鉆屑法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳系統(tǒng)的應(yīng)用研究

袁騰飛,孔 震,車(chē)景礦,史 振,曹麗娜

(1.兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦,山東 菏澤 274700;2.內(nèi)蒙古雙欣礦業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000;3.尤洛卡(山東)礦業(yè)科技有限公司,山東 泰安 271000)

0 引言

沖擊地壓是指煤礦井巷或工作面周?chē)拿簬r體由于彈性能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動(dòng)力現(xiàn)象[1-3],常伴有煤巖體瞬間位移、拋出、巨響及氣浪等。沖擊地壓的監(jiān)測(cè)方法有多種[4-5],鉆屑法作為一種簡(jiǎn)單、可靠的沖擊地壓監(jiān)測(cè)手段[6],在沖擊地壓預(yù)測(cè)、卸壓效果檢驗(yàn)等方面具有重要作用,因而備受工程技術(shù)人員重視。鉆屑法是通過(guò)在煤體中施工小直徑鉆孔,根據(jù)單位孔深排粉量變化規(guī)律以及動(dòng)力效應(yīng),了解煤體應(yīng)力集中程度、峰值大小及位置,從而鑒別沖擊危險(xiǎn)的一種方法。鉆屑法監(jiān)測(cè)沖擊地壓的指標(biāo)主要有3種:鉆屑量指標(biāo)、鉆屑粒度指標(biāo)和動(dòng)力現(xiàn)象指標(biāo),各臨界指標(biāo)反映的都是煤體應(yīng)力峰值大小及集中程度,在沖擊危險(xiǎn)較高的區(qū)域,往往多種指標(biāo)會(huì)同時(shí)出現(xiàn)。

目前,鉆屑法預(yù)測(cè)沖擊地壓仍然采用人工鉆孔、取屑、稱重記錄等程序,監(jiān)測(cè)情況往往需要當(dāng)班人員升井后交予防沖部門(mén),然后再由技術(shù)人員對(duì)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行分析,因而具有較大的滯后性。“十四五”以來(lái),智能化礦井的建設(shè)是各礦井發(fā)展的重要方向[7-10],當(dāng)前鉆屑的數(shù)據(jù)傳輸方式不符合礦井智能化發(fā)展的要求。鉆屑法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳系統(tǒng)改變了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的滯后性問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了3種鉆屑指標(biāo)的實(shí)時(shí)傳輸、數(shù)據(jù)的自動(dòng)化分析,可將鉆屑情況及時(shí)反映給防沖人員,供技術(shù)人員綜合分析研判,使鉆屑法在對(duì)沖擊地壓的監(jiān)測(cè)中更加簡(jiǎn)便、高效。

1 系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)組成:煤粉量數(shù)字計(jì)量裝置、稱重桶、手持操控器、KJ743應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)以及地面數(shù)據(jù)分析軟件。

系統(tǒng)功能:將取屑過(guò)程中的煤粉量、動(dòng)力現(xiàn)象通過(guò)KJ743應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)上傳到地面分析軟件,分析軟件實(shí)時(shí)接收煤粉量的數(shù)據(jù),自動(dòng)出具每個(gè)孔的煤粉量曲線及日?qǐng)?bào)表。

1.1 煤粉量數(shù)字計(jì)量裝置

該裝置采用STM32為控制核心,利用模塊化的設(shè)計(jì)方法,硬件結(jié)構(gòu)主要包括稱重模塊,數(shù)據(jù)采集和處理模塊,最小系統(tǒng)模塊,鍵盤(pán)和液晶顯示、無(wú)線Mesh通訊模塊及藍(lán)牙通訊模塊,裝置示意如圖1所示,主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 裝置主要技術(shù)指標(biāo)

圖1 煤粉量數(shù)字計(jì)量裝置示意

1.2 煤粉計(jì)量實(shí)時(shí)上傳功能

為了將煤粉量測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞給井上工作人員、同時(shí)滿足設(shè)備簡(jiǎn)單可靠的要求,系統(tǒng)采用無(wú)線路由Mesh自組網(wǎng)通訊方式,將鉆屑法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)融入礦井在用監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸,如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)上傳示意

除了借用礦井在用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳之外,系統(tǒng)根據(jù)礦井可能遇到的不同環(huán)境,提供另外2種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳方式。①通過(guò)手持操控器的藍(lán)牙方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,當(dāng)井下有4G、5G或WiFi信號(hào)時(shí),可直接將信號(hào)傳送到地面分析軟件;②將采集完數(shù)據(jù)的手持操控器拿到地面,通過(guò)藍(lán)牙方式把數(shù)據(jù)導(dǎo)入地面分析軟件。

