巷道頂板離層在線監測系統應用研究

韓升輝

（晉能控股煤業集團趙莊煤業，山西 長治 048000）

頂板離層監測是巷道礦壓觀測主要手段之一，直接關系著頂板安全。機械式離層儀人工觀測存在數據不連續、數據處理不及時等問題，對于頂板短期突發離層缺少實時監測和預警功能。頂板離層在線監測系統近年來逐漸應用到井下，通過環網將監測數據實時傳輸到地面，無需人工采集，且能對數據及時處理分析，大大提高了觀測效率。本文以趙莊煤業二號井1309 工作面安裝的頂板離層在線監測系統為研究對象，介紹其構成和功能，對觀測數據進行分析[1-3]。

1 工程背景

趙莊煤業二號井1309 綜放煤工作面位于井田東部一采區，開采3#煤層，平均厚度4.3 m，平均傾角為8°，設計走向長度950 m，傾向長度為159 m，煤層普氏硬度f =0.4～1.32。老頂為粉砂巖，平均厚度為5.28 m；直接頂為泥巖，平均厚度為0.9 m。

工作面布置13091 和13092 兩條回采巷道，13091 巷為進風巷，13092 巷為回風巷，均沿煤層頂板掘進。巷道高度3 m，寬度5 m，采用錨網索聯合支護，錨桿長度2.4 m，錨索長度7.4 m。在兩條順槽安裝頂板離層在線監測系統。

在線監測系統布置：兩條巷道各布置15 個測點，其中切眼前方90 m范圍各布置3個測點，間距30 m，切眼前方90 m 以外的12 個測點間距均為60 m，在巷口布置監測分站，分站和傳感器之間采用無線連接。最后通過井下環網電纜將數據傳輸到井上。每個監測點傳感器包括兩個基點，深度分為2 m、8 m。測點布置如圖1。

圖1 在線監測點布置示意圖（m）

機械離層儀布置：為了驗證頂板離層在線監測系統監測數據是否準確，在每個在線監測點0.5 m范圍內頂板再安裝一組機械離層儀，兩個基點深度分別為2 m、8 m，人工觀測，每7 d 觀測一次，形成數據對照，同時布置表面位移測點監測頂板下沉情況。

2 頂板離層在線監測系統

2.1 系統構成

頂板離層在線監測系統將計算機檢測技術、數據通訊技術和傳感器技術融為一體，實現了復雜環境條件下對煤礦頂板的自動監測和分析。

系統由6部分組成：（1）計算機及數據處理軟件；（2）KJ216-J 礦用數據通訊接口；（3）KJ216-Z 礦用監測主站；（4）KJ653-F1 礦用本安型數據通訊分站；（5）GUD300W 煤礦本安型頂板位移傳感器；（6）本安型供電電源。另外還有電纜、接線盒、轉接器等本質安全型部件。如圖2。

圖2 頂板位移傳感器外觀

2.2 監測網絡布置

整個監測網絡由地面部分和井下部分組成，通過井下環網連接溝通，連接關系如圖3。

圖3 監測網絡布置示意圖

頂板位移傳感器采集頂板的離層信號，通過無線通訊模塊發送到通信分站，分站匯總所有節點的數據通過RS485 總線傳到通訊主站，將RS485 信號轉換為以太網，和井下變電所的環網交換機連接，通過工業以太環網上傳到地面交換機，通過監測分析軟件進行數據分析和處理。

2.3 系統主要功能

除了基本的信息錄入、圖紙信息顯示和編輯功能外，系統還具備數據收集、數據傳輸、數據存儲、數據顯示、監測報表輸出、數據處理、監測曲線輸出功能，另外可以設置報警閾值，實現報警功能。

最關鍵的是數據處理功能，數據處理采用了智能預警分析方法，該分析方法主要包括：（1）利用時間序列建模、BP 算法進行數據的預處理，將原有參數轉化為可處理分析的參數；（2）通過IGANARBP 優化算法對兩種建模方法的綜合和優化設計，提高系統的智能化程度和穩定性；（3）在推理機中，以計算機編程語言實現模型對數據的預測功能，經過對測點數據的測試，對編程算法進行優化修正，在保證預測精度的基礎上，提高預測效果。

