礦山智能礦壓監測系統的研究與應用

李少華

（山西潞安集團蒲縣常興煤業有限公司，山西 臨汾 041207）

引言

近些年來，我國煤炭產業發展規模日益擴大，開采技術亦日漸成熟，大部分淺埋資源已經接近枯竭，開采深度逐年加深[1-2]。我國煤炭產業已全面進入深部開采，回采巷道處于大地壓大變形的復雜條件下，高礦壓帶來的災害尤為突出。據不完全統計，2008年—2015 年底，全國煤礦發生礦壓災害事故共計9 500 多起，占煤礦事故總數的50%以上，近年來雖然事故發生率在直線下降，但其作為我國礦山中最具威脅性的事故[3-4]，建立先進完善的礦壓監測系統對煤礦安全具有重大意義。

1 監測預警技術的研究

1.1 采面及回采巷道監測要點

現階段預測采場圍巖來壓成災的主要監測內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等[5]。

1）礦壓顯現狀態監測。通過在液壓支架上安裝應力感應器實施監測目的，隨工作面不斷推進，采集該過程中產生的礦山壓力變化數據，繼而對液壓支架的工作阻力參數進行擬態分析研究，從而得出工作面回采過程中的頂板上覆巖層的壓力顯現規律，為采場頂板支護及支架的選型提供了可靠的理論基礎。

2）頂板離層動態監測。通過在工作面的兩條順槽頂板安置離層儀達到監測要求，采集工作面推進過程中頂板的位移數據，可與其他監測數據共同分析，確定采場頂板的運移狀態。

3）錨桿（索）應力在線監測。基于安裝在回采巷道頂板及兩幫的錨桿錨索上的應力傳感器，可實時監控頂板動態及支架支護效果，并分析巷道支護參數的合理性。

在采場圍巖穩定性方面，除了對上述要點進行主要監測以外，在煤壁片幫、直接頂強度，采高等方面也會進行輔助監測，以達到對采場的全方位布控，實時掌握各部動態。

1.2 礦山壓力監測預警技術

基于在現場安裝的應力應變感應器，位移計等監測設備，對上傳實時數據進行解析處理，從而針對相應的監測方案確定傳感數據的閾值或安全臨界指標，以實現對礦壓災害的監測和預警。

1）支架載荷異常預警。通過上傳的支架初次來壓及周期來壓階段的支架工作阻力，分析其應力變化趨勢達到預警目的。當支架的工作阻力低于初撐力、阻力變化波動驟升且頻繁或者工作阻力高于額定阻力，均會觸發支架異常預警。

2）頂板離層動態預警。通過數據分析及工程實踐經驗確定回采巷道的頂板下沉閾值和變速率，當下沉量超過預設閾值時，觸發預警系統，釋放異常位移信號。

3）錨桿索受壓異常預警。基于錨桿錨索上安裝的應變傳感器傳輸數據，分析變化趨勢，設定范圍閥值。超出該范圍，預警系統報警，應力異常信號釋放。

2 智能動態礦壓監測系統

該套礦壓監測系統全稱尤洛卡KJ216/KJ653 煤礦頂板動態實時在線監測系統，這套系統是專門針對礦井井下進行監測的實時在線系統，它綜合了專業化的礦壓理論及方法于一身，足以實現監測的數字化網絡化。它的主要監測對象包括巷道離層監測，錨桿索應力監測以及工作面液壓支架的工作阻力監測。整套監測系統由井上，井下兩部分組成。

2.1 井上監控報警網絡

井上監控報警網絡通過傳輸數據的接口、配套服務器、客戶端局域網、GPRS 收發器等協同配合工作。該系統傳訊接口由收發器、以太網接口及收發器接口組成，可以自動監控上位計算機的運行軌跡，當上位計算機停止工作后會自動備份，在下次登陸服務器恢復工作運行之后進行上傳數據任務，從而實現故障備用監測功能，見圖1、圖2。

圖1 礦壓在線監測系統井上部分組成

圖2 井上聯網方案

井上的地面主機接收來自井下的傳輸數據并發送到總控服務器，服務器配備有C/S 監查測算軟件，利用數據庫檢索功能，按需對數據進行分類分析及預警，用戶可通過客戶端專業軟件實時在線監測。

