煤矿井下注浆在线监测与注浆质量智能评价方法和系统

本发明涉及煤矿围岩控制与灾害防治领域，特指一种关于煤矿井下注浆在线监测与注浆质量智能评价方法和系统。

背景技术：

实施煤矿井下设备与工程在线监测，是推进智能化井工煤矿建设的主要任务和目标，也是保障煤炭生产安全高效的重要基础。目前，国内外煤矿已经发展起来的在线监测系统主要包括：巷道锚杆、锚索受力在线监测系统、巷道顶板离层在线监测系统、巷道围岩应力在线监测系统、沿空留巷充填体应力监测系统、煤矿温度监测系统、综采工作面液压支架工作阻力在线监测系统、综采工作面超前支承压力在线监测系统、采空区自燃分布式测温在线监测系统、矿井水害在线监测系统、机电设备健康状态在线监测系统以及高压电气线路全程温度在线监测系统等。但是，现有的这些煤矿在线监测系统中尚未有涉及煤矿井下注浆过程监测的系统与注浆质量评价方法。

注浆加固是维护软岩巷道围岩稳定的一种有效方式，它通过利用注浆材料增强支护结构与围岩之间强耦合作用以及改变围岩的性质提高围岩的强度和自承能力，来达到保持巷道围岩稳定的目的。但是在实际井下巷道注浆加固工程中，巷道中注浆锚杆、锚索数量众多，每根注浆锚杆、锚索都对巷道围岩的支护效果起着至关重要的作用，目前尚无有效方法对每一根注浆锚杆、锚索进行精准有效的检测与管理，注浆时缺乏一种对注浆参数科学高效的智能数字化采集技术，无法跟踪监测每根注浆锚杆或锚索的注浆参数，包括注浆压力、水灰比、注浆量以及科学评估注浆质量与效果。目前煤矿技术人员对巷道注浆质量进行现场检测时，主要依据现场施工人工记录的注浆数据或现场视屏监控，易受虚假虚报数据误导，不能准确客观评价每一根注浆锚杆、锚索的注浆效果，不利于煤矿的安全生产管理。如何实时、准确地获取井下每根注浆锚杆、锚索的注浆数据，并开展科学合理的注浆质量评价，使得管理人员能够随时掌握注浆锚锚杆、锚索现场实时数据变化，及时调整应对策略，对于促进煤矿智能化建设与发展具有十分重要的意义。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种煤矿井下注浆在线监测与注浆质量智能评价方法和系统。

1.一种煤矿井下注浆在线监测与注浆质量智能评价方法，包括以下步骤：

步骤1)井下注浆锚杆信息配置，启动无线移动终端app，通过矿井井下wifi网络，登陆井上注浆信息数据库模块，进入注浆锚杆信息配置子模块，在该模块中，井下注浆施工人员根据实际情况输入巷道名称、注浆锚杆行号、注浆锚杆列号、注浆责任人、监督责任人信息；当配置成功后，这些信息被实时上传并存储至井上注浆信息数据库模块；

步骤2)实时采集注浆数据，注浆过程中实时、动态、高精度地监测记录注浆过程中的浆液流速、注浆压力以及水泥浆液水灰比参数；

步骤3)将井下注浆数据依次无线传输、井下环网光纤传输后，实时、动态的存储至井上注浆信息数据库模块中；

步骤4)对当前井下注浆情况、总体注浆质量，异常注浆信息查询、诊断、评价和统计分析，具体步骤为：

步骤4.1)井下注浆信息数据实时查询子模块通过sql语言从井上注浆信息数据库模块5中实时查询当前井下全部正在实施注浆巷道的所有信息，包括当前注浆巷道名称，当前注浆锚杆编号、注浆责任人与监督责任人和实时注浆过程时序数据，所获得的实时注浆过程时序数据注浆压力、注浆量和浆液水灰比，按照如下关系进行换算得到工程中的注浆参数指标：

a.注浆压力按照最大注浆压力和平均注浆压力两种方式进行处理：

p＝average(pv)ormax(pv)

式中：pv为瞬时注浆压力，p为工程中注浆压力指标；

b.浆液水灰比n按照最小值进行处理：

n＝max(nv)

式中：nv为瞬时浆液水灰比，n为工程中浆液水灰比指标；

c.注浆量q需要根据获得的浆液瞬时流速进行积分计算：

式中：qv为瞬时浆液流速，t1为注浆开始时间，t2为注浆结束时间，q为工程中累计注浆量；

步骤4.2)根据矿井管理人员输入的注浆时间和巷道名称信息，自动绘制该时间段内的巷道注浆量、注浆压力、水灰比分布的注浆信息区域分布云图，在该注浆信息区域分布云图中，横轴表示注浆锚杆或锚索编号行号，纵轴表示注浆锚杆或锚索编号列号，每个区域代表一根注浆锚杆的位置，每个区域的颜色表示该处注浆锚杆的注浆量、注浆压力以及浆液水灰比的大小，用一种颜色表示最小值，另一种颜色表示最大值；根据该注浆信息区域分布云图从整体上来判断巷道注浆质量；

