煤矿顶板灾害监测预警系统及其应用

张会军,杨　磊

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)



煤矿顶板灾害监测预警系统及其应用

张会军,杨磊

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

[摘要]针对我国煤矿顶板事故多发及顶板事故预警分析空白的现状，设计了一种集互联网技术、软件开发技术、CAN总线技术、矿压理论及实践研究成果于一体，同时具有数据融合分析及预警功能的煤矿顶板灾害监测预警系统；详细介绍了预警系统的设计思路、系统构成、软件开发及应用效果。实际应用表明，预警系统可以实现对煤矿顶板灾害灾前征兆信息的有效捕捉，可对煤矿顶板安全隐患进行有效地预测、预警。

[关键词]顶板灾害;在线监测，预警系统，应用

[引用格式]张会军,杨磊.煤矿顶板灾害监测预警系统及其应用[J].煤矿开采，2015，20(6)：94-96,122.

我国煤矿的顶板事故及顶板灾害以其点多面广、控制难度大等特点，在各类煤矿事故中一直居于前列[1-2]。据国家有关部门统计，2014年全国煤矿共发生顶板事故196起，占事故总起数的38.5%，其中工作面来压期间发生围岩动力事故占围岩动力事故的77%左右。

为了预防冒顶事故的发生，就必须加强煤矿矿压动态监测，通过监测工作面支架工作阻力、巷道围岩位移、锚杆锚索受力的变化，可以有效研究并掌握煤矿顶板活动的显现规律[3-6]。

目前已有的矿压监测系统存在以下不足：因循检时间较长无法捕捉到有用的征兆信息，从而导致无法分析征兆；监测数据的可靠性和准确性差；无自动分析数据模型和功能，实现顶板灾害预警，与灾害相关的征兆信息，不能从大量的原始数据中提取，现有的国内矿压监测系统实际就是监测压力、应力、位移等参数，系统主要功能用于监测显示，并不能根据矿压规律进行数据分析和灾害预警。

因此需要开发一种集互联网技术、软件开发技术、CAN总线技术、矿压理论及实践研究成果于一体的煤矿灾害监测预警系统[7-10]，通过远程实时查看并分析各监测矿井的巷道变形破坏情况、锚杆及锚索工作阻力、支架工作状态分布情况，实现围岩稳定性多元参数综合监测与预警，及时发现并排除顶板安全隐患，防止冒顶事故，实现安全生产。

1预警系统设计思路

顶板事故的防治不仅要通过提高支护强度，更要注重管理，加强监测与预警。矿井顶板灾害的发生具有瞬时性，但发生的征兆具有长期性。当顶板发生灾害时进行警示已无法达到预警目的，只有在灾害发生前对其征兆进行分析，才能进行预警从而达到灾前预警的目的。

实现顶板灾害预警，首先要分析灾害相关的征兆信息，如工作面来压步距、支架初撑力、最大工作阻力、安全阀开启率、顶板的离层加速度等，这些信息需要从大量的原始数据中提取。因此，急需在加强矿压监测工作的基础上，开发一种具有自动分析功能的数据模型并能实现灾前预警的监测系统，这样就能有效地减少煤矿顶板事故的发生，避免人员伤亡和不必要的财产损失。

2顶板灾害监测预警系统构成

煤矿顶板灾害预警系统就是要将大量矿压数据直观化，抽象矿压理论形象化，复杂分析过程简单化，分析结果实用化。通过监测煤矿井下采场液压支架工况、围岩变形量等情况，基于最新的矿压理论及实践研究成果，开发统一的监测预警系统，实时评价巷道围岩稳定性以及支架工况，自动预测预报应力异常带、强烈矿压显现等危险区域。该预警系统物理架构总体分为4个层次：一是矿压数据采集层；二是矿压数据存储与管理；三是矿压数据应用；四是矿压数据展示。如图1所示。

图1　预警系统物理结构

(1)矿压数据采集层在集团各井工煤矿布置1台数据采集器，实现对矿压数据的连续实时采集，并通过局域网实时、不间断发送到集团调度室的数据中心。

(2)矿压数据存储与管理层集团调度室设置专用服务器，以矿为单位存储监测数据，ChinDB实时/历史数据库实现数据同步、数据备份管理、数据整合等功能，同时为上层数据应用层统一数据访问接口。

