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        采空區(qū)綜合環(huán)境光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在塔山礦的應(yīng)用

        2021-09-03 07:10:32韓鼎業(yè)侯利飛劉宏杰
        同煤科技 2021年4期
        關(guān)鍵詞:礦壓礦用采空區(qū)

        韓鼎業(yè),侯利飛,劉宏杰

        (晉能控股煤業(yè)集團(tuán)塔山煤礦公司 山西大同037003)

        1 應(yīng)用背景

        采空區(qū)綜合環(huán)境光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種可以同時(shí)進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)溫度、頂板礦壓、頂板離層、水位和瓦斯等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)綜合安全信息系統(tǒng)。同時(shí)利用上述參數(shù)對(duì)工作面采空區(qū)內(nèi)瓦斯、水位、溫度、礦壓等數(shù)據(jù)綜合分析密閉效果及煤柱留設(shè)合理性等,建立煤礦采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)而為采空區(qū)內(nèi)環(huán)境監(jiān)控實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和高速反應(yīng)綜合監(jiān)控提供重要的科學(xué)依據(jù),由于系統(tǒng)“采用國(guó)際先進(jìn)的光纖傳感技術(shù),以其性能本質(zhì)安全,不受磁場(chǎng)干擾,數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確,傳輸距離遠(yuǎn)”[1],從根本上填補(bǔ)了目前其他檢測(cè)手段無(wú)法監(jiān)測(cè)采空區(qū)環(huán)境狀態(tài)的技術(shù)空白。

        2 采空區(qū)環(huán)境綜合光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

        2.1 系統(tǒng)介紹

        采空區(qū)綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)采空區(qū)內(nèi)瓦斯、溫度、水位、礦壓、頂板離層等數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)報(bào)警,利用光纖通過(guò)光信號(hào)傳輸,不帶電,傳輸距離長(zhǎng),信號(hào)衰減小的特點(diǎn),使其環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)穩(wěn)定準(zhǔn)確,不受磁場(chǎng)干擾,傳輸距離遠(yuǎn),確保性能達(dá)到本質(zhì)安全,并對(duì)采空區(qū)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè),為采空區(qū)內(nèi)水、火、瓦斯、礦壓提供詳實(shí)數(shù)據(jù)。

        本系統(tǒng)主要包括以下五個(gè)子系統(tǒng):采空區(qū)光纖瓦斯在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、采空區(qū)光纖溫度在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、采空區(qū)光纖巷道頂板礦壓在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、采空區(qū)光纖透水在線監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)、采空區(qū)光纖頂板沉降離層在線監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)。

        通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施,可對(duì)采空區(qū)達(dá)到如下監(jiān)測(cè):

        (1)實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)實(shí)時(shí)環(huán)境溫度與瓦斯?jié)舛取⒒饏^(qū)溫度和火區(qū)位置的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

        (2)分析確認(rèn)采空區(qū)內(nèi)溫度與瓦斯氣體的變化趨勢(shì),火災(zāi)發(fā)生范圍及預(yù)測(cè)未來(lái)火區(qū)發(fā)展趨勢(shì)。

        (3)實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)水位與水溫實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與超限報(bào)警。

        (4)實(shí)現(xiàn)主要監(jiān)控點(diǎn)的頂板來(lái)壓情況的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)及異常報(bào)警。

        (5)實(shí)現(xiàn)頂板沉降離層狀態(tài)預(yù)警。

        (6)對(duì)采空區(qū)密閉效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

        圖1 采空區(qū)綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

        2.2 采空區(qū)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)傳感器安裝數(shù)量及位置

        (1)礦壓傳感器6只,間隔20 m,錨桿深度2.5 m,直徑22 mm,附帶螺母;用于監(jiān)測(cè)頂板壓力,其中一只已經(jīng)封在第一道密閉墻里面;

        (2)頂板離層傳感器4只,間隔25 m,錨固段深度5 m,每只附帶貓爪及鋼絲繩5.5 m,用于檢測(cè)頂板的離層狀況;

