馮青林,石振文,葉 鵬

(鐵法煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 曉南煤礦,遼寧 調(diào)兵山 112701)

1 研究背景

煤炭是我國國民經(jīng)濟(jì)增長的重要基石,是推動(dòng)社會進(jìn)步和發(fā)展的直接動(dòng)力[1]。隨著煤炭資源的不斷開采,大多數(shù)礦井面臨著開采條件復(fù)雜、地質(zhì)條件惡劣等問題[2-4]。因此,根據(jù)采場礦壓顯現(xiàn)的一般規(guī)律,形成一套完整的監(jiān)測系統(tǒng),及時(shí)準(zhǔn)確掌握工作面及巷道圍巖的變化情況,完善礦山壓力安全監(jiān)測控制技術(shù)顯得尤為重要[5]。梁家豪等[6-8]通過對煤礦工作面液壓支架的動(dòng)態(tài)監(jiān)控,分析了支護(hù)的合理性。任帥等[9]通過對某礦綜放首采工作面礦壓規(guī)律監(jiān)測,得出支架工作阻力基本呈正態(tài)分布規(guī)律。劉藝平等[10-11]研制了一套礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)時(shí)反映了巷道的頂板位移、離層和應(yīng)力等變化規(guī)律。王濤等[12-15]設(shè)計(jì)了基于FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦巷道在線監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了700 m深井的數(shù)據(jù)采集。然而切頂卸壓沿空留巷作為一項(xiàng)提高采區(qū)采出率、預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的重要技術(shù)之一,其切頂留巷過程中工作面及巷道圍巖的監(jiān)測系統(tǒng)仍未建立[16]。本文闡述了系統(tǒng)組成架構(gòu)、可實(shí)現(xiàn)的功能及運(yùn)行原理,建立了切頂卸壓圍巖動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),并在某礦6-2上312工作面進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn),有效實(shí)現(xiàn)了留巷過程中各區(qū)域的礦壓監(jiān)測及安全預(yù)報(bào),為類似工程提供了支撐。

2 系統(tǒng)原理

PU監(jiān)測系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和傳感器有機(jī)合并兼容,實(shí)現(xiàn)對井下切頂留巷工作面及巷道礦壓、位移的監(jiān)測監(jiān)控的全方位監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作原理:運(yùn)用礦壓傳感器、位移監(jiān)測儀等設(shè)備將切頂留巷工作面及巷道圍巖的壓力位移變化情況轉(zhuǎn)化為電信號,再通過分站將監(jiān)測信號匯總,然后通過RS485電纜線將分站信號傳輸?shù)骄罗D(zhuǎn)換器或主站上,最后借助于煤礦通訊電纜線或光纖等與地面的礦用信息傳輸接口對接,實(shí)現(xiàn)與地面監(jiān)控中心信息的實(shí)時(shí)傳遞。同時(shí),地面工作人員通過對監(jiān)控中心接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和科學(xué)分析,得出礦壓分布規(guī)律及圍巖變形特征,從而為優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)和合理確定二次支護(hù)時(shí)間提供科學(xué)依據(jù)。

另外,根據(jù)礦井的實(shí)際需要,用戶可通過客戶端訪問工控主機(jī)的數(shù)據(jù)庫,方便礦領(lǐng)導(dǎo)實(shí)時(shí)了解井下工作面及巷道壓力位移變化情況。

PU監(jiān)測系統(tǒng)是由礦用本安型壓力位移傳感器、本安型傳輸主分站、信號傳輸接口及監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)等構(gòu)成,形成一個(gè)交互式系統(tǒng)平臺,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 切頂卸壓PU監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.1 PU monitoring system of roof cutting and pressure releasing

3 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)將各種礦壓儀表,如壓力傳感器、頂板位移監(jiān)測儀、錨桿錨索應(yīng)力測力儀、支承壓力分布監(jiān)測儀等在線、無線礦壓儀表整合到一起,對這些儀表的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的比較分析,了解切頂留巷工作面的礦壓分布、超前工作面的影響范圍、滯后工作面壓力穩(wěn)定的時(shí)間及范圍、留巷段圍巖的變形特征等,真實(shí)反映整個(gè)工作面在采動(dòng)過程中的礦山壓力及位移變化情況,為煤礦安全生產(chǎn)提供支撐。

通過圖表、圖形、報(bào)表等多種形式展現(xiàn)切頂留巷工作面及巷道礦壓位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況,為用戶提供從宏觀到微觀、從平面到立體多樣化體驗(yàn);同時(shí),可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)分析查看,指導(dǎo)煤礦的安全生產(chǎn)。

