦壓理論研究，結合煤礦工作面的壓力、進尺等數據，最終給出目標工作面內的礦壓規律，并且利用計算機將壓力數據用圖形展示出來；通過極值求解的算法，借助信號處理的方法，利用極值點實現在雜亂的時序數據里獲取初撐力和循環末阻力進而實現周期來壓步距的提??；將壓力數據通過人為設定相關參數將數據結果分析出來，從而節省了人力、物力，提高了工作效率[4]。軟件的功能分解屬于軟件開發中的總體設計階段，軟件的總體設計從總的方面決定了軟件系統的擴充性和維護性[6]。本系統的軟件功能分解如圖1所示。

2 系統模塊設計

煤礦頂板動態監測與礦壓數據分析平臺主要是對礦井中監測的數據進行數據處理，主要分為以下五個功能模塊：系統設置模塊，數據監測模塊，數據查詢模塊，數據分析模塊和用戶設置模塊。每個主要功能模塊又有各個子功能模塊。

2.1 系統設置模塊

系統設置模塊這一模塊包括礦井基本信息設置、監測分站設置、生產進度管理、測點設置、報警設置、系統初始化。礦井基本信息設置主要實現對應用單位、工作面、區域和支架等信息進行添加、修改和刪除的功能；監測分站設置實現了對監測分站的各種參數的添加、修改和刪除的功能；生產進度管理實現了對生產工作面推進進尺和班產量的添加、修改和刪除的功能；測點設置實現了對監測點對應的支架以及支架接線次序進行設置，同時對支架信息進行添加、修改和刪除的功能；系統初始化是對系統的所有信息進行初始化。

2.2數據監測模塊

數據監測模塊主要是用來進行數據采集的。傳感器將井下的礦山壓力數據采集以后通過光纖將數據傳送到一個通訊分站中。計算機通過USB接口和通訊分站相連，系統中的數據監測模塊通過調用SerialPort類，采用RS232通信協議將數據從通訊分站中解析出來，存入數據庫中完成數據采集的工作。數據采集模塊的工作原理如圖2所示。

2.3數據查詢模塊

數據查詢模塊下的單點阻力查詢可以用來查詢單點阻力曲線；單架阻力查詢可以用來查詢單架阻力曲線；平均阻力查詢可以用來查詢一個工作面內所有支架的平均阻力曲線；測點監測數據查詢可以某個測點支架的原始數據。

2.4數據分析模塊

數據分析模塊下的提取進尺是用戶根據查詢條件選擇工作面內的進尺類型；計算循環是用戶根據限定值和最小閾值在原始數據里求出循環；計算初撐力和循環末阻力是根據進尺和循環求出初撐力和末阻力；計算來壓步距是根據循環末阻力和限定值求出顯著步距和穩定步距；導出報表是根據計算結果導出相應的報表。

2.5用戶設置模塊

用戶設置模塊主要是包括用戶管理和修改密碼，在這一模塊中用戶可以根據提示修改個人信息，系統管理員用戶可以在這一模塊中添加普通用戶并為其設置相應的權限。

3系統實現

3.1系統的技術架構

系統主要使用C#語言進行開發，數據庫為SQL Server2008，采用MVC三層架構的設計模式搭建該項目的一個完整開發環境。系統分為表示層（UI）即View，業務邏輯層（BLL）即Controller，數據訪問層（DAL）即Model的三個層次來實現程序 “高內聚，低耦合”，MVC的框架如圖3所示。

3.2系統的體系結構

系統采取的是客戶機和服務器結構，即Client/Server體系結構。C/S結構的優點是能充分發揮客戶端PC的處理能力，很多工作可以在客戶端處理后再提交給服務器。對應的優點就是客戶端響應速度快。本系統的物理結構主要有系統設置模塊、數據通訊模塊、數據分析模塊、數據查詢模塊、更改外觀和用戶設置模塊構成，系統的物理部署由客戶端以及數據庫服務器SQL Server2008組成。

3.3 系統數據庫結構

本系統共有11個表，存儲的數據主要有煤礦基本信息、工作面基本信息、進尺和產量統計信息、支架壓力傳感器信息、初撐力和末阻力信息、步距信息等各種信息。系統開發的數據接口是ADO.NET，ADO.NET數據提供者對象接口實現了通用數據訪問類，在訪問數據庫時可以統一調用通用的數據庫訪問接口，使應用程序能夠高效、快捷和安全訪問數據庫，從而提高代碼的重用性、通用性、靈活性和擴展性。

4結束語

目前為止，安全生產一直是困擾煤炭企業長期生存發展的重要問題，本文結合已有的礦壓監測設備和礦壓理論研究成果，設計的礦壓數據監測與分析平臺，解決了礦壓規律預測與分析的問題。

本文取得的最主要成果有：

1）本文提出了把 C/S的模式應用于煤礦壓力的監測和數據分析的信息管理中，提高了安全監察管理的效率和數據處理的準確性。

2） 礦山壓力監測與數據處理分析系統支持多種原始數據的計算，最大限度的保持數據的有效性。

3）系統采用可視化的設計理念，能夠將原始的壓力曲線實時的顯示在界面上，用戶可以更直觀的看出礦壓壓力的變化規律。同時外放計算參數，用戶可以根據實際需求改變參數來改變計算結果，最大程度上提高計算結果的準確性和實用性。

參考文獻：

[1] 錢鳴高，劉聽成.礦山壓力及其控制（修訂本）[M].北京：煤炭工業出版社，1992.

[2] 周鑫龍，楊令杰.礦山地壓及其監測和控制研究[J].礦業工程，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] 劉慧. 基于C/S 與B/S的煤礦安全監察信息管理系統[D].西安：西安科技大學碩士論文，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