牛云鵬

(神華新街能源有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯　017200)

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盾構(gòu)施工長(zhǎng)距離斜井?dāng)?shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

牛云鵬

(神華新街能源有限責(zé)任公司， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017200)

以新街臺(tái)格廟礦區(qū)長(zhǎng)距離斜井工程為背景，從設(shè)計(jì)原則、功能設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案等方面介紹了盾構(gòu)施工長(zhǎng)距離斜井?dāng)?shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)、盾構(gòu)施工過(guò)程、深部斜井復(fù)雜場(chǎng)體形態(tài)、拼裝式管片結(jié)構(gòu)力學(xué)形態(tài)等的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

長(zhǎng)距離斜井； 盾構(gòu)施工； 遠(yuǎn)程監(jiān)控

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1034.019.html

0　引言

新街臺(tái)格廟礦區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市境內(nèi)，礦區(qū)井田面積約738 km2，已探明煤炭資源儲(chǔ)量約142億t，是神東礦區(qū)周邊尚未開發(fā)的大型整裝煤田[1]。該礦區(qū)煤層賦存較深，可采煤層最淺埋深為650 m，采用斜井運(yùn)輸方式。傳統(tǒng)的斜井建設(shè)技術(shù)制約了礦井安全與快速建設(shè)，需要尋求更安全、高效的建井技術(shù)。盾構(gòu)是集機(jī)械、電氣、液壓、測(cè)量、控制等多學(xué)科技術(shù)于一體[2]，專用于地下隧道開挖的技術(shù)密集型重大工程裝備。與傳統(tǒng)的施工方法相比，盾構(gòu)法具有施工安全、快速、工程質(zhì)量高、地面擾動(dòng)小、勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，能夠保障施工安全，并顯著縮短斜井施工工期。因此，新街臺(tái)格廟礦區(qū)采用盾構(gòu)法施工長(zhǎng)距離斜井，斜井長(zhǎng)約6 550 m，坡度為6°。本文主要研究盾構(gòu)施工煤礦長(zhǎng)距離斜井?dāng)?shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，主要包括對(duì)盾構(gòu)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)、盾構(gòu)施工過(guò)程、深部斜井復(fù)雜場(chǎng)體形態(tài)、拼裝式管片結(jié)構(gòu)力學(xué)形態(tài)等的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并形成一套以盾構(gòu)-場(chǎng)體-結(jié)構(gòu)綜合監(jiān)測(cè)體系為代表的盾構(gòu)施工煤礦長(zhǎng)距離斜井?dāng)?shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

盾構(gòu)施工煤礦長(zhǎng)距離斜井?dāng)?shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)以及時(shí)、全面、準(zhǔn)確地掌握盾構(gòu)工作面前方實(shí)時(shí)情況、盾構(gòu)施工參數(shù)、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況及綜合處理地面、地下信息為目的，達(dá)到統(tǒng)一監(jiān)控、集中管理的功能，具有可靠性、開放性、先進(jìn)性、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵守以下原則：

(1) 系統(tǒng)通常工作于較惡劣環(huán)境中，各種干擾會(huì)對(duì)系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生影響，因此將系統(tǒng)可靠性放在第一位，以保證施工安全、可靠和穩(wěn)定進(jìn)行。采用高質(zhì)量的電源、線纜，以及各種抗干擾措施、多種冗余工作方式等，以確保整個(gè)系統(tǒng)的高可靠性。

(2) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做到以人為本，人機(jī)界面友好，方便操作、運(yùn)行，易于維護(hù)。系統(tǒng)硬件盡可能按模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件開發(fā)應(yīng)方便調(diào)整，在施工過(guò)程中確保硬、軟件運(yùn)行順暢[3]。

(3) 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)分層次、分功能、分系統(tǒng)，完成統(tǒng)一監(jiān)控、操作、通信、維護(hù)等，構(gòu)成一個(gè)多系統(tǒng)的集成，具體包括數(shù)據(jù)采集、傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)發(fā)布、數(shù)據(jù)維護(hù)等子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)與主系統(tǒng)間功能明確，且保持相對(duì)獨(dú)立。各子系統(tǒng)均有自診斷功能，以及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)異常和故障，并迅速報(bào)警。

(4) 系統(tǒng)須具有良好的開放性，應(yīng)盡可能采用通用軟件和硬件。

(5) 系統(tǒng)能夠?qū)Χ軜?gòu)機(jī)上相關(guān)設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，可直接顯示施工狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息化施工。