2.2 井下部分

基于主站與多臺通訊分站協同作業完成通訊工作，利用一級纜線連接主站與分站。通訊分站設有特定的位置編碼，主站識別編碼分別對各分站進行觀測，分站收到檢測命令之后，將儲存的數據信息發回總站。通訊主站又將接收自分站的信息傳輸到井上的主機匯總數據。主傳輸系統所使用的接口包含RDS-100 接口、單模光纖SC.S30-100 接口和以太環網通訊網口。

這套井下系統主要對采場液壓支架及運輸與回風順槽的頂板布置動態作業。系統還配套備用接口，當礦井需要對多測區監測時方便使用，依靠擴展通訊分機和傳感器對測區進行擴展。

2.3 監測配置

2.3.1 工作面頂板礦壓實時網絡監測

安裝在液壓支架上的頂板壓力智能化監測儀器，可在沒有無線通訊時單獨作業。每個分站使用KJ10型油管與支架的液壓回路連接，液壓回路中的液體通過傳感器釋放電信號，在通路中被放大，由單片計算機完成捕捉，顯示的數據通過無線接口存入網關。同時除了監測頂板壓力以外還可以識別初撐力和最大工作阻力，并通過LCD 顯示屏投影。當頂板監測分站收到傳輸分站的發送數據指令后，將其內儲存數據自動傳輸。

除了液壓支架處安裝的監測分站，還需在工作面運輸順槽設備列車位置安裝一臺數據傳輸無線分站，傳輸無線分站到第一臺支架需無線中繼器。本安型監測主站和本安型網關安裝在有環網交換機的變電所。通過傳訊電纜把數據傳輸分站與本安型監測分站對接起來。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測分站布置示意圖

2.3.2 圍巖移動（頂板離層）在線監測

該設備安設于圍巖及頂板上，用于監測頂板或兩幫的巖層移動信息，感應器采用組合式設計，使用戶的安裝與回收便捷。傳感器可進行通訊、報警、參數的顯示及設置等。

2.3.3 錨桿索應力實時監測

該設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，傳感器內置總線接口連接到RS-485 總線，并將數據自動發送到主機。分站布置示意圖見下頁圖4。

圖4 巷道頂板離層、錨桿索應力監測分站布置示意圖

3 系統試驗

3.1 監測站布置方案

以常興煤業5211 綜采工作面及其回采巷道作為試驗對象，為檢驗該監測系統的可靠性，擬在其中布置如上所述的一套系統，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測站，在工作面中部、兩個端頭部位及四等分點對稱布置各一組，每組分別監測相鄰兩架液壓支架支柱的工作阻力；同時在該工作面的兩個順槽內各布置三個測站，分別對稱布置在距開切眼400 m、700 m、1 000 m 位置。每個測站內各布置1 個頂板錨索應力傳感器、1 個頂板錨桿應力傳感器、2 個巷幫錨桿應力傳感器、1 個頂板離層儀和1 個巷道表面圍巖收斂觀測點。監測站總體布置如圖5 所示。順槽內監測設備布置圖如圖6。

圖5 測站布置位置示意

圖6 測站監測儀器布置示意圖

3.2 監測效果分析

經過前期工程檢驗，所設計的礦壓監測系統科學有效，可以實現全方位實時無線數據的傳輸，及時捕捉異常信號，做出快速應對。該工作面仍在回采階段，礦壓監測還在持續進行中，力求為實際生產提供科學準確的基礎礦壓數據，指導生產實踐。

4 結論

1）基于現場總線和以太環網所進行的一套集數據采集、總線傳輸、網絡技術信息庫于一體的管理系統對于礦山壓力災害的預警有極好的適用性，可有效提高監測預警系統的精確性。

2）經實踐證實，該系統行之有效地解決了監測精度低，參數單一以及信息不能實時傳輸的問題，能夠直觀便捷地給管理人員提供動態變化的礦壓信息，加快了工作效率，減少了礦井安全隱患，保障了企業的快速發展。