劉建高杜學(xué)領(lǐng)姜耀東

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市海淀區(qū),100083)

沙曲礦礦山壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用?

劉建高1杜學(xué)領(lǐng)1姜耀東2

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京市海淀區(qū),100083)

針對(duì)傳統(tǒng)礦山壓力監(jiān)測(cè)存在以點(diǎn)代面、效率不高的問(wèn)題,結(jié)合華晉焦煤沙曲礦的開(kāi)采條件,介紹了新型礦山壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理及應(yīng)用情況。該系統(tǒng)由地面和井下兩部分組成,包括傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備、傳感器、線纜、存儲(chǔ)端、計(jì)算機(jī)軟硬件等。對(duì)沙曲礦工作面液壓支架的工作阻力、兩巷的頂板離層量、錨桿錨索受力進(jìn)行了監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)結(jié)果表明新型礦山壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)準(zhǔn)確地反映采場(chǎng)及巷道的礦壓情況,煤礦可根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整支護(hù)系統(tǒng)。

采煤工作面 回采巷道 礦山壓力 在線監(jiān)測(cè) 礦壓控制

礦山壓力控制主要是研究采場(chǎng)及巷道內(nèi)由于采掘活動(dòng)引起的應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性控制等問(wèn)題。由于天然煤巖體幾何參數(shù)及理化參數(shù)都是隨機(jī)變量,煤巖體具有不連續(xù)、非均質(zhì)、各向異性的特征,導(dǎo)致理論推導(dǎo)的計(jì)算式適應(yīng)性受限、數(shù)值模擬及相似模擬的結(jié)果與實(shí)踐存在差距。因此,實(shí)測(cè)礦山壓力研究是保障煤礦安全生產(chǎn)的重要手段。傳統(tǒng)的礦山壓力監(jiān)測(cè)采用人工現(xiàn)場(chǎng)計(jì)數(shù)的方式,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差,而且容易出現(xiàn)虛假數(shù)據(jù),不利于煤礦的安全生產(chǎn)。本文結(jié)合華晉焦煤沙曲礦的具體條件,介紹了礦山壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理及應(yīng)用情況。

1 礦山壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原理

1.1 系統(tǒng)原理

華晉焦煤沙曲礦采用KJ327系列礦山壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 礦山壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖

礦山壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依靠傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備(如工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)儀、頂板離層儀、錨桿受力計(jì)、錨索受力計(jì)等)直接獲得礦山壓力顯現(xiàn)數(shù)據(jù),每一臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備都配有相應(yīng)的傳感器,傳感器將獲得的物理力學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)在分站當(dāng)中,分站按照設(shè)定的時(shí)間步長(zhǎng)定期向監(jiān)測(cè)主站傳輸數(shù)據(jù)。主站具有更大的存儲(chǔ)能力,匯總各監(jiān)測(cè)分站的信息并定期將數(shù)據(jù)上傳至地面工作站。地面工作站的計(jì)算機(jī)裝有專(zhuān)門(mén)的礦山壓力分析軟件,可根據(jù)設(shè)定的具體信息判別井下各分站情況是否異常。當(dāng)數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)置極限值時(shí),軟件自動(dòng)報(bào)警,此時(shí)工作人員按照相關(guān)規(guī)定,及時(shí)處理井下異常情況,避免因井下礦山壓力劇烈顯現(xiàn)而造成不可挽回的損失。礦山壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)可以同時(shí)在多臺(tái)計(jì)算機(jī)終端共享,大大提高了不同科室人員對(duì)礦壓數(shù)據(jù)的獲取速率。

監(jiān)測(cè)分站與主站之間的信號(hào)傳輸可分為有線傳輸和無(wú)線傳輸。有線傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、可遠(yuǎn)距離布置分站,缺點(diǎn)是井巷中的傳輸線容易被冒落的矸石、煤切斷,加大了檢修難度。無(wú)線傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是減少了線纜的布置,提高了安裝速度,缺點(diǎn)是無(wú)線傳輸難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸,當(dāng)因地質(zhì)條件等因素造成監(jiān)測(cè)分站間距離加大時(shí),數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性下降。

1.2 設(shè)備組成

按照不同設(shè)備安裝位置的不同,礦山壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)備主要包括地面和井下兩部分,地面設(shè)備主要由計(jì)算機(jī)硬件、監(jiān)測(cè)分析軟件及相應(yīng)的線纜組成;井下設(shè)備主要包括KJ327－Z礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)主站、KDW－0.4/127型隔爆兼本安直流電源、礦用抗拉數(shù)據(jù)通訊插接件、KJ327－Z型頂板離層監(jiān)測(cè)主站、KJ327－F型頂板離層監(jiān)測(cè)分站、KJ327－Z型礦山壓力監(jiān)測(cè)通訊主站、KZC12型以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器、KJ327型拉線式位移傳感器、KJ327型載荷傳感器、JHH－2型接線盒、JH H－3型接線盒、MHYV型通訊電纜等。

