矿用应力监测系统研究与实现

论文摘要

近年来我国煤矿事故频繁发生,造成重大经济损失和人员伤亡。在诸多影响采矿工程稳定性的因素中,地应力是最重要和最根本的因素之一。目前,我国大多数的煤矿应力监测系统都是从国外引进,成本昂贵。因此,矿用应力监测系统的研究是煤矿企业的迫切需要,对其安全生产具有重大意义。根据煤炭企业的实际需求,在对地应力测量原理和方法学习的基础上,提出了系统的功能需求和技术指标。系统采用了“工控机/单片机”的模式,提高了系统的可靠性和可扩展性。经过对市场上主流单片机的比较,应力传感器采用了MSP430单片机的硬件结构,完成了信号放大电路的设计、A/D转换电路的设计、电源模块的设计、电子罗盘模块的设计、存储器模块和通信模块的设计,完成了系统软件部分的设计、开发和测试。在传感器中加入了磁阻传感器,通过测量磁场值计算出传感器的方位角,使传感器安装方便、提高了传感器的测量精度。主站和分站通过RS-485总线进行通信,可以对矿井中多点的次生应力进行实时的监测,为井下工程设计、稳定性分析、巷道合理布局和锚杆支护设计提供了科学的依据,对煤矿的安全生产提供着可靠的数据资料。通过实验测试,应力传感器的稳定性较好,其最大量程可以达到15Mpa,测量误差小于0.03Mpa,电子罗盘的误差在±3°以内。目前,应力监测系统已在安徽刘桥一矿的II662巷道得到了实际的应用,经过两个月的运行,系统运行稳定,抗干扰性较好,所测应力值与矿区的资料基本一致,为II662工作面的开采和地下水防治提供了数据上的有利支持。现场运行结果表明,系统达到了预期的设计目标和技术指标,完全满足煤矿安全生产的需求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 应力监测系统研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 研究的主要内容
• 2 系统测量理论
• 2.1 地应力测量原理
• 2.1.1 煤矿开采中的地应力
• 2.1.2 应力值计算方法
• 2.2 电子罗盘测量原理
• 2.2.1 磁阻效应
• 2.2.2 电子罗盘原理
• 3 系统总体设计
• 3.1 系统需求分析
• 3.2 系统设计原则
• 3.3 系统功能设计
• 3.3.1 监测主站功能
• 3.3.2 监测分站功能
• 3.4 应力监测系统的组成
• 3.5 系统技术指标
• 4 系统硬件电路设计及实现
• 4.1 单片机选型
• 4.2 系统硬件电路设计
• 4.2.1 单片机外围模块
• 4.2.2 系统电源模块
• 4.2.3 硬件看门狗模块
• 4.2.4 RS-485 通信模块
• 4.2.5 放大电路模块
• 4.2.6 A/D 转换电路模块
• 4.2.7 存储器模块
• 4.3 电子罗盘的设计
• 4.3.1 磁阻芯片选型
• 4.3.2 电源电路设计
• 4.3.3 置位/复位电路设计
• 4.3.4 放大电路和A/D 转换电路设计
• 4.4 抗干扰措施
• 5 系统软件设计与实现
• 5.1 分站软件设计与实现
• 5.1.1 开发环境简介
• 5.1.2 主程序设计
• 5.1.3 初始化模块子程序
• 5.1.4 数据采集子程序
• 5.2 主站软件设计与实现
• 5.2.1 系统结构图
• 5.2.2 系统模块图
• 5.2.3 开发环境
• 5.2.4 数据库设计
• 5.2.5 主站软件的实现
• 5.3 通信协议的设计
• 6 系统的调试和应用
• 6.1 应力传感器调试和标定
• 6.1.1 调试工具
• 6.1.2 调试步骤
• 6.1.3 传感器标定
• 6.2 传感器测试和误差分析
• 6.2.1 密封性测试
• 6.2.2 集成测试
• 6.2.3 误差分析
• 6.3 系统在刘桥一矿中的应用
• 6.3.1 工作面概况
• 6.3.2 次生应力监测目的
• 6.3.3 钻孔要求和传感器安装过程
• 6.3.4 系统监测结果
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录