1.3 手持遙控器研發(fā)

基于安卓系統(tǒng)開(kāi)發(fā),支持5G、4G、WiFi及藍(lán)牙無(wú)線通信功能、具備前置雙攝、后置三攝功能。可通過(guò)藍(lán)牙方式對(duì)煤粉量數(shù)字計(jì)量裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,遙控器內(nèi)嵌數(shù)據(jù)采集分析顯示軟件,可就地查看煤粉數(shù)據(jù),也可通過(guò)井下5G、4G、WiFi信號(hào)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到地面分析軟件。

1.4 井上軟件自動(dòng)分析、預(yù)警功能

監(jiān)測(cè)服務(wù)器接收井下鉆屑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、曲線分析、出具監(jiān)測(cè)報(bào)表、煤粉量超限時(shí)自動(dòng)預(yù)警等功能。同時(shí),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可接入沖擊地壓綜合預(yù)警平臺(tái),平臺(tái)基于系統(tǒng)中的鉆屑法預(yù)警參數(shù),計(jì)算沖擊危險(xiǎn)性系數(shù),給出安全評(píng)價(jià)等級(jí),以此指導(dǎo)安全生產(chǎn)。

2 系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 巷道基本情況

趙樓煤礦7306運(yùn)輸順槽位于七采區(qū)西翼,頂板由灰白色細(xì)砂巖,石英、長(zhǎng)石、暗色礦物及云母組成,顆粒次圓狀,下部顆粒有所增大。硬度系數(shù)f=7～8。灰色粉砂巖,平坦?fàn)睢⒇悮顢嗫?發(fā)育裂隙,充填方解石及黃鐵礦薄膜,下部巖芯破碎,硬度系數(shù)f=6～7。直接頂?shù)暮穸?.15～3.79 m,平均厚度3.47 m;底板灰色粉砂巖,平坦?fàn)睢⒇悮顢嗫?發(fā)育裂隙,充填方解石及黃鐵礦薄膜,下部巖芯破碎,硬度系數(shù)f=6～7。砂質(zhì)泥巖灰綠色,局部夾薄層砂巖,質(zhì)軟,硬度系數(shù)f=3～5;3號(hào)煤層厚度6.4～9.0 m,平均7.0 m。褐黑色條痕,瀝青光澤、玻璃光澤,層狀構(gòu)造,條帶結(jié)構(gòu),主要由亮煤組成,次為暗煤,為半亮型煤,階梯狀斷口,內(nèi)外生裂隙發(fā)育,充填方解石,含少量黃鐵礦晶粒。局部含不穩(wěn)定碳質(zhì)泥巖夾矸,質(zhì)較硬。煤層普氏系數(shù)f=0.8～2.3,平均1.6。主要用于7306工作面通風(fēng)、設(shè)備安裝、物料運(yùn)輸、行人等,7306運(yùn)輸順槽巷道設(shè)計(jì)施工長(zhǎng)度1 755.9 m,巷道整體沿3號(hào)煤底板掘進(jìn),預(yù)計(jì)巷道底板標(biāo)高-987.05～-885.65 m,埋藏深,且掘進(jìn)過(guò)程中預(yù)計(jì)揭露Fd83、Fd61、Fd58斷層及煤層分岔區(qū)。

根據(jù)《趙樓煤礦7306掘進(jìn)工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)》《趙樓煤礦7306掘進(jìn)工作面防沖設(shè)計(jì)》,7306運(yùn)輸順槽及聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)工作面的沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定綜合指數(shù)Wt=0.57(等級(jí):中等沖擊危險(xiǎn))。綜合評(píng)定將7306運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分為2類(lèi):中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域和強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域,鉆屑法監(jiān)測(cè)根據(jù)不同等級(jí)的沖擊危險(xiǎn)區(qū)制定了不同的鉆屑措施。