步骤4.3)异常注浆区域精准诊断，预先设置相关的临界注浆参数阈值，当相关注浆参数超过其阈值时即判断其为异常注浆情况，系统进行自动报警，主要的判别准则如下：

p＞pmax

q＜qmin

n＞nmax

式中：pmax为注浆压力阈值，取5mpa，实际注浆压力大于该阈值时为判断为异常注浆情况；qmin为注浆量阈值，取0.07m³，当实际注浆量小于该阈值时判断为异常注浆情况；nmax为浆液水灰比阈值，取1.0，当实际浆液水灰比大于该阈值时判断为异常注浆情况；

步骤4.4)根据步骤4.3)设定的注浆参数阈值，通过对矿井某个时间段内的全部注浆巷道的注浆参数进行诊断分析，精准定位每一条巷道中的异常注浆锚杆位置；对于异常注浆锚杆，管理人员通过进一步与当时现场注浆责任人、注浆监督责任人沟通了解井下情况，制定进一步开展二次复注方案；

步骤4.5)注浆数据统计子模块提供任意时间段内的全部注浆巷道中每一根注浆锚杆注浆过程中全部数据的查询接口，包括瞬时注浆压力、瞬时浆液流速和瞬时浆液密度，与注浆过程曲线相对应，相关注浆数据能够直接复制；同时，提供按照时间统计或者直接统计的异常注浆数据，包括：注浆锚杆或锚索编号、累计注浆量、注浆压力、浆液密度、注浆责任人、监督责任人、注浆日期时间，精确到每一根锚杆的注浆时间段，自动形成注浆excel报表以及注浆管理台帐，方便矿井进行精准化的注浆管理。

进一步的，所述的注浆信息数据库模块中存储的信息数据结构设计如下：

a.巷道名称：存储施工人员输入的巷道名称，数据类型为字符串，32字节；

b.注浆锚杆或锚索行号：存储当前注浆锚杆行号，数据类型为整数类型，4字节；

c.注浆锚杆或锚索列号：存储当前注浆锚杆列号，数据类型为整数类型，4字节；

d.注浆责任人：存储当前注浆责任人姓名，数据类型为字符串，16字节；

e.注浆监督责任人：存储当前注浆监督人姓名，数据类型为字符串，16字节；

f.注浆监测传感器id：存储注浆传感器id编码，数据类型为字符串，16字节；

g.注浆监测传感器类型：存储注浆传感器类型，数据类型为整数类型，4字节，其中0表示注浆压力传感器；1表示浆液流量传感器；2表示浆液密度传感器；

h.注浆监测传感器数值：存储注浆传感器监测获得的数值，注浆压力单位为mpa，浆液流量单位为m³/h；浆液密度单位为g/cm³，三种数据均精确到0.001，数据类型为浮点数类型，4字节；

i.注浆时间：存储当前注浆过程中传感器监测的时间，数据类型为时间类型，12字节，时间格式为“yy-mm-ddhh:mm:ss”。

一种煤矿井下注浆在线监测与注浆质量智能评价系统，包括井下注浆信息输入输出模块、井下注浆数据监测模块、井下注浆数据无线通信模块、井上注浆信息数据库模块和井上注浆质量智能评价模块，其特征在于，所述的井下注浆信息输入输出模块，包括注浆锚杆信息配置子模块、注浆参数实时显示模块和异常注浆情况报警子模块；所述注浆锚杆信息配置子模块实现注浆基本信息快速、动态输入；所述注浆参数实时显示模块，在注浆过程中实时动态地显示当前注浆压力、浆液流速以及浆液密度参数，便于施工人员准确掌握当前注浆状况信息；所述异常注浆情况报警子模块，在出现注浆压力超限或者浆液密度/水灰比不达标时，实时进行语音提示和振动报警；

所述的井下注浆数据监测模块，安装在注浆泵和锚杆或锚索之间，包括水泥浆液流量监测子模块、注浆压力监测子模块和水泥浆液水灰比监测子模块；所述水泥浆液流量监测子模块实现水泥浆液流量的高精度测量，避免水泥浆液中的大颗粒杂质流进流量传感器导致测量误差或者传感器损毁；所述注浆压力监测子模块实现浆液压力高精度检测，有效避免浆液堵塞测量孔或者腐蚀压力传感器测量膜片；所述水泥浆液水灰比监测子模块实现浆液水灰比的高精度检测，有效避免高速流动的浆液引起的测量误差和对传感器造成的冲击破坏；