        (3)溫度傳感器24只,每?jī)芍粋鞲衅髦g用鋼管保護(hù),共使用23鋼管;用于檢測(cè)采空區(qū)內(nèi)溫度情況;

        (4)水位傳感器1只。用于檢測(cè)采空區(qū)內(nèi)水位情況;

        (5)瓦斯傳感器2只,用于檢測(cè)采空區(qū)內(nèi)瓦斯?fàn)顩r,其中一只已經(jīng)封在第一道密閉墻里面;

        (6)礦區(qū)局域網(wǎng)內(nèi)電腦輸入http://10.25.23.15可以實(shí)時(shí)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

        3 采空區(qū)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用及分析

        3.1 采空區(qū)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

        (1)8105工作面采空區(qū)光纖瓦斯在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

        本系統(tǒng)包括YGXJ220(A)礦用光纖甲烷調(diào)儀1臺(tái)礦用光纖瓦斯傳感器3只,安裝方法如下:

        解調(diào)儀的安裝:YGSJ220(A)礦用光纖甲烷解調(diào)儀放置于井上監(jiān)控中心,使用220 V交流電源供電,通過(guò)RS232與系統(tǒng)工控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,通過(guò)工業(yè)工業(yè)環(huán)網(wǎng)中通訊光纜的3芯光纖與井下延伸到8105密閉墻外的礦用通信光纜相接,在8105密閉墻內(nèi)的礦用通訊光纜通過(guò)三芯光纖與采空區(qū)內(nèi)布設(shè)的3個(gè)礦用光纖瓦斯傳感器相連接。

        傳感器的安裝:3只礦用瓦斯傳感器安裝于8105采空區(qū)的密閉墻內(nèi),按照以往多數(shù)自燃帶的劃分范圍,此次將前兩個(gè)瓦斯傳感器安裝于前100 m范圍內(nèi),安裝地點(diǎn)分別距離密閉墻為30 m、90 m和180 m。傳感器可懸掛于采空區(qū)內(nèi)側(cè)壁上,離地高度在150 cm左右即可。傳感器尾纖分別通過(guò)留在相應(yīng)位置的光纖分線盒與礦用通信光纜相連接。

        (2)8105工作面采空區(qū)光纖溫度在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

        本系統(tǒng)包括YGSJ660(A)礦用光纖光柵解調(diào)裝置1臺(tái)礦用光纖溫度傳感器24只,安裝方法如下:

        解調(diào)儀的安裝:YGSJ660(A)礦用光纖光柵解調(diào)裝置安裝于井下變電所內(nèi),作用是將“多種傳感器返回的光信號(hào)解調(diào)為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)”[2],并在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行顯示,設(shè)備使用660 V動(dòng)力電源或127 V照明電源供電,通過(guò)工業(yè)環(huán)網(wǎng)的通訊光纜中的一芯光纖將數(shù)據(jù)傳輸至井上光端機(jī)中,再通過(guò)井上的光端機(jī)將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并傳輸至工控主機(jī)。

        傳感器的安裝:礦用光纖光柵溫度傳感器用尾纖為φ6 mm的光纜串聯(lián),傳感器每隔5 m~6 m布設(shè)一點(diǎn),傳感器之間的焊點(diǎn)用焊點(diǎn)保護(hù)管(圖2)保護(hù),選15 cm~20 cm長(zhǎng)的塑料管,沿軸向剪開(kāi)管子,并將傳感器通過(guò)此軸向的開(kāi)口套入塑料管(圖3),傳感器所在部位用膠帶扎緊,尾纖在塑料管內(nèi)保留一定的冗余,并在塑料管的兩端用膠帶將尾纖扎緊,使之不能被拽動(dòng),以防在后期施工時(shí)拉壞傳感器。