2 沙曲礦礦山壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置方案

華晉焦煤沙曲礦屬于高瓦斯礦井,24305試驗(yàn)工作面為北三采區(qū)第5個(gè)沿煤層走向布置的傾斜長(zhǎng)壁式回采工作面。煤層埋深440～550 m,煤厚3.4～4.2 m,平均厚度為4.02 m。24305工作面采用傾斜長(zhǎng)壁后退式跟頂跟底綜采一次采全高的采煤方法,采空區(qū)采用全部垮落法管理頂板。工作面運(yùn)輸巷道采用混合料充填進(jìn)行沿空留巷,工作面為“四六”制作業(yè),兩班出煤、一班檢修、一班充填。根據(jù)工作面的范圍及兩巷的長(zhǎng)度,監(jiān)測(cè)主要針對(duì)回采工作面及工作面兩巷,選取的分析指標(biāo)為工作面液壓支架的工作阻力、兩巷的頂板離層量、錨桿錨索受力。

24305工作面共有支架132架,8個(gè)監(jiān)測(cè)分站分別安裝在5＃、22＃、40＃、58＃、74＃、92＃、109＃、128＃液壓支架上,采用吊掛式安裝在支架掩護(hù)梁下方,將高壓油管連接至監(jiān)測(cè)分站的壓力傳感器接口上,另一端接支架的前后立柱。兩巷的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含27臺(tái)監(jiān)測(cè)站,其中2臺(tái)主站,25臺(tái)分站,間隔約50 m設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,監(jiān)測(cè)斷面的布置如圖2所示。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面頂板中部施工兩個(gè)錨索孔,孔深6.3 m,孔徑不小于27 mm;一個(gè)安裝頂板離層儀,一個(gè)安裝錨索。頂板離層監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)深基點(diǎn)和淺基點(diǎn)各一個(gè),深度分別為6.3 m、3 m。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面靠近工作面煤幫一側(cè)打一個(gè)2 m的錨桿孔,安裝錨桿傳感器,并將傳感器上的線纜固定于煤壁上,便于接入監(jiān)測(cè)分站。軌道巷監(jiān)測(cè)主站安裝在軌道巷口,第一分站位于70 m處,共12臺(tái)分站;運(yùn)輸巷監(jiān)測(cè)主站安裝在120 m處,第一分站位于160 m處,共13臺(tái)分站。

圖2 巷道斷面在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置示意圖

3 礦山壓力在線監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

考慮到軌道巷靠近采空區(qū),該側(cè)的數(shù)據(jù)具有一定代表性,因此選取靠近軌道巷的8號(hào)測(cè)站監(jiān)測(cè)的1架四柱式液壓支架工作阻力進(jìn)行分析。由于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量較大,每天監(jiān)測(cè)獲得超過(guò)幾十萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù),為了便于說(shuō)明,并考慮到實(shí)測(cè)過(guò)程中部分測(cè)站出現(xiàn)故障、數(shù)據(jù)不連續(xù)的情況,下文以部分測(cè)站獲得的較為完整的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,圖中的數(shù)字代表測(cè)站的編號(hào)。

3.1 工作面液壓支架工作阻力分析

8號(hào)測(cè)站獲得的支架前柱阻力數(shù)據(jù)如圖3所示,可知監(jiān)測(cè)期間前柱最大工作阻力值為32.8 MPa,最小為2.6 MPa,同樣也測(cè)得后柱最大工作阻力值為33.6 MPa,最小為0 MPa。隨著開(kāi)采活動(dòng)的進(jìn)行支架工作阻力呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化,且不規(guī)則達(dá)到階段性峰值點(diǎn)。

圖3 支架前柱工作阻力

伴隨著液壓支架的降架、移架、升架過(guò)程,支柱阻力在達(dá)到一個(gè)峰值后迅速下降,然后逐漸上升。若支架移架升架后支架工作阻力并未上升,說(shuō)明支架與頂板接觸不實(shí),初撐力過(guò)低,需要對(duì)支架進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)工作面回采時(shí),受采動(dòng)影響與頂板接觸良好的支架工作阻力會(huì)逐漸增長(zhǎng)。當(dāng)支架阻力升起后緩慢降低或讀數(shù)持續(xù)較低時(shí),說(shuō)明支架可能出現(xiàn)漏液、串液等故障,或者該通道監(jiān)測(cè)分站快速接頭處密封圈損壞,需在檢修班對(duì)其進(jìn)行維修。礦壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了支架工作阻力的實(shí)時(shí)獲取,淡化了周期來(lái)壓的概念,能夠準(zhǔn)確反映支架的受力情況,并能依靠配套軟件對(duì)支架異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警,方便及時(shí)調(diào)整支架工作狀態(tài),有助于實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

