張遠志，李培賢，賀小平，張 闖，任 強，羅波遠，王 博，杜 盼

（1.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 014399；2.內(nèi)蒙古煤礦安全監(jiān)察局鄂爾多斯監(jiān)察分局，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

0 引言

當前國內(nèi)煤炭資源總產(chǎn)量世界第一、可開采量世界第二，預測至2050 年煤炭所占能源消費比例高于50%，各類基礎項目建設依然依賴煤炭資源，短期內(nèi)煤炭仍占據(jù)能源消費的主體地位[1-2]。伴隨煤炭開采深度及強度的增加，煤礦安全生產(chǎn)形勢日益嚴峻。依據(jù)國家煤礦安監(jiān)局公布的數(shù)據(jù)顯示，2018 年國內(nèi)煤礦共發(fā)生事故223 起、死亡478 人，其中頂板事故發(fā)生33 起，占煤礦事故總數(shù)的16.1%，死亡人數(shù)47 人，占死亡人數(shù)的10.2%，其中頂板事故發(fā)生的主要地點為采掘工作面[3-4]。

研究顯示，煤礦頂板事故誘因多為液壓支架初撐力不足、礦壓監(jiān)測失誤等，特別是在礦壓監(jiān)測方面，多數(shù)礦井存在監(jiān)測疏忽以及數(shù)據(jù)分析不及時等現(xiàn)象[5]。為確保煤礦安全高效生產(chǎn)，礦壓實時監(jiān)測是不可或缺的重要技術方法，通過及時分析和反饋礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)，可以有效降低礦山頂板致災誘因的發(fā)生幾率，確保工人安全與正常生產(chǎn)[6]。礦壓監(jiān)測是揭示礦山壓力活動規(guī)律的重要方法，也是確保煤礦可持續(xù)生產(chǎn)的技術手段，隨著工作面支架工作阻力監(jiān)測系統(tǒng)的高度集成化和智能化，為煤礦頂板礦壓顯現(xiàn)機理和來壓預報等提供了設備前提。目前國內(nèi)礦壓監(jiān)測系統(tǒng)使用的礦壓傳感器多為機械式或電式儀器，受井下惡劣條件影響，傳統(tǒng)監(jiān)測設備通信線路較短且信號容易失真，導致最終測量結果可靠性較差，同時不具備本質安全性，煤礦安全高效生產(chǎn)受到上述因素的潛在威脅[7-8]。

由于電子機械和計算機技術與采煤技術的高度結合，以及高阻力支架技術的大范圍推廣使用，實現(xiàn)了礦井數(shù)據(jù)的實時傳輸和在線監(jiān)測，推動了各種在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制開發(fā)和生產(chǎn)應用，提高了現(xiàn)場災害的認知和防治水平[9-10]。從加強礦井工作面頂板壓力監(jiān)測出發(fā)，確保工作面支架工作阻力監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時性和可靠性，落實頂板壓力控制的工作思路，紅慶梁煤礦應用了KJ653 頂板礦壓監(jiān)測系統(tǒng)，對11301 工作面液壓支架進行了實時動態(tài)監(jiān)控，并根據(jù)礦壓觀測數(shù)據(jù)分析支架是否滿足支護要求。

1 KJ653 設備簡介

KJ653 系統(tǒng)采用封閉式環(huán)網(wǎng)結構設計，用于全天候實時監(jiān)測煤礦綜采工作面液壓支架的工作阻力，能夠獲取支架初撐力等多個礦山壓力參數(shù)。該設備將云平臺的以太網(wǎng)絡作為主體，服務器兼容LINUX 5/Windows2000/sp6 系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫兼容Web/Expanded 運算平臺，可選擇有線電纜、施工光纜和礦井內(nèi)部網(wǎng)絡等數(shù)據(jù)傳送形式。

1.1 功能組成

KJ653 系統(tǒng)主要由井上分析、井下監(jiān)測和傳輸網(wǎng)絡等三部分構成（圖1）。分析部分包括數(shù)據(jù)匯總計算機、數(shù)據(jù)處理軟件；監(jiān)測部分包括主站、測區(qū)監(jiān)測分站；傳輸網(wǎng)絡包括存儲服務器、以太網(wǎng)絡、測區(qū)聯(lián)結分站以及電源和供電線路，存儲服務器聯(lián)結網(wǎng)絡接口并收集款礦壓數(shù)據(jù)，測區(qū)聯(lián)結分站進行液壓支架工作阻力的初步分析。

圖1 系統(tǒng)組成示意

1.2 技術指標

KJ653 礦壓數(shù)據(jù)收集及分析設備在工作面布置一條標準RS460 總線，共計連接128 部安裝于液壓支架的測區(qū)分站。測區(qū)分站可24 h 連續(xù)收集液壓支架的工作阻力等數(shù)據(jù)，測區(qū)分站通過聯(lián)結線路與測區(qū)聯(lián)結分站相通，測區(qū)聯(lián)結分站的數(shù)據(jù)通過傳輸線路傳送到井上的分析主站。測區(qū)聯(lián)結分站配套2 組JEZ550/16A 型本安電源，每組電源可負載1 臺測區(qū)聯(lián)結分站和10 臺測區(qū)監(jiān)測分站。當電源故障時，提供備用照明線路給測區(qū)聯(lián)結分站和測區(qū)監(jiān)測分站供電。