所述的井下注浆数据无线通信模块，包括井下注浆数据电流信号转无线数字信号子模块、井下注浆数据无线通信网关子模块和井上注浆数据解析与存储子模块，用于将井下注浆数据依次通过无线传输和有线光纤环网传输后，实时、动态的解析并存储至井上注浆信息数据库模块中；

所述的井上注浆信息数据库模块，用于实时、动态存储井下注浆过程中的海量注浆监测时序数据；

所述的井上注浆质量智能评价模块，包括井下注浆信息数据实时查询子模块、注浆信息区域分布云图、异常注浆区域精准诊断子模块和注浆数据统计子模块；所述的井下注浆信息数据实时查询子模块，矿井主管领导及相关科室管理人员在地面实时查询当前井下全部正在实施注浆巷道的所有过程信息及数据；所述的注浆信息区域分布云图通过一张注浆数据云图全局展示区域内的注浆量、注浆压力、浆液水灰比分布情况，为巷道注浆质量总体评价提供宏观的指导依据；所述的异常注浆区域精准诊断子模块通过预设临界的注浆参数阈值，对矿井某个时间段内的全部注浆巷道的注浆参数进行诊断分析，精准定位每一条巷道中的异常注浆锚杆位置，便于后期开展二次精准复注；所述的注浆数据统计子模块自动统计分析相关的巷道注浆数据，形成excel报表，便于矿井存档管理。

进一步的，所述水泥浆液流量监测子模块，包括井下本安型防爆电磁流量传感器和浆液净化器，所述井下本安型防爆电磁流量传感器的量程、孔径与井下注浆泵及注浆管路匹配；浆液净化器通过两个法兰盘之间加上带有滤网的法兰垫圈组成，滤网孔径1mm，浆液净化器置于电磁流量传感器进口前方；浆液净化器与电磁流量传感器两者之间距离保持在20倍电磁流量传感器直径以上，以保证流量测量精度。

进一步的，所述注浆压力监测子模块包括井下本安型防爆压力变送器和浆液隔离装置；所述井下本安型防爆压力变送器量程为0-10mpa，浆液隔离装置包括厚壁金属圆筒、圆形柔性橡胶垫和金属垫圈；金属垫圈压住圆形柔性橡胶垫，通过螺丝固定在厚壁金属圆筒下方；厚壁金属圆筒中注满优质硅油，厚壁金属圆筒上端车有内丝，与井下本安型防爆压力变送器下端的外丝匹配，工作时，注浆管路中的浆液首先作用在浆液隔离装置的圆形柔性橡胶垫上，然后将注浆压力通过硅油传递给井下本安型防爆压力变送器的测量膜片上，进而有效地阻止浆液直接接触压力传感器膜片，避免传感器被腐蚀破坏和浆液堵塞测量孔，同时满足现场对浆液压力检测精度的要求。

进一步的，所述的水泥浆液水灰比监测子模块，包括井下本安型防爆差压式浆液密度传感器、测量桶和旋转式升降装置，所述井下本安型防爆差压式浆液密度传感器正压端感受液体底端的压力，负压端感受定位器上端的压力；当液体密度发生变化时，其压差也随之正比变化，从而测量出变化的密度值；所述测量桶为一个固定容积圆筒，设置为上部开口底部封闭的结构；在桶侧壁底部设置有1个进浆口，与注浆管道相接；测量桶上部设有1个溢浆孔，当浆液充满测量桶后，浆液从溢浆孔溢出；测量桶下部还设有1个出浆孔，当测量完毕后，通过出浆孔将测量桶中浆液放出，以便下次使用；所述旋转式升降装置包括旋转手柄、圆形齿轮和直线形齿轮条，差压式浆液密度传感器固定在直线形齿轮条上，并垂直置于测量桶中；圆形齿轮与旋转手柄固定在一起，圆形齿轮与直线形齿轮条相互咬合，通过顺时针或逆时针旋转手柄，实现浆液密度传感器在浆液测量桶中上升或下降；在注浆泵开启前，通过旋转式升降装置将压差式密度计提升至一定高度，同时利用锁紧装置锁住传感器防止突然掉落，以防止高速流动的浆液对传感器造成冲击破坏；当浆液充满测量桶后，利用旋转式升降装置缓慢降下浆液密度传感器至密度测量桶底部，完成浆液密度测量。

更进一步的，当测量获得浆液密度后，利用如下公式计算水泥浆液水灰比：

n＝(1/ρg-1/ρc)/(1-1/ρg)

