基于無線移動傳感器對圍巖位移量監測的研究

朱云山

（山西寧武大運華盛莊旺煤業有限公司， 山西 忻州 036700）

隨著煤礦的開采逐步向深部資源轉移，巷道圍巖所受應力變化明顯，尤其是位于掘進工作面前50 m的位置易出現壓力增大、變形嚴重的情況，具有垮落發生的危險性[1]。因此，加強巷道圍巖壓力的監測是保障煤礦安全生產及現有巷道長期穩定的關鍵環節[2]。

但目前巷道圍巖的觀測技術仍有一定的不足，巷道位移量、錨桿應力等數據的采集大多依靠人工進行，效率低下且缺乏針對性的研究[3]。對此本文提出無線移動傳感器監測技術，具有低功耗、高精度數據傳輸穩定性強的特點，并根據巷道的實際條件設計了一種施工更加簡便、快捷的布線方案。

1 無線圍巖移動傳感器的監測原理

無線圍巖移動傳感器是一種現代無線通信技術，結合了微型傳感器的功能特點，近年來，作為有線傳感器監測的補充在煤礦企業得到了大力的推廣。在礦井生產過程中，無論新巷道的開拓或是廢棄巷道的封閉都需要對傳感器節點進行補充或拆卸，而無線移動傳感器這可以在不改變拓撲結構的前提下極大的降低維護成本，并且具備施工快、安裝簡易的特點[4]。

無線圍巖移動傳感器網路具有拓撲動態變化，為了確保網絡通暢并保持較低的功耗，將采用層次性的網絡結構進行設計。巷道中傳感器節點布置在網絡底層，為系統采集數據，網絡中的監測數據經過壓縮、融合等處理后發送到匯聚結點，再然后通過有線傳輸方式進入中控機內對所采集的數據進行管理和分析，從而實現巷道圍巖的實時監測[5]。

2 礦壓觀測的巷道布置

在對莊旺煤礦50201 運輸順槽進行掘進時，需要對巷道頂板、兩幫進行礦壓實施觀測，根據所采集的數據及時進行錨桿扭矩力、錨桿拉拔力以及錨索預緊力、錨固力的排布及方案制定。

2.1 測點布置及觀測方法

1）巷道頂板離層量觀測。從50201 運輸順槽與運料繞道開口處設置1 個觀測點，在巷道頂板正中安裝礦用本安型無線圍巖移動傳感器進行觀測，巷道每隔每50 m 布置一個測點，巷道交叉點、構造帶處另加設礦用本安型無線圍巖移動傳感器。

2）頂底板相對移近量和兩幫相對移近量測點布置。兩幫的中部設點，與無線圍巖移動傳感器站點位置相同。在頂底板中部垂直方向和兩幫水平方向分別進行打孔作業，孔深400 mm，直徑30 mm。再在孔內嵌入木樁，觀測變形量，底板和下幫木樁端部安設平頭測釘。采用十字法用卷尺檢測斷面處頂底板和兩幫的相對移近量。

3）錨桿、錨索的載荷及錨固力。巷道掘進過程中，用錨桿拉力計檢測頂、幫錨桿錨固力，用錨索張拉機具檢測錨索預緊力和錨固力，共需錨桿拉力計1臺，預置式扭力扳手1 把，錨索張拉機具1 臺。

2.2 礦用本安型無線圍巖移動傳感器安裝方法、原理及注意事項

首先，用錨桿鉆機打眼，如下頁圖1 所示，鉆頭采用規格為30 mm 的合金鋼鉆頭和中空六棱釬子。打眼前先敲幫問頂，仔細檢查頂部巖石情況，找掉活矸、危巖，確認安全后方可開始工作。在巷道中央布置鉆孔，眼的位置要準確，垂直巷道頂板。保證礦用本安型無線圍巖移動傳感器測繩自然下垂，根據深部基點長度施工一個鉆孔。

圖1 圍巖位移量傳感器示意圖

其次，進行深部基點安設：用安裝桿將深部基點錨固器推入孔中設計位置（超出錨索錨固端1 m 以上），抽出安裝桿后，手拉一下鋼絲繩，確認錨固器已卡住。

然后，淺部基點：用安裝桿推入淺部基點錨固器至2.1 m 處，抽出安裝桿后用手拉一下鋼絲繩，確認錨固器已固定住。全部裝好后拉力線末端必須用螺絲固定，由技術員使用遙控器將深部與淺部初始讀數調至0。

需要注意的是在礦用本安型無線圍巖移動傳感器工作前，需要進行初始化的校準工作，設置初始讀數為0，最大離層量300 mm。礦用本安型無線圍巖移動傳感器安裝位置距迎頭不得超過3 m。需做到垂直頂板，從而保證離層儀拉力線自然下垂。

2.3 礦用本安型無線圍巖移動傳感器及觀測管理

在使用礦用本安型無線圍巖移動傳感器進行數據存儲時需定期設置預警值，巷道施工過程需保證傳感器清潔完好，不受破壞，并按編號懸掛吊牌管理以便于觀察。

3 工程應用效果

根據對莊旺煤礦50201 工作面中部的鉆孔資料表明，煤層及頂板情況為：5 號煤平均厚12.4 m，直接頂為平均厚度為8.29 m 的泥巖，黑色泥巖，泥質結構，巖性密室，屬較穩定巖層，適合錨桿支護；老頂為平均厚度約15 m 的灰色砂質泥巖，塊狀膠結緊密，局部細砂巖，灰黑色，含石英、白云母分選好，膠結緊密；直接底厚度平均約為1.15 m，以泥巖為主。

對50210 工作面圍巖穩定性的監測點布置見圖2，測點間距50 m，孔深400 mm。通過傳感器的監測數據分析，初步判定50210 工作面應力主要集中在切頂線、構造帶及端頭附近，判定該煤層不受沖擊地壓的危險。工作面老頂來壓步距約30 m，直接頂初次跨落步距約15 m，周期來壓步距為20 m 左右。

圖2 位移傳感器布置圖

4 結語

對巷道圍巖穩定性的監控一直以來都是影響井下頂板支護工作的難點問題。本文通過無線圍巖移動傳感器的應用，實現了對莊旺煤礦掘進工作面前50 m 圍巖應力、頂板位移、聲發射等參數的實時監測，進而更好地研究巷道變形規律，具有成本低廉、數據傳輸速度快、準確率高的特點，對巷道保護煤柱的留設有參考意義。