李少華

（山西潞安集團(tuán)蒲縣常興煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041207）

引言

近些年來(lái)，我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模日益擴(kuò)大，開(kāi)采技術(shù)亦日漸成熟，大部分淺埋資源已經(jīng)接近枯竭，開(kāi)采深度逐年加深[1-2]。我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)已全面進(jìn)入深部開(kāi)采，回采巷道處于大地壓大變形的復(fù)雜條件下，高礦壓帶來(lái)的災(zāi)害尤為突出。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2008年—2015 年底，全國(guó)煤礦發(fā)生礦壓災(zāi)害事故共計(jì)9 500 多起，占煤礦事故總數(shù)的50%以上，近年來(lái)雖然事故發(fā)生率在直線下降，但其作為我國(guó)礦山中最具威脅性的事故[3-4]，建立先進(jìn)完善的礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)煤礦安全具有重大意義。

1 監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的研究

1.1 采面及回采巷道監(jiān)測(cè)要點(diǎn)

現(xiàn)階段預(yù)測(cè)采場(chǎng)圍巖來(lái)壓成災(zāi)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括采面液壓支架的初撐力及工作阻力、回采巷道的頂板下沉量以及錨桿索的受力狀態(tài)等[5]。

1）礦壓顯現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。通過(guò)在液壓支架上安裝應(yīng)力感應(yīng)器實(shí)施監(jiān)測(cè)目的，隨工作面不斷推進(jìn)，采集該過(guò)程中產(chǎn)生的礦山壓力變化數(shù)據(jù)，繼而對(duì)液壓支架的工作阻力參數(shù)進(jìn)行擬態(tài)分析研究，從而得出工作面回采過(guò)程中的頂板上覆巖層的壓力顯現(xiàn)規(guī)律，為采場(chǎng)頂板支護(hù)及支架的選型提供了可靠的理論基礎(chǔ)。

2）頂板離層動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。通過(guò)在工作面的兩條順槽頂板安置離層儀達(dá)到監(jiān)測(cè)要求，采集工作面推進(jìn)過(guò)程中頂板的位移數(shù)據(jù)，可與其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共同分析，確定采場(chǎng)頂板的運(yùn)移狀態(tài)。

3）錨桿（索）應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)?；诎惭b在回采巷道頂板及兩幫的錨桿錨索上的應(yīng)力傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)控頂板動(dòng)態(tài)及支架支護(hù)效果，并分析巷道支護(hù)參數(shù)的合理性。

在采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性方面，除了對(duì)上述要點(diǎn)進(jìn)行主要監(jiān)測(cè)以外，在煤壁片幫、直接頂強(qiáng)度，采高等方面也會(huì)進(jìn)行輔助監(jiān)測(cè)，以達(dá)到對(duì)采場(chǎng)的全方位布控，實(shí)時(shí)掌握各部動(dòng)態(tài)。

1.2 礦山壓力監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

基于在現(xiàn)場(chǎng)安裝的應(yīng)力應(yīng)變感應(yīng)器，位移計(jì)等監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)上傳實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，從而針對(duì)相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方案確定傳感數(shù)據(jù)的閾值或安全臨界指標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)礦壓災(zāi)害的監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

1）支架載荷異常預(yù)警。通過(guò)上傳的支架初次來(lái)壓及周期來(lái)壓階段的支架工作阻力，分析其應(yīng)力變化趨勢(shì)達(dá)到預(yù)警目的。當(dāng)支架的工作阻力低于初撐力、阻力變化波動(dòng)驟升且頻繁或者工作阻力高于額定阻力，均會(huì)觸發(fā)支架異常預(yù)警。

2）頂板離層動(dòng)態(tài)預(yù)警。通過(guò)數(shù)據(jù)分析及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定回采巷道的頂板下沉閾值和變速率，當(dāng)下沉量超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，觸發(fā)預(yù)警系統(tǒng)，釋放異常位移信號(hào)。

3）錨桿索受壓異常預(yù)警?；阱^桿錨索上安裝的應(yīng)變傳感器傳輸數(shù)據(jù)，分析變化趨勢(shì)，設(shè)定范圍閥值。超出該范圍，預(yù)警系統(tǒng)報(bào)警，應(yīng)力異常信號(hào)釋放。