式中：n为浆液水灰比，ρg为浆液密度，ρc为水泥密度。

进一步的，所述的井下电流信号转无线数字信号子模块，包括一个能将标准电流模拟信号4～20ma转换为无线数字信号的单片机芯片，用于将井下注浆数据监模块发出的标准电流模拟信号转换为无线电数字信号发射；井下无线通信网关子模块，包括一个mesh扩频无线通信单片机芯片，用于接受和解析井下电流信号转无线数字信号子模块发送的数据包，将数据发送至井下工业环网光纤；井上数据解析与存储子模块，利用物联网mqtt服务协议，对井下工业环网光纤上传的注浆数据进行解析，并根据传感器的量程按照线性转化关系将电流数据转化为注浆压力、浆液流量和浆液密度的物理数据，最后将注浆数据实时存储至注浆信息数据库模块中。

进一步的，所述的注浆压力、浆液流量、浆液密度的电流数据与物理数据之间转换关系如下：

pv＝(ap-4)/1.6

qv＝(aq-4)/2.0

ρv＝3(aρ-4)/16

式中：ap、aq、aρ分别为注浆压力传感器、电磁流量计和密度计上传的电流数据，ma，pv、qv和ρv为转换后的注浆压力、浆液流量和浆液密度数值，单位分别为mpa、m³/h和g/cm³；注浆压力传感器的量程为0-10mpa、浆液流量传感器的量程为0-8m3/h、浆液密度传感器的量程为0-3g/cm3。

进一步的，本系统还包括井下注浆监测管路模块，所述的井下注浆监测管路模块包括浆液密度检测管路、注浆压力和浆液流量监测管路和传感器清水清洗管路；注浆泵连接有主管路，主管路上安装有第一阀门，主管路连接两个分支管路，其中一路为浆液密度检测管路，该管路按流向顺序设置第二阀门和第三阀门，管路的末端设置浆液收集桶，第二阀门和第三阀门之间安装水泥浆液水灰比监测子模块，测量桶的出浆孔和溢浆孔分别安装有管路，第三阀门安装于与出浆孔连接的管路上；在注浆泵开启前，首先利用旋转式升降装置将密度计提升至一定高度，然后打开第一阀门和第二阀门，关闭第三阀门；接着，开启注浆泵，当浆液从密度测量桶顶部流出后，立即关闭第二阀门；然后，利用旋转式升降装置缓慢降下密度计，完成浆液密度检测；最后，打开第三阀门，放出密度测量桶中的水泥浆液；

所述注浆压力和浆液流量监测管路按流向顺序安装有第四阀门和第五阀门，第四阀门位于第五阀门前端的一个支路上，在第一阀门和第四阀门之间安装有电磁流量传感器和压力变送器；具体工作时，首先打开阀门在和第五阀门、关闭第四阀门，然后开启注浆泵，浆液依次流过电磁流量传感器和压力变送器，完成浆液流量与注浆压力测量；

所述传感器清水清洗管路以第四阀门4-4处的支路为起点，连接清洗装置，水流依次经过第四阀门、压力变送器、电磁流量传感器、第二阀门、水泥浆液水灰比监测子模块以及第三阀门；清洗时，首先关闭注浆泵以及第一阀门、第五阀门和第三阀门，打开第四阀门和第二阀门；然后在第四阀门处接入清水对整个管路与传感器进行冲洗，直至与测量桶的溢浆孔连接的管路中流出清水；最后，关闭第四阀门，打开第三阀门，放出整个监测系统全部管路中的清水，以备下次注浆监测使用。

有益效果：本发明所述为一种煤矿井下注浆在线监测与注浆质量智能评价方法与系统，能够实时、精准地煤矿对井下每一根注浆锚杆、锚索的注浆施工信息与注浆参数进行数字化监测与存储管理，矿井管理人员不需下井在地面就可以同步、实时地获取当前井下全部正在实施注浆巷道的所有过程信息，并对注浆质量进行科学评估，精准定位异常注浆区域位置，针对性地提出二次精准复注方案，为煤矿开展智能、精准、高效、安全的注浆管理提供了一条重要的技术手段。

附图说明

附图1：一种煤矿井下注浆在线监测与注浆质量智能评价系统的模块图。

附图2：水泥浆液流量监测子模块结构示意图。

附图3：注浆压力监测子模块结构示意图。

附图4：水泥浆液水灰比监测子模块结构示意图。

附图5：井下注浆监测管路模块结构示意图。

附图6：注浆信息区域分布云图。

具体实施方式

本发明所述为一种煤矿井下注浆在线监测与注浆质量智能评价方法和系统，如附图1所述。

一种煤矿井下注浆在线监测与注浆质量智能评价方法，包括以下步骤：

步骤1)井下注浆锚杆信息配置，启动无线移动终端app，通过矿井井下wifi网络，登陆井上注浆信息数据库模块5，进入注浆锚杆信息配置子模块1-1，在该模块中，井下注浆施工人员根据实际情况输入巷道名称、注浆锚杆行号、注浆锚杆列号、注浆责任人、监督责任人信息；当配置成功后，这些信息被实时上传并存储至井上注浆信息数据库模块5；

