基于P－t曲线智能实时扑捉的顶板灾害压力监测研究

付东波

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013)

顶板事故的防治一直是煤矿企业安全管理工作的重点。普通的顶板及矿山压力监测不能满足对顶板灾害进行预测预警的要求。天地科技股份有限公司开采设计事业部采矿所对我国煤矿顶板灾害的监测与防治方面进行了大量的研究［1－4］，提出在煤矿安装顶板灾害监测系统，通过实时监测数据得到预警指标，根据指标是否超限对顶板进行治理。在监测的研究和实践中，采煤工作面液压支架工作阻力的监测一直是研究的重点，由于预警的要求需要着重考虑的有:

(1)分析建立支架动作循环的数学模型时，要保证数据的有效性。

(2)由于支架动作过程 (降、移、升)一般约为10～40s，系统的巡检时间不能以安全监控系统的规定巡检时间为标准，需要根据移架时间这一具体参数设定可调节巡检时间，保证不遗漏移架过程的数据，从而保证每一循环支架初撑力的准确性。

(3)有选择性保存和传输监测数据，避免数据过多损失传输效率。

根据上述分析，本文从反映支架与围岩的相互作用关系的移架过程P－t(压力－时间)曲线的特点、顶板灾害压力监测和现场测试研究等方面对顶板灾害监测中的采煤工作面液压支架工作阻力监测进行研究。

1 支架P－t曲线的特点及对监测的意义

采掘工作面上覆岩层中临近煤层的基本顶岩层形成的结构由“煤壁－支架－采空区冒落矸石”这一体系所支撑［5］。煤壁与矸石的特性不同，支架受力情况也不同。支架既要能维护顶板，又需要使用最小的支撑力，因此支架性能具有至关重要的作用。在支架参数中重点要确定工作阻力和可缩量。研究发现，工作阻力与顶板下沉量的P－ΔL曲线能够反映支架与围岩的相互作用关系。本文研究支架工作阻力随时间的变化规律即P－t曲线。

P－t曲线能够反映支架－围岩从不平衡到平衡的发展过程。大量观测记录［6］表明，工作面液压支架的P－t曲线有以下几种主要类型:急增阻型，又分为一次急增阻和二次急增阻;微增阻型;微增阻－恒阻型;初撑－降阻－微增阻型。支架围岩的正常工作状态一般是支架初撑力略低于平衡所需要的值 (即最小临界值)。经过顶板下沉，支架下缩而增阻后，支架围岩进入相对平衡状态。处于微增阻阶段，然后割煤移架时重新出现新的不平衡，出现循环末急增阻。微增阻型和微增阻－恒阻型两种类型意味着支架实际初撑力偏高，支撑后立即进入相对平衡状态，也有安全阀不开启的恒阻型。

急增阻的P－t曲线如图1所示，较为常见。能够反映支架的移架循环过程和顶板来压情况。它的变化规律是升架过程中，当支架撑起顶板时，压力急速上升，升架结束后的压力为初撑力;随后压力进入缓慢上升阶段。当下一次支架移动开始前，由于相邻支架的移动，导致出现压力的又一次快速上升阶段;支架降架，压力随之下降到最低，支架下降前的最高压力为末阻力。根据P－t曲线，能够得到支架的初撑力、末阻力，安全阀开启情况、前后柱受力不平衡情况和立柱不保压情况，可以计算来压步距，判断顶板来压和预测顶板灾害。因此，如果能够实时扑捉并获得完整信息的P－t曲线，则能够提高顶板灾害预警的准确性。

图1 移架过程急增阻型P－t曲线

2 顶板灾害监测系统

2.1 系统的构成

顶板灾害监测系统工作面液压支架压力监测的设备由压力传感器、井下监测分站、信号转换器及网络交换机构成的光纤以太环网、地面主机等构成。压力传感器采集的支架压力数据由监测分站传输至信号转换器，通过光纤以太环网传输至地面主机，由主机进行实时监测和分析处理。

为了能够准确而有效地扑捉支架压力，获得P－t曲线，顶板灾害监测系统必须重点考虑以下两点:一是压力传感器的选型和设计必须满足液压支架循环压力冲击的影响;二是系统的采样协议设计需要考虑采样过程必须满足扑捉压力变化的全周期的要求，也需过滤微增阻时无效数据。

