礦山地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建研究與實(shí)例

張小華， 張楠楠， 盧泰宏

(云南錫業(yè)研究院有限公司， 云南 個(gè)舊 661000)

1 前言

在地下礦山中，由于受傳統(tǒng)地壓監(jiān)測觀念的影響，僅僅是針對礦山某一地點(diǎn)或區(qū)域開展人工現(xiàn)場地壓監(jiān)測，來解決局部的地壓問題，遠(yuǎn)程地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)目前還未得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。地下礦山地壓采用傳統(tǒng)方式進(jìn)行監(jiān)測較多，人工進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，雖然這種方式易于實(shí)施，但觀測周期較長，無法實(shí)施連續(xù)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)容易混亂，也難以快速綜合分析。

隨著國內(nèi)近年來經(jīng)濟(jì)技術(shù)的日漸崛起，由此帶動(dòng)了計(jì)算機(jī)、傳感、通訊等技術(shù)的革新，這些技術(shù)慢慢應(yīng)用在礦山領(lǐng)域，特別是礦山地壓在線監(jiān)測監(jiān)控等方面。業(yè)內(nèi)人士也不斷加大了利用傳感、通訊技術(shù)在礦山地壓在線監(jiān)測方面的研究。

付東波[1]等成功提出將采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測理論應(yīng)用于沖擊危險(xiǎn)工作面的監(jiān)測和預(yù)測。曲效成[2]等通過對濟(jì)三煤礦作業(yè)面實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和數(shù)值計(jì)算，將鉆孔應(yīng)力同鉆屑量、支承壓力之間關(guān)聯(lián)，研究并構(gòu)建了沖擊地壓在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。鞠文君[3]等全方面總結(jié)了我國現(xiàn)有沖擊地壓4種主要監(jiān)測的主要手段以及特點(diǎn)，客觀分析了監(jiān)測理論、方案設(shè)計(jì)、監(jiān)測目標(biāo)、設(shè)備搭配等方面存在的問題。閆靜杰[4]等在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)方面進(jìn)行了相關(guān)研究，張國盛[5]基于人工智能和數(shù)據(jù)庫技術(shù)分析了礦井監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

2 技術(shù)線路及研究內(nèi)容

2.1 原理及技術(shù)路線

地壓活動(dòng)規(guī)律一般通過應(yīng)力、應(yīng)變等形式表現(xiàn)出來。因此，可以借助儀器通過對巖體自身或其附近工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)收集儲(chǔ)存的監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合分析研究巖體應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律及其對巖體穩(wěn)定性的影響關(guān)系從而建立地壓預(yù)警模型以及預(yù)警評價(jià)方法，及時(shí)采取有效的處理和防范措施，確保生產(chǎn)中的安全。

本項(xiàng)目主要結(jié)合云南錫業(yè)股份有限公司某礦山的實(shí)際情況，對井下地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃和構(gòu)建研究，整個(gè)在線系統(tǒng)由傳感器(鉆孔應(yīng)力計(jì)、單點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì))、防水監(jiān)控箱、RS485總線、串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器、雙絞線以太網(wǎng)、光纖交換機(jī)、光纖以太網(wǎng)、計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心等組成，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

項(xiàng)目通過現(xiàn)場調(diào)查、理論分析、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、現(xiàn)場監(jiān)測、系統(tǒng)構(gòu)建等幾方面來進(jìn)行實(shí)施，項(xiàng)目技術(shù)路線如圖2所示。

2.2 主要研究內(nèi)容

(1)主生產(chǎn)區(qū)及重大生產(chǎn)設(shè)施地壓監(jiān)測區(qū)域調(diào)查與監(jiān)測點(diǎn)確定：

①主生產(chǎn)區(qū)及重大生產(chǎn)設(shè)施地壓監(jiān)測區(qū)域調(diào)查；

②空區(qū)檔案建立；

③結(jié)合井下開采歷史情況及以后開采規(guī)劃確定重點(diǎn)監(jiān)測點(diǎn)位置確定，并對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行危險(xiǎn)性初步辨識(shí)。