步骤2)实时采集注浆数据，注浆过程中实时、动态、高精度地监测记录注浆过程中的浆液流速、注浆压力以及水泥浆液水灰比参数；

步骤3)将井下注浆数据依次无线传输、井下环网光纤传输后，实时、动态的存储至井上注浆信息数据库模块中；

步骤4)对当前井下注浆情况、总体注浆质量，异常注浆信息查询、诊断、评价和统计分析，具体步骤为：

步骤4.1)井下注浆信息数据实时查询子模块通过sql语言从井上注浆信息数据库模块5中实时查询当前井下全部正在实施注浆巷道的所有信息，包括当前注浆巷道名称，当前注浆锚杆编号、注浆责任人与监督责任人和实时注浆过程时序数据，所获得的实时注浆过程时序数据注浆压力、注浆量和浆液水灰比，按照如下关系进行换算得到工程中的注浆参数指标：

a.注浆压力按照最大注浆压力和平均注浆压力两种方式进行处理：

p＝average(pv)ormax(pv)

式中：pv为瞬时注浆压力，p为工程中注浆压力指标；

b.浆液水灰比n按照最小值进行处理：

n＝max(nv)

式中：nv为瞬时浆液水灰比，n为工程中浆液水灰比指标；

c.注浆量q需要根据获得的浆液瞬时流速进行积分计算：

式中：qv为瞬时浆液流速，t1为注浆开始时间，t2为注浆结束时间，q为工程中累计注浆量；

步骤4.2)根据矿井管理人员输入的注浆时间和巷道名称信息，自动绘制该时间段内的巷道注浆量、注浆压力、水灰比分布的注浆信息区域分布云图，在该注浆信息区域分布云图中，横轴表示注浆锚杆或锚索编号行号，纵轴表示注浆锚杆或锚索编号列号，每个区域代表一根注浆锚杆的位置，每个区域的颜色表示该处注浆锚杆的注浆量、注浆压力以及浆液水灰比的大小，用蓝色表示最小值，红色表示最大值；根据该注浆信息区域分布云图从整体上来判断巷道注浆质量；

步骤4.3)异常注浆区域精准诊断，预先设置相关的临界注浆参数阈值，当相关注浆参数超过其阈值时即判断其为异常注浆情况，系统进行自动报警，主要的判别准则如下：

p＞pmax

q＜qmin

n＞nmax

式中：pmax为注浆压力阈值，取5mpa，实际注浆压力大于该阈值时为判断为异常注浆情况；qmin为注浆量阈值，取0.07m³，当实际注浆量小于该阈值时判断为异常注浆情况；nmax为浆液水灰比阈值，取1.0，当实际浆液水灰比大于该阈值时判断为异常注浆情况；

步骤4.4)根据步骤4.3)设定的注浆参数阈值，通过对矿井某个时间段内的全部注浆巷道的注浆参数进行诊断分析，精准定位每一条巷道中的异常注浆锚杆位置；对于异常注浆锚杆，管理人员通过进一步与当时现场注浆责任人、注浆监督责任人沟通了解井下情况，制定进一步开展二次复注方案；

步骤4.5)注浆数据统计子模块提供任意时间段内的全部注浆巷道中每一根注浆锚杆注浆过程中全部数据的查询接口，包括瞬时注浆压力、瞬时浆液流速和瞬时浆液密度，与注浆过程曲线相对应，相关注浆数据能够直接复制；同时，提供按照时间统计或者直接统计的异常注浆数据，包括：注浆锚杆或锚索编号、累计注浆量、注浆压力、浆液密度、注浆责任人、监督责任人、注浆日期时间，精确到每一根锚杆的注浆时间段，自动形成注浆excel报表以及注浆管理台帐，方便矿井进行精准化的注浆管理。

按照本发明的技术方案，该系统包括：井下注浆信息输入输出模块1；井下注浆数据监测模块2；井下注浆数据无线通信模块3；井下注浆监测管路模块4；井上注浆信息数据库模块5；井上注浆质量智能评价模块6。下面结合附图1，分别对以上6个模块进行详细阐述：

井下注浆信息输入输出模块1：该输入输出模块在井下注浆监测过程中需要能够紧随着当前注浆位置的变化而动态向前移动，因此需要配置一台便携式的井下防爆移动终端移动终端(如智能防爆手机等)，具有手持式、无线通信、便于移动等显著的优势，它能够突破时间、地理、空间限制，能够将煤矿井下注浆管理控制于一掌手中，进而实现对煤矿井下巷道注浆过程更为及时有效的监测与管理。

