摘要：现有煤矿灾害监测、巷道掘进巷道中有一些缺点巷道表面位移和深层位移和螺栓应力监测主要是收集的人工测量,如工作量大、效率低,缺乏一个系统的、有针对性的研究,加上一些地方开采条件的特殊性,特别是正面,传感器布线困难,使巷道围岩稳定性不能得到有效的监测和分析。因此，迫切需要开发一种施工快速简单、布线快速、预警精度高的无线监测预警系统，实现对掘进巷道稳定性和安全性的实时监测预警预报。
关键词：煤矿掘进巷道；围岩压力监测；无线传感器；
在煤矿开采作业中，针对煤矿掘进工作面围岩压力的检测技术一直存在有很多的不足。如何实现对围岩压力的有效检测，继而提高煤矿作业的预警能力，这些都是新时代背景下煤矿开采作业的发展前提。通过无线传感技术的应用，进行一款煤矿掘进巷道围岩压力在线监测预警系统的设计，以此为基础，首先就系统的组成予以分析，而后就系统软件的设计问题展开探析。
一、系统组成与通信模式
1.系统组成。煤矿掘进巷道围岩压力在线检测预警系统可主要分为井上与井下两个部分。主要设备组成有监测主机、检测软件、数据服务器、数据传输接口、应力感应无线网关以及顶板离层传感器和声发射传感器等。本系统以井下工以太网为基础，以CAN总线多主通信方式加以联络。传感器一方面可以与CA总线衔接，另一方面也可以挂接在监测分站上，这种布线方式更为灵活，且节点设置更加的智能。不仅如此，该系统还能够与煤矿的其他管理部门网络实现互联互通，使得信息的传递工作更为高效便捷。
2.系统通信模式。为了提高总线数据的传输效率、缩短异地断电的时间，同时提高组网的灵活性及系统的可靠性，本系统采用了CAN总线多主通信方式。通过消息优先级的合理安排，就报文标志符ID进行设置。使得CAN总线能够实现多主通信的最终目标。而“载波监控、多主掌控”通信模式的应用也可以保证多个节点在共同访问总线时能够产生竞争机制，继而提高整体的效率。检测分站与数据传输接口通信速率为5kbit/s，最大传输距离为2km。当传感器输出以无线传输的方式进行时，发射信号的中心频率为2.4-2.483GHz。而无线网关与传感器无障碍通信距离更是可高达200m。
二、系统工作原理及相关技术
1.系统工作原理。（1）系统以计算机网络为基础，可以与井下CAN总线通讯电缆、通信光缆、工业以太环网进行数据交换，系统监测分站容量为32台，分站带载最大传感器数量36台，可以实时无线采集巷道掘进迎头顶板离层、声发射、顶板应力等参数数据，并保存到监控中心数据库中，通过上位机进行实时显示并预警。（2）系统具有较好的延展性，可以选择监测顶板离层、声发射或锚杆（索）应力传感器的一种或多种，还可以接入符合通讯协议的其它类型的传感器，例如支架压力、超前应力等，从而满足煤矿用户的多种需求。（3）顶板监测分站实时采集矿井环境参数，如顶板位移、锚杆、锚索应力等。当通讯中断时，分站可以独立工作。当交流电断电时，分站可以持续工作2 h以上，并且保存相应数据，有声光报警功能。（4）无线网关是系统中的信号转换设备，采用目前流行的ZigBee技术将井下无线传感器监测的各种数据信息通过网关接入井下监控分站，使井下无线传感器监测的各种数据信息能够实时地上传到井上监控中心，为井上、井下信息的交换提供一个数据透明传输的平台。（5）无线传感器集成了数据路由功能，实现了传感器无线自组网通信，有效降低了传感器布线及安装的难度，即无线网关可以根据无线传感器的安装位置，动态生成新的数据传输网络拓扑线路，传感器可以与之最近的传感器进行无线自动组网并进行数据通信，如图1所示，6号传感器的数据及ID被5号接收后，发送到4号传感器，依此类推，最终1号传感器将2号至6号传感器的数据及ID按照规定的次序经过无线网关发送到监测分站，最终上传至上位机。
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图1传感器无线自组网动态结构