4 系統(tǒng)組成及現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 采場礦壓監(jiān)測系統(tǒng)

4.1.1工作面礦壓監(jiān)測

掌握切縫成巷過程中工作面上覆巖層壓力變化規(guī)律,能夠?yàn)榍许斝秹鹤詣?dòng)成巷支護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),因此,需要對工作面支架立柱的受力狀況進(jìn)行監(jiān)測。工作面支架立柱的受力監(jiān)測采用GPD60W型礦用本安型無線壓力傳感器,傳感器應(yīng)整齊均勻地固定在支架上,如圖2所示。另外,需加強(qiáng)對切縫側(cè)端頭段的監(jiān)測,傳感器的分布情況如圖1所示。同時(shí),支架實(shí)時(shí)工況能夠反應(yīng)工作面上覆巖層的運(yùn)動(dòng)情況,借助支架壓力的變化規(guī)律,準(zhǔn)確判斷出采場上覆巖層的運(yùn)動(dòng)變化情況,可為切縫成巷過程中工作面端頭段的支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)及架后臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的回撤提供依據(jù)。

圖2 傳感器安裝位置圖Fig.2 Sensor installation position

4.1.2超前支承壓力監(jiān)測

采場圍巖的運(yùn)動(dòng)以及圍巖中高應(yīng)力區(qū)域的存在是導(dǎo)致采場發(fā)生動(dòng)力災(zāi)害的根本原因。因此,采場推進(jìn)過程中,須對超前工作面范圍內(nèi)煤體的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測。距工作面一定范圍時(shí),開始向?qū)嶓w煤打布置鉆孔,孔徑Φ54 mm,鉆孔深度為5，9，13 m,孔間距1 m,距底板高度1 m,將柔性注液探測單元推入對應(yīng)孔中(如圖1所示)。通過柔性注液探測單元主動(dòng)給鉆孔施加預(yù)應(yīng)力,與孔壁全面耦合,隨著采場的推進(jìn),支承壓力的應(yīng)力高峰前移。當(dāng)煤層承壓變大,鉆孔破碎,柔性注液探測單元所受壓力發(fā)生變化,壓力變化數(shù)值通過測力儀顯示并上傳地面,進(jìn)而可準(zhǔn)確推斷內(nèi)外應(yīng)力場范圍、壓力高峰位置和頂板斷裂位置。

4.2 巷道礦壓位移監(jiān)測系統(tǒng)

4.2.1離層監(jiān)測

巷道頂板穩(wěn)定性是各類巷道圍巖穩(wěn)定性判定的核心。為此,在巷道支護(hù)工程中,須通過頂板離層儀監(jiān)測。頂板離層儀沿巷道頂板的中線布置,安裝設(shè)備采用的鉆孔Φ32 mm,頂板鉆孔深度應(yīng)略大于錨索的長度,允許鉆孔傾角+30°,深基點(diǎn)A安裝在錨索錨固端附近,淺基點(diǎn)B安裝在錨桿錨固端附近，安裝方法如圖3所示。該產(chǎn)品將離層位移轉(zhuǎn)化為電信號,通過數(shù)顯技術(shù)及通訊技術(shù),將頂板及圍巖內(nèi)部離層位移信息顯示和上傳。為掌握巷道頂板錨固范圍之內(nèi)與錨固范圍之外的離層情況,及早發(fā)現(xiàn)頂板變形失穩(wěn),提供了重要依據(jù),同時(shí)可為完善支護(hù)參數(shù)提供參考。

圖3 巷道礦壓位移監(jiān)測儀分布圖Fig.3 Layout of displacement monitor of mine pressure

4.2.2錨桿(索)受力監(jiān)測

巷道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性是防止巷道冒頂事故發(fā)生的關(guān)鍵。為此,錨桿索支護(hù)巷道須進(jìn)行錨桿(索)載荷監(jiān)測。安裝前先將錨桿(索)周圍巖體清理平整,錨桿外露部分插在測力計(jì)中心孔中,用鎖具鎖緊錨桿(索)并達(dá)到作業(yè)規(guī)程規(guī)定的預(yù)應(yīng)力數(shù)值(如圖1所示)。該產(chǎn)品可實(shí)時(shí)跟蹤和監(jiān)測錨桿(索)載荷的變化,根據(jù)載荷變化的時(shí)空關(guān)系分析錨桿(索)工作狀態(tài),掌握巷道圍巖的運(yùn)移規(guī)律,確定巷道圍巖運(yùn)動(dòng)的顯著時(shí)期和穩(wěn)定時(shí)期,從而有針對性地提出支護(hù)優(yōu)化方案。