        圖2 焊點(diǎn)保護(hù)管

        圖3 鋼筒傳感器裝入剪開(kāi)的塑料管

        每12只傳感器共用一芯光纖,將熔接成串的礦用光纖溫度傳感器固定于信號(hào)傳輸主光纜上,并每隔1 m~2 m用膠帶固定一次,每個(gè)傳感器的鋼筒都要與主光纜固定,傳感器的尾纖不可固定得太緊,以防尾纖拉傷;最后將主光纜使用掛鉤懸掛于采空區(qū)的側(cè)壁上,每隔10 m左右布設(shè)一懸掛點(diǎn)即可。

        (3)8105工作面采空區(qū)巷道光纖頂板形變?cè)诰€監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

        本系統(tǒng)包括YGSJ660(A)礦用光纖光柵解調(diào)裝置1臺(tái)礦用光纖壓力傳感器6只,安裝方法如下:

        解調(diào)儀的安裝:本子系統(tǒng)與采空區(qū)光纖溫度在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)共用一臺(tái)YGSJ660(A)礦用光纖光柵解調(diào)裝置,在此不再多述;

        傳感器的安裝:6個(gè)礦用光纖壓力傳感器在180 m長(zhǎng)的距離內(nèi)平局分布,每隔30 m布設(shè)一只傳感器,主要安裝在采空區(qū)的頂板上,首先在監(jiān)測(cè)地點(diǎn)打180 cm深的孔,將孔的表面處理平滑,然后將預(yù)埋錨桿放入,澆注水泥砂漿,待水泥砂漿徹底固化后,然后將礦壓傳感器安裝上,將預(yù)緊螺栓擰緊,最后將傳感器的尾纖通過(guò)在布設(shè)點(diǎn)預(yù)留的分光盒連接到通訊光纜上,并將光纖尾纖用塑料膠管保護(hù)好,防止拉斷。

        圖4 礦壓傳感器安裝圖

        (4)8105工作面采空區(qū)光纖透水在線監(jiān)測(cè)預(yù)警子系統(tǒng)

        采空區(qū)密閉墻設(shè)一用于抽水的“U”型管道,將一只水位傳感器在密閉墻外部從頂部抽水管道中伸入,放到U型管底部;另一只水位傳感器在密閉墻的內(nèi)部,放于“U”型管的另一端,在密閉墻內(nèi)部的一段“U”型管需在底部大直徑1 cm左右的空若干,以使采空區(qū)內(nèi)的水可流入“U”型管內(nèi)。通過(guò)計(jì)算U型管底部與地面的高度差和測(cè)得的水位高度之和即為采空區(qū)內(nèi)水位。

        圖5 水位傳感器施工簡(jiǎn)圖

        3.2 采空區(qū)環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的分析

        通過(guò)8105工作面采空區(qū)進(jìn)行環(huán)境綜合監(jiān)測(cè)應(yīng)用,實(shí)時(shí)有效掌握了采空區(qū)內(nèi)部的瓦斯、溫度、水位、礦壓、頂板離層等數(shù)據(jù),通過(guò)數(shù)據(jù)的整理分析,對(duì)所監(jiān)測(cè)出的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警,解決采空區(qū)綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)的盲區(qū),具體數(shù)據(jù)如下圖:

        圖6 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢界面

        圖7 瓦斯?jié)舛仍诰€監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

        圖8 報(bào)警事件查詢界面

        4 結(jié)語(yǔ)

        光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)集傳感與傳輸于一體,傳輸距離長(zhǎng),信號(hào)衰減小可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量與監(jiān)控,在采空區(qū)綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用可以對(duì)采空區(qū)內(nèi)瓦斯、溫度、水位、礦壓、頂板離層等數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)性監(jiān)測(cè),有效報(bào)警,解決了我們目前面臨的采空區(qū)密閉后內(nèi)部綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)的盲區(qū),為采空區(qū)的治理提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐,為研究煤柱優(yōu)化提供了基礎(chǔ)資料。

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