2.传感器无线自组网技术的实现。无线自组网的核心是路由算法，传统路由算法有Cluster-Tree和AODV算法2种，通过在两者的研究基础之上，结合其优点设计了ZBR路由算法，既具有AODV算法的路由寻优的能力，又具有Cluster-Tree算法的无初始延迟的优点，从而显著提高了网络路由的性能。这种方式不但能提高传感器网络的可扩展性，而且可以有效减小传感器的能量消耗，延长待机时间。工作正常时，节点4无法连接到无线网关，则与最近的节点3进行数据通信，当节点3发生故障，节点4重新组网，与节点2进行数据通信，无线网络结构发生了重组，生成了新的通讯拓扑网。
三、系统软件设计
1.系统软件功能组成。系统监测主机软件基于．Net3．5平台开发，采用B/S和C/S相结合的方式。(1)系统信息设置模块。该模块包括掘进巷道编号、断面形状、支护形式、巷道净宽、巷道净高、应力测线数、位移测线数等，以及监测主机、监测分站和传感器的地址编号、类型、位置、测线编号等。该模块可设定单个传感器报警限值及多参量综合预警流程。(2)数据采集存储模块。该模块基于VC开发，通过传输接口向井下监测分站发送命令，使用I/O完成端口模型对数据服务线程进行管理，提高了数据并发处理能力。采集的数据报文经过校验和解析，采用变值变态算法保存到数据库中，可减少50%以上的数据存储空间。(3)数据双机热备份模块。为了保证数据的安全，采用基于纯软件的双机热备份系统，如图2所示。
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图2数据双机热备份架构
A，B两机通过socket接口通信，采用心跳包状态交换技术实现A，B机的切换。当A机处于工作状态时，A机与井下监测分站通信，B机处于休眠状态，A机将接收到的数据保存到本地的同时，定时向B机发送一份数据，B机将该数据保存到本地数据库，实现A，B机数据动态一致。当A机发生故障时，B机自动唤醒并接管通信工作，保证系统正常运行。(4)实时数据显示模块。不同掘进工作面的传感器数据可通过曲线图、柱状图和列表等方式进行动态显示，并通过颜色的变化显示通信状态和报警级别。(5)历史数据显示及报表显示打印模块。该模块可通过曲线图、列表方式进行原始数据、日报表、月报表、报警统计、自定义等各种类型报表的查询及打印。(6)数据分析预警模块。为了对采集数据的准确性进行判断，采用均方差分析方法将复杂的原始数据进一步处理后，得出巷道顶板受力连续曲线。例如当顶板应力高于平均值且小于1倍均方差时为受力较高，高于2倍均方差时定义为异常数据。采用直方图分析法进行巷道应力分析，绘制某时间段内顶板应力－时间百分比柱状图，作为评估巷道支护质量的依据。
2.多参量综合预警模型。巷道围岩状态监测主要包括巷道围岩位移、锚杆(索)应力、声发射信号等，传统的预警方式为每一个监测参量设定预警阈值上下限，当监测值达到该限值时发出声光报警。该方法很难解决系统误报、漏报等问题。为了最大限度地提高报警的准确性，需要对报警数据进行多个参量的关联分析。当巷道受力发生变化时，往往是所监测的多个参量同时发生变化的过程，例如当巷道顶板来压增大时，顶板应力会相应增加，巷道发生变形。随着煤岩受到挤压破裂，会探测到相应的声发射信号等，而巷道的变形和围岩的破裂又会释放掉一部分聚集的能量。系统软件采用监测值的增量或增速来分析判断异常情况的发生，监测值的增量或增速视煤矿实际情况及经验而定。通过3个参数的综合增量变化，按照预设的判断流程来确定是否发出预警。
结束语：
总之，该系统采用无线自组网的数据传输结构，延长了无线传感器的通信距离，降低了传感器的电能损耗，解决了巷道掘进工作面传感器安装、布线困难等难题。该系统多参量综合预警模型的应用有效减少了预警的误报、漏报，提高了系统的准确性和可靠性。
参考文献：
［1］张大发．探讨煤矿掘进巷道围岩压力在线监测预警系统．2018．
［2］李良，浅谈煤矿掘进巷道围岩压力在线监测预警系统.2019.