(6) 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)與指揮中心等相關(guān)部門的遠(yuǎn)程通信，正確、及時(shí)、有效地傳輸盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)的相關(guān)施工信息，創(chuàng)建相應(yīng)的管理系統(tǒng)，并將施工數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上，做到施工信息共享，提高施工效率。

2　系統(tǒng)功能

盾構(gòu)施工煤礦長(zhǎng)距離斜井?dāng)?shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能主要包括盾構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸入與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)報(bào)表生成和數(shù)據(jù)網(wǎng)上發(fā)布。

(1) 盾構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、圍巖結(jié)構(gòu)參數(shù)、盾構(gòu)后配套設(shè)備狀態(tài)和施工環(huán)境數(shù)據(jù)采集。盾構(gòu)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要為盾構(gòu)施工參數(shù)，包括監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置、電源狀態(tài)、刀盤掘進(jìn)參數(shù)、螺旋出土器/帶式輸送機(jī)參數(shù)、推進(jìn)油缸參數(shù)、材料消耗參數(shù)、盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)、施工現(xiàn)場(chǎng)視頻及施工進(jìn)度等[4]，通過(guò)組態(tài)軟件將這些數(shù)據(jù)從盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控PLC上采集。圍巖結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括傳感器布置、水土壓力及管片內(nèi)力，通過(guò)自動(dòng)采集儀實(shí)時(shí)采集。盾構(gòu)后配套設(shè)備狀態(tài)主要指帶式輸送機(jī)、管片運(yùn)輸膠輪車的監(jiān)控、井下通信及人員/車輛定位信息。施工環(huán)境參數(shù)指不良?xì)怏w濃度和地下水位數(shù)據(jù)。

(2) 數(shù)據(jù)輸入與存儲(chǔ)。主要是將盾構(gòu)機(jī)自帶傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)、前方探測(cè)雷達(dá)探測(cè)的數(shù)據(jù)及預(yù)設(shè)傳感器采集數(shù)據(jù)輸入盾構(gòu)監(jiān)控室實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中并保存下來(lái)。

(3) 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。將盾構(gòu)機(jī)及圍巖采集數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控室實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

(4) 數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控室數(shù)據(jù)通過(guò)公用信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器上，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)匯總后進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

(5) 數(shù)據(jù)報(bào)表生成。系統(tǒng)提供相應(yīng)的報(bào)表模板，用戶在電腦瀏覽時(shí)，可生成和打印Word或Excel格式的報(bào)表，滿足辦公需求。

(6) 數(shù)據(jù)網(wǎng)上發(fā)布。利用Web的形式將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)辦公。

3　場(chǎng)體-結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施方案

3.1總體布置方案

根據(jù)施工要求，6 550 m斜井共有10個(gè)測(cè)試斷面，斷面整體按照斜井里程均勻布置，即間隔600 m布置1個(gè)，在特殊復(fù)雜地質(zhì)條件或結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜區(qū)段，可根據(jù)情況適當(dāng)微調(diào)測(cè)試斷面位置。斜井測(cè)試斷面布置情況如圖1所示。

圖1　現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)斷面布置

每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試斷面上布設(shè)有土壓力計(jì)、孔隙水壓力計(jì)、混凝土應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)和溫度傳感器等[5]，如圖2所示。

3.2傳感器型號(hào)及數(shù)量

每個(gè)測(cè)試斷面布置的傳感器見表1。圍巖壓力測(cè)試儀采用振弦式土壓力計(jì)，量程為30 MPa；孔隙水壓測(cè)試儀采用振弦式孔隙水壓力計(jì)，量程為10 MPa；管片的內(nèi)力測(cè)試儀采用振弦式混凝土應(yīng)變計(jì)，量程為40 MPa；圍巖溫度測(cè)試儀采用差阻式溫度傳感器，量程為-50～350 ℃。

圖2　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試測(cè)點(diǎn)布置示意

表1　各測(cè)試斷面元器件布設(shè)

對(duì)傳感器的要求：所有傳感器內(nèi)置智能芯片，具有智能記憶功能；每個(gè)傳感器的線纜長(zhǎng)度為10 m；每種傳感器需要一定的富余量，防止傳感器因各種原因損壞導(dǎo)致無(wú)法測(cè)試。

3.3傳感器埋設(shè)工藝

將傳感器運(yùn)往場(chǎng)地前，對(duì)傳感器逐個(gè)檢驗(yàn)和編號(hào)，記錄自編號(hào)與出場(chǎng)編號(hào)的對(duì)照表，并通過(guò)出場(chǎng)編號(hào)找出標(biāo)定參數(shù)表，用于后期處理數(shù)據(jù)時(shí)查詢。