4.2.3擋矸側(cè)橫向壓力監(jiān)測

切頂卸壓巷幫由采空區(qū)側(cè)垮落碎脹的矸石形成,能否阻擋垮落矸石的沖擊是留巷成功的關(guān)鍵工序。因此,須通過擋矸壓力盒對采空區(qū)側(cè)橫向壓力進(jìn)行監(jiān)測。擋矸壓力盒與護(hù)幫結(jié)構(gòu)配套使用,均勻布置在留巷段采空區(qū)側(cè)的巷幫，安裝方法如圖3所示。通過監(jiān)測工作面后方冒落矸石對擋矸結(jié)構(gòu)的側(cè)向推力,實(shí)時(shí)上傳監(jiān)測數(shù)據(jù),并分析采空區(qū)冒落巖體的應(yīng)力及變化規(guī)律,為擋矸支護(hù)體的選擇和狀態(tài)設(shè)定提供指導(dǎo),有利于護(hù)幫結(jié)構(gòu)效果的改善。

4.2.4頂?shù)装逡平勘O(jiān)測

巷道采掘期間圍巖變形移動(dòng)規(guī)律是推斷圍巖穩(wěn)定性的重要依據(jù)。為此,須通過頂?shù)装逡平績x對巷道圍巖變形量及變形速度進(jìn)行監(jiān)測。頂?shù)装逦灰票O(jiān)測主要在工作面后方的采空區(qū)留巷段的動(dòng)壓區(qū),豎立在頂?shù)装逯g，安裝方法如圖3所示。該產(chǎn)品將巷道圍巖變形量轉(zhuǎn)化為電子信號,通過數(shù)顯技術(shù)及通訊技術(shù),將頂?shù)装逑鄬ξ灰菩畔@示和上傳,對頂?shù)装逡平颗c恒阻錨索壓力監(jiān)測、頂板離層監(jiān)測共同分析,可更加準(zhǔn)確的判斷頂板變形規(guī)律及巷道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,及時(shí)采取應(yīng)對措施。

5 現(xiàn)場實(shí)踐應(yīng)用

利用PU監(jiān)測系統(tǒng)在某煤礦進(jìn)行了礦壓位移監(jiān)測,并以該礦6-2上312工作面切頂留巷過程中超前支承壓力運(yùn)動(dòng)、工作面支架載荷變化及巷道圍巖運(yùn)移穩(wěn)定的數(shù)據(jù)實(shí)測為例,直接頂初次跨落步距為13.8 m,基本頂初次跨落步距為42.3 m，工作面切縫側(cè)的支承壓力遠(yuǎn)低于工作面中部,且較未切縫側(cè)巷道頂板的壓力也有很大的下降;工作面超前影響范圍為20 m,同時(shí)滯后工作面60 m時(shí),采空區(qū)內(nèi)冒落矸石逐漸壓實(shí),巷道頂板進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。分析結(jié)果如圖4所示。由此可見,PU監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠、穩(wěn)定,能夠滿足切頂留巷過程中工作面及巷道各區(qū)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測的需要。

4-a 工作面進(jìn)尺與支架壓力關(guān)系圖

4-b 工作面超前支承壓力

4-c 巷道圍巖變化曲線圖4 現(xiàn)場實(shí)踐效果圖Fig.4 Field practice effect

6 結(jié)論

1)煤礦井下礦壓監(jiān)測是減少礦井事故的有力保證,筆者結(jié)合計(jì)算機(jī)監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和傳感器技術(shù)建立了切頂卸壓圍巖動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律、支承壓力分布情況、留巷段圍巖穩(wěn)定性的及時(shí)掌握。在6-2上312工作面切頂留巷過程中的實(shí)際應(yīng)用,證實(shí)了PU監(jiān)測系統(tǒng)的科學(xué)性和可靠性。

2)雖然工作面及巷道圍巖動(dòng)態(tài)技術(shù)已經(jīng)非常成熟,各式各樣的礦壓監(jiān)測設(shè)備不斷地涌現(xiàn),但由于井下特殊環(huán)境以及人為操作的原因,其功能的實(shí)現(xiàn)同地面相比,還是有一定的不足。比如，信號的傳輸延時(shí)或者中斷、信息上傳速度較慢、設(shè)備故障或損壞等都是接下來需要解決的問題。但整體來說,工作面及巷道圍巖動(dòng)態(tài)技術(shù)在礦井的應(yīng)用已是必不可少的監(jiān)測手段,隨著技術(shù)的不斷更新,必然可以更好地實(shí)現(xiàn)井下監(jiān)測智能化。