3 在線監測系統數據分析

3.1 數據分析

數據采集傳輸頻率設計為30 min 一次，即每30 min 記錄一個數據，按照一定的時間階段，對各個監測點報表進行輸出。

以6#傳感器為例，截取輸出測點在工作面前方0～156 m 范圍時間段的數據進行統計，2 m 淺基點以下離層量66 mm，8 m 深基點以下離層量85 mm，2～8 m 之間離層量19 mm。6#傳感器基點位移變化曲線如圖4。

3.2 頂板離層量統計

對30 個頂板離層在線監測傳感器測點數據進行統計，所有測點數據連續完整，未丟失數據，離層量統計分析：

頂板正常區：2 m 基點平均離層值57 mm，8 m基點平均離層值71 mm。

頂板破碎區：結合頂板總下沉量數據，2 m 基點平均離層值170 mm，8 m 基點平均離層值241 mm，2～8 m 之間平均離層值71 mm，最大97 mm，最小39 mm；8 m 以上平均離層值39 mm，最大52 mm，最小29 mm。

（1）頂板破碎區離層值相對較大，其中2 m基點平均離層值是頂板正常區的3 倍；8 m 基點平均離層值是頂板正常區的3.4 倍。

（2）頂板正常區0～2 m 離層量占比79%，2～8 m 離層量占比21%；頂板破碎區0～2 m 離層量占比61%，2～8 m 離層量占比25%，8 m 以上離層量占比14%。說明頂板破碎區頂板發生了整體下沉。

3.3 頂板離層規律分析

30 個測點頂板加速離層界點呈現相似的規律，在工作面前方平均23.3 m 位置頂板離層開始加速。

對各個測點加速離層界點前后的離層量占比進行統計，加速界點以內（工作面前方0～23.3 m），頂板離層量平均占比74%，加速界點以外頂板離層量占比26%。說明主要的離層發生在工作面前方23.3 m 范圍內，工作面前方30 m 范圍應當加強支護，防止離層加速擴大。

4 關鍵問題分析

4.1 數據可靠性

傳感器數據具有連續、完整的特點，而機械離層儀數據為人工現場觀測，具備真實性，可以驗證傳感器數據的準確性。對頂板位移傳感器和機械離層儀數據進行對比。

對13091 巷和13092 巷共30 個測點的離層值進行分析，在線監測系統傳感器與機械離層儀數據差別微小，2 m 基點離層值平均偏差0.4 mm，8 m基點離層值平均偏差0.1 mm，2～8 m 之間離層值平均偏差0.3 mm，可以忽略不計。因此可以判斷，在線監測系統傳感器數據比較準確可靠，可以作為頂板離層數據來源。

4.2 預警值確定

理論計算方法只能針對特定的頂板條件進行計算，不具有代表性，本次計劃根據現場實測分析的方法進行預警值確定。

現場表明，頂板8 m 以上出現離層，超出錨索支護范圍，頂板將會出現整體下沉，危害較大。因此，頂板預警的離層值設定標準應滿足頂板8 m 以上不得出現離層。

結合頂板下沉、離層觀測數據和現場頂板下沉實際情況：

（1）13091 巷 的5#、8#，13092 巷 的18#、22#、26#測點頂板8 m 以上出現了離層，5 個測點頂板2～8 m 之間的離層量分別達到59 mm、80 mm、95 mm、72 mm、75 mm，說明保證頂板8 m以上不出現離層的必要條件是2～8 m 之間的離層至少在59 mm 以下。

（2）13091 巷其余測點2～8 m 之間離層值最大為2#測點的43 mm，13092 巷其余測點2～8 m 之間離層值最大為3#測點的21 mm，說明頂板2～8 m 之間離層值小于43 mm 時，8 m 以上不出現離層。

（3）取一定的安全系數，設置當頂板2～8 m之間離層值大于30 mm 時系統進行報警，對該區域采取頂板錨索補強措施，防止離層進一步擴大。

（4）實際過程中還應配合人工觀測，進一步調整預警值，避免特殊情況發生。

5 結論

（1）頂板在線監測預警系統包括地面部分和井下部分，通過工業光纖以太網傳輸數據，能夠實現實時監測和數據傳輸，不丟失數據。

（2）通過數據分析得到了頂板離層規律，在工作面前方平均23.3 m 位置頂板離層開始加速，加速界點以內頂板離層量平均占比74%，加速界點以外頂板離層量占比26%，應對工作面前方30 m 范圍加強支護。

（3）對在線監測傳感器數據可靠性進行了分析，與機械離層儀對比，各區間誤差均較小，數據可靠，同時分析確定2～8 m 之間離層達到30 mm 時，為預警界限。