2.2 系統(tǒng)的應(yīng)用

7306運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間主要采用鉆屑法、應(yīng)力在線、微震聯(lián)合監(jiān)測(cè),并輔以動(dòng)壓顯現(xiàn)進(jìn)行觀測(cè),鉆屑法監(jiān)測(cè)在7306運(yùn)輸順槽沖擊地壓局部監(jiān)測(cè)預(yù)警、預(yù)警驗(yàn)證、卸壓效果檢驗(yàn)中具有重要作用。鉆屑法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳系統(tǒng)使用前,鉆屑工人采用人工鉆孔的方式獲取每米鉆屑量,將煤粉引入收集桶中進(jìn)行稱重,礦井采用專(zhuān)用表格記錄打眼地點(diǎn)、時(shí)間、鉆屑排出量,以及打眼過(guò)程中出現(xiàn)的鉆桿跳動(dòng)、卡鉆、吸鉆、劈裂聲和微沖擊等動(dòng)力現(xiàn)象,本班鉆屑任務(wù)結(jié)束后,當(dāng)班人員升井后將鉆屑監(jiān)測(cè)情況交予防沖部門(mén),再由技術(shù)人員對(duì)監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行分析。鉆屑法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳系統(tǒng)研發(fā)后,改變了傳統(tǒng)的操作方法,該系統(tǒng)首先在7306運(yùn)輸順槽使用,如圖3所示。鉆屑工作仍采用人工打孔,煤粉的測(cè)量以及動(dòng)力效應(yīng)等信息的記錄采用該系統(tǒng),每打完1 m鉆孔,將收集的煤粉量放入煤粉量數(shù)字計(jì)量裝置上進(jìn)行稱量,同時(shí)還可添加鉆孔過(guò)程中的動(dòng)力效應(yīng),點(diǎn)擊“確定”鍵,就可將本次煤粉量數(shù)據(jù)及動(dòng)力現(xiàn)象通過(guò)系統(tǒng)發(fā)送至分站及地面服務(wù)器,地面分析軟件可實(shí)現(xiàn)鉆屑數(shù)據(jù)查詢、沖擊危險(xiǎn)情況自動(dòng)分析、鉆屑報(bào)表自動(dòng)生成等功能,如圖4所示。也可通過(guò)手持操控器的藍(lán)牙方式進(jìn)行稱重裝置的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集,操控器內(nèi)嵌數(shù)據(jù)采集分析軟件,可就地查看煤粉數(shù)據(jù),當(dāng)井下有4G、5G或WiFi信號(hào)時(shí),可直接將信號(hào)傳送到地面分析軟件,也可到地面通過(guò)藍(lán)牙方式把數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)分析軟件中。

圖3 系統(tǒng)的使用

圖4 鉆屑報(bào)表查詢

該系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的煤粉稱重、數(shù)據(jù)記錄及上傳方式,改變當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏笮?且該系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、傳輸可靠、自動(dòng)分析等優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了鉆屑數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸、數(shù)據(jù)的自動(dòng)化分析,可將鉆屑情況及時(shí)反映給相關(guān)人員,使鉆屑法在對(duì)沖擊地壓的監(jiān)測(cè)中更加簡(jiǎn)便、高效。

3 結(jié)論

(1)鉆屑法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳系統(tǒng)主要由煤粉量數(shù)字計(jì)量裝置、手持遙控器、分析軟件等組成,其中煤粉量數(shù)字計(jì)量裝置精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、當(dāng)超限時(shí)自動(dòng)報(bào)警;井上分析軟件實(shí)現(xiàn)鉆屑情況自動(dòng)分析、自動(dòng)預(yù)警、自動(dòng)生成報(bào)表。

(2)系統(tǒng)提供3種鉆屑監(jiān)測(cè)結(jié)果的上傳方式:采用無(wú)線路由自組網(wǎng)通信方式,借用應(yīng)力在線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),將煤粉量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到地面,不需要單獨(dú)鋪設(shè)專(zhuān)網(wǎng);通過(guò)手持操控器的藍(lán)牙方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,當(dāng)井下有4G、5G或WiFi信號(hào)時(shí),可直接將數(shù)據(jù)傳送到地面分析軟件;將采集完數(shù)據(jù)的手持操控器拿到地面,通過(guò)藍(lán)牙方式把數(shù)據(jù)導(dǎo)入地面分析軟件。

(3)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、智能化程度高,可將鉆屑過(guò)程中鉆孔每米煤粉量、動(dòng)力效應(yīng)等信息實(shí)時(shí)傳送至地面,及時(shí)對(duì)鉆孔信息情況進(jìn)行分析,完全滿足鉆屑法監(jiān)測(cè)的相關(guān)要求,使鉆屑法在對(duì)沖擊地壓的監(jiān)測(cè)中更加簡(jiǎn)便、高效。