为了配合上述无线移动终端实现井下注浆信息输入输出模块1的主要功能，需要定制开发一套智能手机app系统，其主要包括注浆锚杆信息配置子模块1-1、注浆参数实时显示模块1-2、异常注浆情况报警子模块1-3。该app启动后，需要井下工人首先通过矿井井下wifi网络，登陆井上注浆信息数据库模块5；然后，进入注浆锚杆信息配置子模块1-1。在该模块中，井下注浆施工人员需要根据实际情况输入巷道名称、注浆锚杆行号、注浆锚杆列号、注浆责任人、监督责任人等信息。当配置成功后，这些信息被实时上传并存储至井上注浆信息数据库模块5。当注浆锚杆信息配置成功后，app系统自动切换到注浆参数实时显示模块1-2，在该模块中，app自动读取矿井地面注浆信息数据库服务器中当前的注浆参数，包括当前注浆压力值mpa、当前浆液流量值m³/h和当前浆液密度值g/cm³，app每隔0.1秒自动更新一次数据，并在该模块界面中实时显示。当app获取当前注浆压力数值超过预设的临界值，一般为5mpa时，或者当前浆液水灰比不达标，一般为小于0.5或者大于1.2时，app系统进入异常注浆情况报警子模块1-3，app系统自动进行振动提示和语音报警，提醒注浆施工人员采取停泵或按照要求合理配置浆液等措施，直至满足要求后停止报警。

井下注浆数据监测模块2：主要包括水泥浆液流量监测子模块2-1、注浆压力监测子模块2-2、水泥浆液水灰比监测子模块2-3，分别用于实时、动态、高精度地监测记录注浆过程中的浆液流速、注浆压力以及浆液水灰比等参数。

其中，水泥浆液流量监测子模块2-1，主要由井下本安型防爆电磁流量传感器2-1-1和浆液净化器组成2-1-2(如附图2所示)。其中，井下本安型防爆电磁流量传感器的量程、孔径等参数需与井下注浆泵及注浆管路匹配。浆液净化器通过两个法兰盘2-1-2-1之间加上带有滤网的法兰垫圈2-1-2-2组成，滤网孔径1mm。浆液净化器置于电磁流量传感器进口前方，可以有效阻挡水泥浆液中的大颗粒杂质流进流量传感器导致测量误差或者传感器损毁，且便于拆卸清理，简单、可靠、经济、实用。浆液净化器与电磁流量传感器两者之间距离应保持在20倍电磁流量传感器直径以上，以保证流量测量精度。

注浆压力监测子模块2-2，主要由井下本安型防爆压力变送器2-2-1和浆液隔离装置2-2-2组成(如附图3所示)。其中，井下本安型防爆压力变送器量程为0-10mpa。浆液隔离装置包括厚壁金属圆筒2-2-2-1、圆形柔性橡胶垫2-2-2-2、金属垫圈2-2-2-3等组成。金属垫圈压住圆形柔性橡胶垫，通过螺丝2-2-3固定在厚壁金属圆筒下方。厚壁金属圆筒中注满优质硅油2-2-4。厚壁金属圆筒上端车有内丝，与井下本安型防爆压力变送器下端的外丝匹配。实际工作时，注浆管路中的浆液首先作用在浆液隔离装置的柔性橡胶垫上，然后将注浆压力通过硅油传递给井下本安型防爆压力变送器的测量膜片2-2-5上，进而有效地阻止浆液直接接触压力传感器膜片，避免传感器被腐蚀破坏和浆液堵塞测量孔，同时也满足了现场对浆液压力检测精度的要求。

水泥浆液水灰比监测子模块2-3，主要由井下本安型防爆差压式浆液密度传感器2-3-1、测量桶2-3-2、旋转式升降装置2-3-3组成(如附图4所示)。其中，井下本安型防爆差压式浆液密度传感器正压端感受液体底端的压力，负压端感受定位器上端的压力；当液体密度发生变化时，其压差也随之正比变化，从而测量出变化的密度值。测量桶为一个固定容积圆筒，其高为100cm，直径为20cm，圆筒的上部是开口形式，圆筒底部是封闭的。在桶侧壁设置有1个进浆口2-3-4，位于桶底部，与注浆管道相接；桶上部设有1个溢浆孔2-3-5，当浆液充满测量桶后，浆液从溢浆孔溢出；桶下部还设有1个出浆孔2-3-6，当测量完毕后，通过出浆孔将测量桶中浆液放出，以便下次使用。旋转式升降装置主要由旋转手柄2-3-3-1、圆形齿轮2-3-3-2、直线形齿轮条2-3-3-3构成。差压式浆液密度传感器固定在直线形齿轮条上，并垂直置于测量桶中。圆形齿轮与旋转手柄固定在一起，圆形齿轮与直线形齿轮条相互咬合。通过顺时针或逆时针旋转手柄，可以实现浆液密度传感器在浆液测量桶中上升或下降。