(2)地壓監(jiān)測方法選擇與實(shí)施方案：

①地壓在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

②監(jiān)測方法確定；

③監(jiān)測儀器設(shè)備選型；

④地壓監(jiān)測方案設(shè)計(jì)。

(3)地壓遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)：

①監(jiān)測硬件及串口服務(wù)器的組網(wǎng)設(shè)計(jì)；

②監(jiān)測模塊軟件設(shè)計(jì)；

③監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程在線傳輸方案設(shè)計(jì)。

3 地壓監(jiān)測區(qū)域調(diào)查

在現(xiàn)場調(diào)查、采空區(qū)、礦柱、巷道地壓顯現(xiàn)規(guī)律的基礎(chǔ)上，兼顧經(jīng)濟(jì)性、靈敏性、簡便性和可靠性的原則，確定每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)采用一個(gè)單點(diǎn)位移計(jì)、一組鉆孔應(yīng)力計(jì)及一個(gè)錨桿應(yīng)力計(jì)對礦山生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)系統(tǒng)工程、重要安全生產(chǎn)設(shè)施、重大采空區(qū)的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。監(jiān)測對象見表1。

4 監(jiān)測系統(tǒng)安裝

4.1 鉆孔施工

根據(jù)傳感器對孔徑及孔深的要求，確定1#單點(diǎn)位移計(jì)(2.5m)鉆孔孔徑42mm，孔深3m；2#單點(diǎn)位移計(jì)(1.5m)鉆孔孔徑42mm，孔深2m；鉆孔應(yīng)力計(jì)鉆孔孔徑42mm，孔深2m；鋼筋應(yīng)力計(jì)鉆孔孔徑55mm，孔深2m。

表1 監(jiān)測對象

4.2 傳感器安裝

1)單點(diǎn)位移計(jì)

按照設(shè)計(jì)的測點(diǎn)深度，將錨頭、傳遞桿，與位移計(jì)本體進(jìn)行組裝。孔底放置錨固劑，將位移計(jì)送入孔內(nèi)，單點(diǎn)位移計(jì)的信號(hào)線敷設(shè)至防水接線盒，具體如圖3所示。

圖3 單點(diǎn)位移計(jì)

2)鋼筋應(yīng)力計(jì)

檢查鉆孔直徑和孔深，孔底放置錨固劑，插入鋼筋應(yīng)力計(jì)，理順電纜，將信號(hào)線敷設(shè)至防水接線盒，具體如圖4所示。

圖4 鋼筋應(yīng)力計(jì)

3) 鉆孔應(yīng)力計(jì)

鉆孔打好后，用工具管子將傳感器送入孔內(nèi)的一定深處，然后給傳感器一個(gè)初應(yīng)力。記下傳感器的初頻，輸入儀表進(jìn)行調(diào)零，將鉆孔應(yīng)力計(jì)的信號(hào)線敷設(shè)至防水接線盒，具體如圖5所示。

圖5 鉆孔應(yīng)力計(jì)

4) 傳感器安裝

防水接線盒及監(jiān)控箱均用膨脹鉤固定在巷道壁上。

4.3 系統(tǒng)連接及顯示

系統(tǒng)主要線纜有光纜、通訊電纜、電源電纜和傳感器電纜。光纜采用4芯鎧裝光纖，通訊電纜采用4×1.0的屏蔽電纜，電源電纜規(guī)格為3×1.0。

傳感器安裝完成后，將傳感器信號(hào)電纜接入防水接線盒內(nèi)，通訊電纜從接線盒內(nèi)的485集線器引出，接入監(jiān)控箱內(nèi)的串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器及光端交換機(jī)。光纜從發(fā)送端防水監(jiān)控箱中的光端交換機(jī)接出，敷設(shè)并接入監(jiān)控箱中的光纜終端盒，通過光端交換機(jī)。引出通訊電纜接入井下環(huán)網(wǎng)交換機(jī)網(wǎng)口端，直接通過井下環(huán)網(wǎng)將監(jiān)測點(diǎn)傳感器的監(jiān)測信息上傳到中控室。防水接線盒接線如圖6所示，發(fā)送端防水監(jiān)控箱接線如圖7所示，接收端防水監(jiān)控箱接線如圖8所示，中控室監(jiān)測信息顯示如圖9所示。

圖6 防水接線盒接線

圖7 發(fā)送端防水監(jiān)控箱接線

圖8 接收端防水監(jiān)控箱接線

圖9 中控室監(jiān)測信息顯示

5 結(jié)論

通過對井下生產(chǎn)區(qū)地壓進(jìn)行長期、實(shí)時(shí)的在線監(jiān)測，分析掌握地壓的變化規(guī)律，有效控制地壓活動(dòng)。為井下采空區(qū)、礦柱、巷道的失穩(wěn)、變形及破壞提供預(yù)報(bào)依據(jù)，技術(shù)保障地下礦山的安全生產(chǎn)。同時(shí)也為礦山今后礦體開采采礦方法、場結(jié)構(gòu)參數(shù)、回采順序、巷道支護(hù)等提供參考依據(jù)。