KJ653 設備的監(jiān)測點數(shù)由1 至1000 不等，可在30 s 內(nèi)完成一次標準巡測，通過采用并行同步等技術，將實際誤差控制在2%以內(nèi)的同時，通信距離提高至15 km 以上。設備顯示器為LCD 背光觸摸屏、可供切換中英雙語顯示，128 個測區(qū)分站可同時使用8 個通道，數(shù)據(jù)最大顯示值為60 MPa，顯示精度控制在1.5%以內(nèi)。

2 監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

2.1 測點布置

11301 工作面傾向布置長300 m，采用綜采液壓支架支護，其中ZYT13000/24/50D 型端頭支架7 架、ZYG13000/24/50D型過渡支架2 架、ZYT13000/24/50D 型正常支架167 架。于綜采面左順槽的3#超前支架布置1 部監(jiān)測分站；以綜采面1#架為起始點，向機尾方向間隔7 組支架安裝1 部監(jiān)測分站；同時于綜采面右順槽右2#超前支架安裝1 部，合計24 部監(jiān)測分站。在11301 綜采面液壓支架后方2 組立柱之間吊掛式安裝1部監(jiān)測分站，實現(xiàn)了綜采面支架間的工人自由施工。監(jiān)測分站共計有4 個傳感器即4 個通道，使用國標KJ2-16 的礦用連接插孔，使用15 mm 高壓液管將液壓支架左前和右后的立柱通過高壓強相連接。上述分站固定安裝在11301 工作面輔運順槽設備列車控制臺的后方，與綜采面液壓支架一起移動的同時，負責接收支架工作壓力數(shù)據(jù)。

2.2 監(jiān)測原理

KJ653 礦壓數(shù)據(jù)收集及分析設備監(jiān)測并獲取綜采面的礦壓數(shù)據(jù)后，傳輸至井上分析部分并計算液壓支架的工作阻力，其中支架上安裝的測力計均為無線數(shù)顯類型。具體傳輸方式為：6#測力計的數(shù)據(jù)傳輸給5#測力計，5#測力計收到數(shù)據(jù)連同自身數(shù)據(jù)儀器傳輸至4#測力計，依次類推，2#、3#、4#、5#、6#測力計的所有數(shù)據(jù)均傳輸至1#子站。間隔7 min 后（具體時間可在服務器軟件更改）專用軟件通過井下局域網(wǎng)向1#子站索取數(shù)據(jù)，1#子站存儲數(shù)據(jù)后以應答方式，通過雙芯電纜的460 總線連接至KTG2A，利用KTG2A 將460 電信號轉換為工業(yè)以太網(wǎng)的光信號，最后再將光纜信號傳輸至井上服務器。

2.3 使用方法

綜采面礦壓數(shù)據(jù)由井下傳送至井上后，首先安裝數(shù)據(jù)匯總計算機的操作系統(tǒng)以及專用分析軟件，然后打開計算機系統(tǒng)自帶的分析軟件，解鎖密碼后進入綜采面礦壓數(shù)據(jù)的操作界面。礦壓分析軟件負責分析處理傳輸至地面的所有礦壓數(shù)據(jù)，借助WORD/EXCEL 繪制綜采面礦壓數(shù)據(jù)的餅狀圖、曲線圖等，并通過監(jiān)測日報或監(jiān)測周報的形式匯總出來。工作人員可以直觀了解綜采面的支架工作阻力及頂板來壓等，進而對后續(xù)的礦山壓力顯現(xiàn)活動進行預報，總結并指導井下煤炭資源開采。

KJ653 礦壓數(shù)據(jù)收集及分析設備的礦壓監(jiān)測區(qū)間為25～45 MPa，一般情況下默認綜采面液壓支架工作阻力介于25～45 MPa 之間為安全值。監(jiān)測數(shù)值>45 MPa 時，則測力計顯示屏呈現(xiàn)紅色，井上的分析軟件會出現(xiàn)報警以告知人員支架壓力超載；監(jiān)測數(shù)值<25 MPa 時，說明液壓支架初撐力不合格。

2.4 結果分析

在工作面2018 年5 月9 日—7 月10 日回采期間，對9#測點數(shù)據(jù)進行記錄并分析整理，生成曲線如圖2 所示；同時對2018 年5 月9 日—5 月18 日全部測點數(shù)據(jù)進行記錄并分析整理，生成對應3 維圖如圖3 所示。

從圖2 可以看出，當工作面推進610～1250 m 范圍時，推采速度平均10.2 m/d；周期來壓步距為14.2～18.2 m，平均15.7 m；來壓強度11 712～12 981 kN，平均12 506 kN；工作阻力為8992～9770 kN，平均9343 kN；動載系數(shù)為1.26～1.40，平均1.34。通過KJ653 礦壓監(jiān)測系統(tǒng)預報，可以及時在來壓期間加強支護，保證了工作面安全高效推采。

圖2 推采距離-綜采支架阻力關系曲線

圖3 推采時間-綜采支架阻力及支架編號3 維圖

3 結束語

紅慶梁煤礦通過KJ653 礦壓系統(tǒng)監(jiān)測并預報回采和檢修期間的綜采面礦壓，實現(xiàn)液壓支架安全高效工作的同時，有效掌握了工作面頂板的來壓狀況，達到了科學監(jiān)測和可靠預報工作面礦壓的目標，進而為礦井的安全高效生產(chǎn)奠定良好的基礎。