在注浆泵开启前，需要通过旋转式升降装置将压差式密度计提升至一定高度，同时利用锁紧装置锁住传感器防止突然掉落，以防止高速流动的浆液对传感器造成冲击破坏。当浆液充满密度测量桶后，利用旋转式升降装置缓慢降下浆液密度传感器至密度测量桶底部，完成浆液密度测量。当测量获得浆液密度后，利用如下公式计算浆液水灰比：

n＝(1/ρg-1/ρc)/(1-1/ρg)

式中：n为浆液水灰比，ρg为浆液密度，ρc为水泥密度。

井下注浆数据无线通信模块3：主要包括井下电流信号转无线数字信号子模块3-1、井下无线通信网关子模块3-2、井上数据解析与存储子模块3-3，用于将井下注浆数据依次无线传输、井下环网光纤传输后，实时、动态的存储至井上注浆信息数据库模块中。

其中，井下电流信号转无线数字信号子模块3-1，主要由一个能将标准电流模拟信号(4～20ma)转换为无线数字信号的单片机芯片构成，用于将井下注浆数据监模块2发出的标准电流模拟信号转换为无线电数字信号发射；井下无线通信网关子模块3-2，主要由一个mesh扩频无线通信单片机芯片构成，用于接受和解析井下电流信号转无线数字信号子模块3-1发送的数据包，将数据发送至井下工业环网光纤；井上数据解析与存储子模块3-3，主要利用物联网mqtt服务协议，对井下工业环网光纤上传的注浆数据进行解析，并根据传感器的量程按照线性转化关系将电流数据转化为注浆压力、浆液流量、浆液密度等物理数据，最后将注浆数据实时存储至注浆信息数据库模块5中。注浆压力、浆液流量、浆液密度的电流数据与物理数据之间转换关系如下：

pv＝(ap-4)/1.6

qv＝(aq-4)/2.0

ρv＝3(aρ-4)/16

式中：ap、aq、aρ分别为注浆压力传感器、电磁流量计和密度计上传的电流数据，ma，pv、qv和ρv为转换后的注浆压力、浆液流量和浆液密度数值，单位分别为mpa、m³/h和g/cm³。注浆压力传感器的量程为0-10mpa、浆液流量传感器的量程为0-8m3/h、浆液密度传感器的量程为0-3g/cm3。

井下注浆监测管路模块4：主要包括浆液密度检测管路、注浆压力和浆液流量监测管路、传感器清水清洗管路，如附图5所示。主要用于浆液密度、注浆压力和浆液流量集成式的独立并行检测；同时，方便检测完成以后传感器的快速清洗。

其中，浆液密度检测管路的流向为①→②→③→④，管路中主要包括3个阀门(第一阀门4-1、第二阀门4-2和第三阀门4-3)、密度测量桶2-3-2、旋转式升降装置2-3-3、压差式密度传感器2-3-1以及浆液收集桶4-8等。在注浆泵开启前，首先利用旋转式升降装置将密度计提升至一定高度，然后打开第一阀门4-1和第二阀门4-2，关闭第三阀门4-3；接着，开启注浆泵，当浆液从密度测量桶顶部流出后，立即关闭第二阀门4-2；然后，利用旋转式升降装置缓慢降下密度计，完成浆液密度检测；最后，打开第三阀门4-3，放出密度测量桶中的水泥浆液。

注浆压力和浆液流量监测管路流向为①→⑤→⑥→⑦→⑨，管路中主要包括3个阀门(第一阀门4-1、第四阀门4-4和第五阀门4-5)、电磁流量传感器2-1-1和压力变送器2-2-1。具体工作时，首先打开第一阀门4-1和第五阀门4-5、关闭第四阀门4-4，然后开启注浆泵，浆液依次流过电磁流量传感器和压力变送器，完成浆液流量与注浆压力测量。

传感器清水清洗管路流向为⑧→⑦→⑥→⑤→②→③→④。当注浆监测完成以后，首先关闭注浆泵以及第一阀门4-1、第五阀门4-5和第三阀门4-3，打开第四阀门4-4和第二阀门4-2；然后，在第四阀门4-4处接入清水对整个管路与传感器进行冲洗，直至管路④中流出清水位置；最后，关闭第四阀门4-4，打开第三阀门4-3，放出整个监测系统全部管路中的清水，以备下次注浆监测使用。