3.2 軌道巷頂板離層量分析

軌道巷部分監(jiān)測(cè)分站淺基點(diǎn)監(jiān)測(cè)的位移量如圖4所示,由圖4可知,軌道巷淺基點(diǎn)的位移量基本在－1～5 mm變化,同時(shí)監(jiān)測(cè)到深基點(diǎn)的位移量基本也在－1～5 mm變化,說(shuō)明監(jiān)測(cè)期間內(nèi),巷道內(nèi)大部分煤巖體保持較好的完整性,巷道內(nèi)的支護(hù)系統(tǒng)能夠有效控制頂板運(yùn)動(dòng)。同時(shí),淺基點(diǎn)測(cè)得的位移量表現(xiàn)出大于深基點(diǎn)位移量的趨勢(shì),且淺基點(diǎn)的位移一般要先于深基點(diǎn)位移發(fā)生,深淺基點(diǎn)位移量在小范圍內(nèi)均表現(xiàn)出波動(dòng)的特征,并逐漸趨向于相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)范圍。頂板巖層的運(yùn)動(dòng)主要是從下向上發(fā)展的,相鄰巖塊間摩擦、錯(cuò)動(dòng),致使巖層位移量動(dòng)態(tài)波動(dòng),在有效支護(hù)下,該波動(dòng)范圍相對(duì)固定。在運(yùn)輸巷的實(shí)測(cè)中,除設(shè)備故障外,在沖刷帶附近局部位移量達(dá)到近500 mm,說(shuō)明局部地質(zhì)異常區(qū)的支護(hù)系統(tǒng)有失效的風(fēng)險(xiǎn),需加強(qiáng)支護(hù)及管理。

圖4 軌道巷頂板淺基點(diǎn)位移

3.3 軌道巷錨桿錨索受力分析

軌道巷煤幫錨桿受力如圖5所示,圖5顯示距離工作面較遠(yuǎn)的1、2、3號(hào)測(cè)站內(nèi)的錨桿受力總體呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),可能原因是該部分測(cè)站距離護(hù)巷煤柱較近,煤體由相對(duì)完整的彈性體變?yōu)槠扑榈膲K體,表現(xiàn)出錨桿受力逐漸下降。4、8、10、12測(cè)站內(nèi)的錨桿受力相對(duì)穩(wěn)定,波動(dòng)不大,表明這些測(cè)站附近的煤巖體完整性較好?？拷ぷ髅嬉粋?cè)的測(cè)站錨桿受力還表現(xiàn)出由相對(duì)穩(wěn)定到逐漸上升的趨勢(shì),說(shuō)明采動(dòng)對(duì)工作面煤壁以內(nèi)的深部煤體施加了壓縮的作用,錨桿被煤體夾持而受力增加,在回采時(shí)要注意工作面前方的礦壓顯現(xiàn)。

圖5 軌道巷幫錨桿受力情況

由各測(cè)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,軌道巷頂錨索受力變化不大,即巷道頂板巖層穩(wěn)定性較好,這與軌道巷頂板位移量波動(dòng)不大相一致。

以上礦壓數(shù)據(jù)說(shuō)明,監(jiān)測(cè)期間內(nèi),巷道內(nèi)的支護(hù)系統(tǒng)能夠有效地支護(hù)頂板,而工作面的液壓支架有時(shí)會(huì)存在初撐力不足、漏液等情況,根據(jù)監(jiān)測(cè)的情況及時(shí)調(diào)整了支架,保證了安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

礦山壓力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了礦壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警,有助于獲得準(zhǔn)確的礦壓數(shù)據(jù)。礦壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)淡化了周期來(lái)壓的概念,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映采場(chǎng)及巷道的礦壓情況,有助于實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

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Research and application of the online monitoring system of mine rock pressure in Shaqu Coal Mine

Liu Jiangao1,Du Xueling1,Jiang Yaodong2
(1.School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

To solve the problem of unilateral measurement and inefficiency existing in traditional mine rock pressure,principle and application of a new online mine rock pressure monitoring system was introduced combined with the mining conditions in Shaqu Coal Mine,Huajin Coking Coal Co.,Ltd..The monitoring system consisted of two parts of ground and underground, which included traditional monitoring equipment,sensors,cables,memorizers,computer hardware and software,etc.The working resistance of hydraulic supports,roof separation of two roadways,working status of anchor bolts and anchor cables were chose as the monitoring indexes in Shaqu Coal Mine.The monitoring results showed that the new monitoring system could response to the pressure situation of mining fields and roadways timely and accurately,and the coal mine could adjust their support system based on the actual condition.

coal working face,gateway,rock pressure,online monitoring,rock pressure control

TD326

A

劉建高(1962－),男,山西山陰人,博士研究生,主要從事煤礦方面的管理與技術(shù)工作。

(責(zé)任編輯 張毅玲)

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項(xiàng)目(2010CB226801)