工作面注浆及漏浆远距离系统研究

摘要：本文对工作面注浆及漏浆远距离监测系统进行研究，给出了监测系统机构框图，并对泥浆流量计和泥浆密度计测量原理作较详细的推算，给出了系统的部分软件框图。
1、引言
利用注浆站向井下注浆历来是煤矿企业的一个重要生产环节，在矿井防灭火工作越亦受到到重视的今天，生产矿井对注浆量的多少及注浆浓度决定的注浆土(灰)量很为关注，尤其在发火趋势明显和发生火灾时更为重要，其注浆质量的好坏关系到井下火灾处理的进展与结果，直接影响煤矿的安全生产。
但是，在注浆过程中，有时会出现偏、跑浆情况。一般情况下偏浆、跑浆问题靠工人巡视注浆管线来检查，工人劳动强度很大，发现漏浆、跑浆时也很难及时通知井上的注浆站，至于井下的偏浆、跑浆更不易被发现。为此，研究对注浆过程进行实时监测，对注浆流量、注浆土量作准确、科学计量的系统是非常必要的。
2、注浆及漏浆远距离监剥系统设计思想
根据对注浆监测参数的要求，设计了一套注浆远距离监测系统。系统采用设在现场的单片机作为下位机，设在通风机房的Pc计算机作上位机。下位机数据可以传到上位机。整个系统总体结构框图如图1所示。

在系统中，井上泥浆流量计用于测量注浆站输出的注浆流量，再配合核辐射密度计将注浆浓度检测出来。两者乘积便能反映注浆土方数量。为监测注浆管路是否有偏浆发生，在靠近工作面注浆管路上安装了一个泥浆流量计，通过比较地面注浆流量与井下注浆流量，便能反映是否有漏浆发生。
注浆流量计与密度计输出的信号为4-20mA电流信号，将其转换成电压信号，然后再输入A／D转换电路(井上通过多路开关)转换成数字信号，该信号通过单片机处理后经串行VI发送至上位机。上位Pc机接收到下位机的流量、密度信息后，根据要求对数据进行处理，并实现显示、打印、存储、报警等功能。
3、系统的硬件设计
系统硬件主要包括泥浆流量计、桉辐射密度计和单片机测量系统。
(1)LD泥浆流量计的测量原理
LD泥浆流量计由LDF一101系列电磁流量传感器和LDZ一4B型电磁流量转换器两部分组成。
LDF一101系列电磁流量传感器根据法拉第电磁感应原理做成，它与转换器配套使用，用来测量各种导电液体或固、液两相悬浮液的体积流量。
当导电液体沿测量管在交变磁场中作与磁力线垂直方向运动时，导电液体切割磁力线产生感应电势，此感应电势通过测量管壁上的一对电极测出。
若感应电势为E，则有：
E=KBVD
式中：B一磁感应强度，Wb/cm²；
D一电极间距离，仅似于测量管内径相等，cm；
V一测量管内被测流体在横截面上的平均流速，m/s；
K一与磁场分布及轴向长度有关的系数；
由此可推得瞬时流量Q与流量V的关系为：

式中：A一测量管横截面积；

K一仪表常数。

当仪表常数K确定后，感应电势与流量Q成正比，该流量信号输入LDZ一4B型电磁流量转换器，经放大，变换成与流量成正比的直流信号4~20mA。

LDZ一4B型电磁流量转换器与LD—F1叭型的电磁流量传感器配套使用，将来自传感器的低电平毫伏信号转换成与流量成正比例的4-20mADC统一的标准信号输出，供显示、记录、调节控制和流量计算等使用。

(2)NMF一216型核辐射密度计测量原理

泥浆的浓度和密度在某种意义上说也是同一个概念，设泥浆混合液的浓度为Cv(体积百分比)，混合液的密度为p，干泥的密度为p，水的密度为ρv，泥浆混合液的体积为V。

泥浆混合液的质量百分比浓度为：

因此通过测量泥浆混合液的密度也可推算出泥浆的浓度值(Ps、ρv均已知)。

NMF一216型核辐射密度计能对被测介质(固态或液态)的密度进行非接触式测量，尤其能在环境比较恶劣的条件下工作。

放射性同位素产生的γ射线具有穿透物质的能力，对于一束准直的γ射线，在穿过管径为d，密度为ρ的被测介质后，人射到γ射线探测器上的射线强度I与ρ=0时射线强度Io之间成指数关系：

式中：μm一质量密度吸收系数，cm²/g；

ρ一介质密度，g/cm³；

d一管道内径。

由此可推得：

通过测量射线强弱变化，即可知道介质密度大小，将放射源和射线探测器分别安装在被测管道两测，用计算机处理射线探测器的输出信号，就可显示出被测介质的密度或浓度。

核辐射放射源产生的射线在穿过被测介质后，照射到闪烁计数器上，介质密度越高，照射到闪烁计数器上的射线强度越弱，反之亦然 闪烁计数器将射线的强度成正比的转换成电脉冲计数率，经闪烁探头的前置放大器，幅度甑别器、分频器、射级输出器，输出幅度恒定的电脉冲信号，送CPU板测量计数。CPU板上的单片机对测得的计数频率进行处理，得到被测介质的密度和浓度，一方面送显示板显示，另一方面送电流输出板得到4~20mA的电流输出。

(3)单片机智能监测系统该部分由8031单片机、地址锁存器7415373、EPROM2732、E²PROM2816、并行接口8l55、地址译码器74LS138组成，如图2所示：

8031是片内无ROM的单片机，系统配置一片2732（4K）作程序存储器，同时还扩展一片E²PROM2816(2K)作数据存储器，该芯片是电可擦除可编程的半导体存储器，掉电后存储的信息不会丢失，用它来存储注浆原始记录。为读取A/D转换结果及作打印机接口，系统扩展一片8155芯片，它含有256ByteRAM，2个8位 、一个6位的可编程并行1/0和1个l4位定时器/计数器。

4、系统的软件设计

系统的软件部分包括单片机测试程序、PC机通讯程序、PC机数据库管理程序。受篇幅限制，这里仅给出数据库管理的程序结构框图，其结构框图如图3所示。该部分程序用FoxPro2.5 for Windows编写，按系统共要求设置三层菜单界面。

5、结语

整套装置试运行表明，该系统具有操作简便，测试精度高，实时性好，显示直观，测试数据资料齐备等优点，很受用户欢迎。此外，整套装置还具有较高的性能价格比，具有推广应用价值。