井上注浆信息数据库模块5：主要用于实时、动态存储井下注浆过程中的海量注浆监测时序数据。主要注浆信息数据结构设计如下：

a.巷道名称：存储施工人员输入的巷道名称，数据类型为字符串，32字节；

b.注浆锚杆或锚索行号：存储当前注浆锚杆行号，数据类型为整数类型，4字节；

c.注浆锚杆或锚索列号：存储当前注浆锚杆列号，数据类型为整数类型，4字节；

d.注浆责任人：存储当前注浆责任人姓名，数据类型为字符串，16字节；

e.注浆监督责任人：存储当前注浆监督人姓名，数据类型为字符串，16字节；

f.注浆监测传感器id：存储注浆传感器id编码，数据类型为字符串，16字节；

g.注浆监测传感器类型：存储注浆传感器类型，数据类型为整数类型，4字节，其中0表示注浆压力传感器；1表示浆液流量传感器；2表示浆液密度传感器；

h.注浆监测传感器数值：存储注浆传感器监测获得的数值，注浆压力单位为mpa，浆液流量单位为m³/h；浆液密度单位为g/cm³，三种数据均精确到0.001，数据类型为浮点数类型，4字节；

i.注浆时间：存储当前注浆过程中传感器监测的时间，数据类型为时间类型，12字节，时间格式为“yy-mm-ddhh:mm:ss”。

井上注浆质量评价模块6：主要包括井下注浆信息数据实时查询子模块6-1、注浆信息区域分布云图6-2、异常注浆区域精准诊断子模块6-3、注浆数据统计子模块6-4，主要用于实现对当前井下注浆情况、总体注浆质量，异常注浆信息等查询、诊断、评价和统计分析等功能。

其中，井下注浆信息数据实时查询子模块6-1，通过sql语言从井上注浆信息数据库模块5中实时查询当前井下全部正在实施注浆巷道的所有信息，包括：当前注浆巷道名称，当前注浆锚杆编号、注浆责任人与监督责任人、实时注浆过程时序数据等。所获得的实时注浆过程时序数据(注浆压力、注浆量、浆液水灰比)需按照如下关系进行换算得到工程中的注浆参数指标：

a.注浆压力按照最大注浆压力和平均注浆压力两种方式进行处理：

p＝average(pv)ormax(pv)

式中：pv为瞬时注浆压力，p为工程中注浆压力指标。

b.浆液水灰比(n)按照最小值进行处理：

n＝max(nv)

式中：nv为瞬时浆液水灰比，n为工程中浆液水灰比指标。

c.注浆量(q)需要根据获得的浆液瞬时流速进行积分计算：

式中：qv为瞬时浆液流速，t1为注浆开始时间，t2为注浆结束时间，q为工程中累计注浆量。

注浆信息区域分布云图6-2，根据矿井管理人员输入注浆时间、巷道名称等信息，自动绘制该时间段内的巷道注浆量、注浆压力、水灰比分布等区域分布云图(如附图6所示)。在该注浆信息一张图中，横轴表示注浆锚杆编号-排号，纵轴表示注浆锚杆编号-行号，每个区域代表一根注浆锚杆的位置，每个区域的颜色表示该处注浆锚杆的注浆量、注浆压力以及浆液水灰比的大小，蓝色表示最小值，红色表示最大值。根据该注浆信息分布云图可以从整体上来判断巷道注浆质量。

异常注浆区域精准诊断子模块6-3，预先设置相关的临界注浆参数阈值，当相关注浆参数超过其阈值时即判断其为异常注浆情况，主要的判别准则如下：

p＞pmax

q＜qmin

n＞nmax

式中：pmax为注浆压力阈值，一般取5mpa，实际注浆压力大于该阈值时为判断为异常注浆情况；qmin为注浆量阈值，一般取0.07m³)，当实际注浆量小于该阈值时判断为异常注浆情况；nmax为浆液水灰比阈值，一般取1.0，当实际浆液水灰比大于该阈值时判断为异常注浆情况。

根据上述设定的注浆参数阈值，通过对矿井某个时间段内的全部注浆巷道的注浆参数进行诊断分析，能够精准定位每一条巷道中的异常注浆锚杆位置。对于异常注浆锚杆，管理人员通过进一步与当时现场注浆责任人、注浆监督责任人沟通了解井下情况，制定进一步开展二次复注方案。

注浆数据统计子模块6-4，提供任意时间段内的全部注浆巷道中每一根注浆锚杆注浆过程中全部数据(瞬时注浆压力、瞬时浆液流速、瞬时浆液密度等，与注浆过程曲线相对应)查询接口，相关注浆数据可以直接复制。同时，提供按照时间统计或者直接统计异常注浆数据，主要数据包括：注浆锚杆编号、累计注浆量、注浆压力、浆液密度、注浆责任人、监督责任人、注浆日期时间(精确到每一根锚杆的注浆时间段)，自动形成注浆excel报表以及注浆管理台帐，方便矿井进行精准化的注浆管理。