2.2 压力传感器的选型

目前工业级的压力传感器种类较多，用于顶板及矿山压力监测的压力传感器主要有粘贴电阻应变片式、振弦式、压阻式、光纤光栅式等。上述类型传感器在工作阻力测量中都有应用。由于液压支架工作阻力的压力变化属于高强度循环加压、卸压的过程，要求传感器在高温高湿的环境中，耐高压冲击、可靠性高、长期工作不漂移。实践证明［7－9］，溅射薄膜压阻式和硅基压阻式压力传感器适用于工作面的压力监测。溅射薄膜压阻式压力传感器是在高真空度中，利用磁控技术，将绝缘材料、电阻材料以分子形式淀积在弹性不锈钢膜片上，形成分子键合的绝缘薄膜和电阻材料薄膜，并与弹性不锈钢膜片融合为一体，再经过光刻、调阻，温度补偿等工序，在弹性不锈钢膜片表面上形成牢固而稳定的惠斯顿电桥。因此，传感器的稳定性能和使用的温度范围都获得提升。采用半导体材料制作的压阻式压力传感器种类众多，半导体硅是常用的一种材料，称为硅基压力传感器，如绝缘体上硅 (SOI)压力传感器。它的原理是在硅膜片的背面用机械或化学腐蚀的方法加工成中间很薄的凹状，称为硅杯，在它的正面制作压阻电桥。硅基SOI高温压力传感器提高了压力传感器的耐高温性能，同时具有抗电磁辐射和稳定性好等优点。

另外，压力监测设备在煤矿井下使用，必须满足煤矿井下电气产品使用的防爆要求，必须具有防爆认证和安标认证才能够下井使用。由于煤矿井下条件的特殊性，系统设备也必须满足防水、防尘、防磕碰等外壳防护要求，才能保证设备在井下能够正常使用。

2.3 压力采样设计

为了实时扑捉具有完整信息的P－t曲线，同时避免高速采样占用大量传输和存储资源，提出一种智能化采样模式，设置压力阈值p0，设前一个压力的记录值为p'，设压力的变化值为Δp，则

根据被测物理量的变化情况采集数据，设采样频率为k，当采样时间到时，比较Δp和p0。当Δp＞p0，记录当前压力值p。数据急剧变化时可以进行毫秒级采样，阈值p0可以进行调整，保证记录所有信息。数据缓慢变化时，设定定时记录当前压力值p，保证数据在快速变化时不会丢失。采样的硬件单片机程序设计如图2所示。

图2 采样程序

实际应用中必须根据煤矿具体工作面的开采条件、顶板情况、支架参数进行采样频率和阈值的设置。设置后，根据得到的数据情况做进一步调整。

3 现场应用

伊泰集团酸刺沟煤矿6上105－2综放工作面位于酸刺沟井田南部一盘区6上煤层。工作面走向长度为1356m，倾斜长度为245m。基本顶为中粒砂岩，直接顶为粗砂岩。该工作面采用放顶煤开采，采用的支架型号为ZF15000/26/42四柱支撑掩护式，支架参数如表1所示。

表1 ZF15000/26/42四柱支撑掩护式支架参数

工作面共安装顶板灾害监测系统的压力传感器14台，分别位于10～140号支架，每10架布置1台。图3所示为4月7日至4月15日90号、100号和110号支架前柱的P－t曲线。由图可以看出:4月9日支架工作阻力处于增阻状态，90号、100号支架工作阻力超过45MPa，110号支架安全阀开启;4月10日3架支架工作阻力均处于增阻状态;4月11日90号、100号支架工作阻力超过45MPa;4月14日支架工作阻力处于增阻状态，90号、100号支架工作阻力超过45MPa，110号支架安全阀频繁开启。对比该矿工作面来压统计情况 (表2)，实测的P－t曲线与工作面实际情况完全吻合。

图3 顶板灾害监测系统智能采样的P－t曲线

表2 工作面来压统计

4 结论

通过分析采煤工作面支架与围岩的相互作用关系，得出P－t曲线能够反映支架－围岩从不平衡到平衡的发展过程，可为进一步研究顶板灾害预警分析提供有效数据。根据工作面的压力监测对压力传感器的要求，选择溅射薄膜压力传感器和SOI硅基传感器。在智能化采样设计中，采用与设定阈值比较后记录的定值方式获得有效数据，避免大量数据的资源浪费。采用固定时间记录数据的定值方式解决数据突变容易丢失的问题。在酸刺沟煤矿的试验表明，顶板灾害监测系统能够监测完整的P－t曲线、易于分析支架的增阻情况、安全阀开启情况等，应用效果良好。

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