土壓力計(jì)、孔隙水壓力計(jì)、鋼筋計(jì)和混凝土應(yīng)變計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)澆注管片混凝土前預(yù)先固定在鋼筋上。傳感器位置固定后，測(cè)試專用電纜全部導(dǎo)入專用走線孔，處理完相應(yīng)防水后進(jìn)行盾構(gòu)隧道管片混凝土澆注。

3.4測(cè)試數(shù)據(jù)采集與傳輸

斜井盾構(gòu)施工與狀態(tài)參數(shù)、結(jié)構(gòu)安全與健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)通過(guò)光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。盾構(gòu)施工與狀態(tài)參數(shù)通過(guò)系統(tǒng)傳感器采集，結(jié)構(gòu)安全與健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)參數(shù)等由數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集儀留有數(shù)據(jù)接口，可與光纖數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，之后進(jìn)行光纖遠(yuǎn)程傳輸。

3.5監(jiān)控畫面查看

神華新街能源公司和神華集團(tuán)總部各自布設(shè)服務(wù)器和工作站，其他地點(diǎn)運(yùn)行系統(tǒng)監(jiān)控軟件，通過(guò)工作站軟件查看監(jiān)控畫面。數(shù)據(jù)采用Internet進(jìn)行接入。

從2個(gè)斜井井口到施工單位的傳輸光纜分別布設(shè)。視頻服務(wù)器、工作站、監(jiān)視器和其他相關(guān)監(jiān)控軟硬件均布置在中控室/監(jiān)控中心。

4　結(jié)語(yǔ)

以國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)首條盾構(gòu)法施工斜井——神華新街臺(tái)格廟礦區(qū)長(zhǎng)距離斜井工程為背景，介紹了盾構(gòu)施工煤礦長(zhǎng)距離斜井?dāng)?shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建。2014年6月，隨著神華新街臺(tái)格廟礦區(qū)2條斜井的盾構(gòu)及后配套設(shè)備安裝到位，盾構(gòu)施工煤礦長(zhǎng)距離斜井?dāng)?shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)建成并投運(yùn)。在地面監(jiān)控室內(nèi)，可對(duì)設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)可根據(jù)需要在神華新街能源公司、神華集團(tuán)等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。在以后的盾構(gòu)斜井掘進(jìn)施工中，該系統(tǒng)將在減人提效、安全保障、設(shè)備維護(hù)等方面發(fā)揮應(yīng)有作用。

[1]謝松巖.新街臺(tái)格廟礦區(qū)總體規(guī)劃設(shè)計(jì)主要特色成果研究[J].煤炭工程,2014,46(1):9-11.

[2]沈立新.盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù),2010(8):34-38.

[3]韓建國(guó),楊漢宏,王繼生,等.神華集團(tuán)數(shù)字礦山建設(shè)研究[J].工礦自動(dòng)化,2012,38(3):11-14.

[4]管會(huì)生,張瑀,楊延棟.新街臺(tái)格廟礦區(qū)斜井隧道雙模式盾構(gòu)關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)配置研究[J].隧道建設(shè),2015(4):377-381.

[5]何春,張栲,周誠(chéng).地鐵盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)應(yīng)力可視化監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2014,31(11):104-110.

Digital remote monitoring system for long inclined shaft constructed by shield method

NIU Yunpeng

(Shenhua Xinjie Energy Co., Ltd., Ordos 017200, China)

A digital remote monitoring system for long inclined shaft constructed by shield method was introduced from aspects of design principle, function and field application scheme taking long inclined shaft project of Xinjie Taigemiao coal mine as an example. The system can realize remote monitoring of running state and parameter of shield devices, shield construction process, complex field morphology of deep inclined shaft, mechanical form of assembling type pipe structure, etc.

long inclined shaft; shield construction; remote monitoring

1671-251X(2016)06-0080-03

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.020

2016-03-20；

2016-05-03；責(zé)任編輯：李明。

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013BAB10B00)。

牛云鵬(1973-)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事煤礦機(jī)電技術(shù)與設(shè)備、科技創(chuàng)新、信息化建設(shè)、節(jié)能等管理工作，E-mail:niuyunpeng@sina.com。

TD67

B網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-06-01 10:34

牛云鵬.盾構(gòu)施工長(zhǎng)距離斜井?dāng)?shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(6)：80-82.