2 智能動(dòng)態(tài)礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該套礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)全稱尤洛卡KJ216/KJ653 煤礦頂板動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這套系統(tǒng)是專門針對(duì)礦井井下進(jìn)行監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)在線系統(tǒng)，它綜合了專業(yè)化的礦壓理論及方法于一身，足以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化。它的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象包括巷道離層監(jiān)測(cè)，錨桿索應(yīng)力監(jiān)測(cè)以及工作面液壓支架的工作阻力監(jiān)測(cè)。整套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由井上，井下兩部分組成。

2.1 井上監(jiān)控報(bào)警網(wǎng)絡(luò)

井上監(jiān)控報(bào)警網(wǎng)絡(luò)通過(guò)傳輸數(shù)據(jù)的接口、配套服務(wù)器、客戶端局域網(wǎng)、GPRS 收發(fā)器等協(xié)同配合工作。該系統(tǒng)傳訊接口由收發(fā)器、以太網(wǎng)接口及收發(fā)器接口組成，可以自動(dòng)監(jiān)控上位計(jì)算機(jī)的運(yùn)行軌跡，當(dāng)上位計(jì)算機(jī)停止工作后會(huì)自動(dòng)備份，在下次登陸服務(wù)器恢復(fù)工作運(yùn)行之后進(jìn)行上傳數(shù)據(jù)任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)故障備用監(jiān)測(cè)功能，見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 礦壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)井上部分組成

圖2 井上聯(lián)網(wǎng)方案

井上的地面主機(jī)接收來(lái)自井下的傳輸數(shù)據(jù)并發(fā)送到總控服務(wù)器，服務(wù)器配備有C/S 監(jiān)查測(cè)算軟件，利用數(shù)據(jù)庫(kù)檢索功能，按需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析及預(yù)警，用戶可通過(guò)客戶端專業(yè)軟件實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

2.2 井下部分

基于主站與多臺(tái)通訊分站協(xié)同作業(yè)完成通訊工作，利用一級(jí)纜線連接主站與分站。通訊分站設(shè)有特定的位置編碼，主站識(shí)別編碼分別對(duì)各分站進(jìn)行觀測(cè)，分站收到檢測(cè)命令之后，將儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)信息發(fā)回總站。通訊主站又將接收自分站的信息傳輸?shù)骄系闹鳈C(jī)匯總數(shù)據(jù)。主傳輸系統(tǒng)所使用的接口包含RDS-100 接口、單模光纖SC.S30-100 接口和以太環(huán)網(wǎng)通訊網(wǎng)口。

這套井下系統(tǒng)主要對(duì)采場(chǎng)液壓支架及運(yùn)輸與回風(fēng)順槽的頂板布置動(dòng)態(tài)作業(yè)。系統(tǒng)還配套備用接口，當(dāng)?shù)V井需要對(duì)多測(cè)區(qū)監(jiān)測(cè)時(shí)方便使用，依靠擴(kuò)展通訊分機(jī)和傳感器對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行擴(kuò)展。

2.3 監(jiān)測(cè)配置

2.3.1 工作面頂板礦壓實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)

安裝在液壓支架上的頂板壓力智能化監(jiān)測(cè)儀器，可在沒(méi)有無(wú)線通訊時(shí)單獨(dú)作業(yè)。每個(gè)分站使用KJ10型油管與支架的液壓回路連接，液壓回路中的液體通過(guò)傳感器釋放電信號(hào)，在通路中被放大，由單片計(jì)算機(jī)完成捕捉，顯示的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線接口存入網(wǎng)關(guān)。同時(shí)除了監(jiān)測(cè)頂板壓力以外還可以識(shí)別初撐力和最大工作阻力，并通過(guò)LCD 顯示屏投影。當(dāng)頂板監(jiān)測(cè)分站收到傳輸分站的發(fā)送數(shù)據(jù)指令后，將其內(nèi)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸。

除了液壓支架處安裝的監(jiān)測(cè)分站，還需在工作面運(yùn)輸順槽設(shè)備列車位置安裝一臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸無(wú)線分站，傳輸無(wú)線分站到第一臺(tái)支架需無(wú)線中繼器。本安型監(jiān)測(cè)主站和本安型網(wǎng)關(guān)安裝在有環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的變電所。通過(guò)傳訊電纜把數(shù)據(jù)傳輸分站與本安型監(jiān)測(cè)分站對(duì)接起來(lái)。以常興5211 工作面為例，具體布置如圖3 所示。

圖3 工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)分站布置示意圖

2.3.2 圍巖移動(dòng)（頂板離層）在線監(jiān)測(cè)

該設(shè)備安設(shè)于圍巖及頂板上，用于監(jiān)測(cè)頂板或兩幫的巖層移動(dòng)信息，感應(yīng)器采用組合式設(shè)計(jì)，使用戶的安裝與回收便捷。傳感器可進(jìn)行通訊、報(bào)警、參數(shù)的顯示及設(shè)置等。

2.3.3 錨桿索應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

該設(shè)備布置于兩條工作面順槽中，同一斷面相鄰安裝。傳感器輸出電壓信號(hào)，傳感器內(nèi)置總線接口連接到RS-485 總線，并將數(shù)據(jù)自動(dòng)發(fā)送到主機(jī)。分站布置示意圖見(jiàn)下頁(yè)圖4。

圖4 巷道頂板離層、錨桿索應(yīng)力監(jiān)測(cè)分站布置示意圖

3 系統(tǒng)試驗(yàn)

3.1 監(jiān)測(cè)站布置方案

以常興煤業(yè)5211 綜采工作面及其回采巷道作為試驗(yàn)對(duì)象，為檢驗(yàn)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，擬在其中布置如上所述的一套系統(tǒng)，具體布置方案如下；

在5211 工作面布置5 組液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)站，在工作面中部、兩個(gè)端頭部位及四等分點(diǎn)對(duì)稱布置各一組，每組分別監(jiān)測(cè)相鄰兩架液壓支架支柱的工作阻力；同時(shí)在該工作面的兩個(gè)順槽內(nèi)各布置三個(gè)測(cè)站，分別對(duì)稱布置在距開(kāi)切眼400 m、700 m、1 000 m 位置。每個(gè)測(cè)站內(nèi)各布置1 個(gè)頂板錨索應(yīng)力傳感器、1 個(gè)頂板錨桿應(yīng)力傳感器、2 個(gè)巷幫錨桿應(yīng)力傳感器、1 個(gè)頂板離層儀和1 個(gè)巷道表面圍巖收斂觀測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)站總體布置如圖5 所示。順槽內(nèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備布置圖如圖6。

圖5 測(cè)站布置位置示意

圖6 測(cè)站監(jiān)測(cè)儀器布置示意圖

3.2 監(jiān)測(cè)效果分析

經(jīng)過(guò)前期工程檢驗(yàn)，所設(shè)計(jì)的礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)科學(xué)有效，可以實(shí)現(xiàn)全方位實(shí)時(shí)無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸，及時(shí)捕捉異常信號(hào)，做出快速應(yīng)對(duì)。該工作面仍在回采階段，礦壓監(jiān)測(cè)還在持續(xù)進(jìn)行中，力求為實(shí)際生產(chǎn)提供科學(xué)準(zhǔn)確的基礎(chǔ)礦壓數(shù)據(jù)，指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

4 結(jié)論

1）基于現(xiàn)場(chǎng)總線和以太環(huán)網(wǎng)所進(jìn)行的一套集數(shù)據(jù)采集、總線傳輸、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)信息庫(kù)于一體的管理系統(tǒng)對(duì)于礦山壓力災(zāi)害的預(yù)警有極好的適用性，可有效提高監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的精確性。

2）經(jīng)實(shí)踐證實(shí)，該系統(tǒng)行之有效地解決了監(jiān)測(cè)精度低，參數(shù)單一以及信息不能實(shí)時(shí)傳輸?shù)膯?wèn)題，能夠直觀便捷地給管理人員提供動(dòng)態(tài)變化的礦壓信息，加快了工作效率，減少了礦井安全隱患，保障了企業(yè)的快速發(fā)展。