(3)矿压数据应用层通过开发各类专用算法及预警模型，实现实时监控、数据分析、预警及预测预报功能，同时为上层的数据展示提供了基础数据。

(4)矿压数据展示层开发功能齐全、简洁大方的界面统一展示数据分析、诊断及预测结果，可进行历史曲线和综合信息查询、日报表打印等。

3预警系统软件开发

开发了基于WindowsXP以上环境，可以在PC机或工控机上运行煤矿顶板灾害监测预警系统软件，该软件以B/S方式实现，界面采用网页的方式给出。预警系统软件主要功能如表1所示。点击综合显示栏可以通过数据列表、柱状图及采掘平面图3种方式显示实测数据、诊断及预测预报结果；链接预警分析模块，可以直接实时对比分析不同区域工作面支架工作阻力、初撑力及安全阀开启率、顶板来压强度，巷道围岩变形及离层情况。同时在预警查询栏可及时详细查看任意时间、任意区域的监测预警数据和曲线。预警系统软件具有快捷的数据导入、导出及备份等功能，便于进行深入分析。系统的模块名称设置、区域设置、设备管理、分站设置、提供日报表的生成功能报警设置、用户与安全管理可在系统管理部分直接完成，随后根据监测分析进度可以进行监测和分析结果以及日报表的生成和打印。

表1　煤矿顶板灾害预警系统功能

4应用

在安徽皖北煤电集团、鄂尔多斯准旗煤炭局、中煤平朔集团、川煤集团达竹煤电公司等企业运用煤矿顶板灾害监测预警系统先后进行了煤矿顶板灾害监测分析的试验和应用。

图2　煤矿顶板监测预警系统工作面实时监测预警分析

现场以中煤平朔一矿19106工作面及14111，14110巷道实测数据为例，通过一段时间监测并进行动态分析，可以得出2013年8月8日19106综采工作面支架平均初撑力2748.12kN，最大工作阻力为10704.03kN，安全阀开启率为5.88%，不保压率为11.76%，来压步距为39.53m。14111和14110巷道深层、浅层位移最大值分别为5.0mm，6.0mm，其对应报警比例分别达到20.75%，13.21%；锚杆锚索受力最大增值为4.9kN，最大增速为1.8kN/h等(见图2、图3)。应用结果表明，在加强对煤矿顶板的实时动态监测的基础上，可以及时掌握煤矿顶板来压动态特征，借助ChinDB动态数据库对大量原始数据的处理分析，可以有效捕捉工作面来压步距、支架初撑力、最大工作阻力、安全阀开启率和顶板的离层加速度等与顶板灾害相关的征兆信息，及时掌握顶板来压动态特征及其显现规律，也可以规避潜在顶板隐患，有效指导安全生产。

图3　煤矿顶板灾害预警系统巷道实时监测预警分析

5结束语

煤矿顶板灾害监测预警系统的研究应用，进一步提高了煤矿顶板灾害的动态监测水平，基于矿压研究理论及应用实践成果开发的自动数据处理模型通过对预警系统进行的数据采集、存储、处理分析可实现对灾前征兆信息的有效捕捉，实时掌握顶板来压动压特征和来压规律，也可以有效实现对煤矿顶板来压的预测、预报、预警分析，对提高煤矿安全生产具有重要意义。

[参考文献]

[1]国家煤矿安全监察局.2012年度全国煤矿事故分析报告汇编[R].北京：国家煤矿安全监察局，2012.

[2]国家煤矿安全监察局.2013年度全国煤矿事故分析报告汇编[R].北京：国家煤矿安全监察局，2013.

[3]毛德兵，尹希文，张会军.我国煤矿顶板灾害防治与监测监控技术[J].煤炭科学技术，2013，41(9)：105-108，121.

[4]原国政.矿压监测在顶板安全管理中的应用[J].煤炭工程，2006，38(12)：54-55.

[5]姜福兴，曲效成，于正兴，等.冲击地压实时监测预警技术及发展趋势[J].煤炭科学技术，2011，39(2)：54-64.

[6]邹德蕴，刘志刚，姚树阳.采场矿压监测与数据信息融合技术应用研究[J].煤炭科学技术，2011，39(8)：15-18.

[7]付东波，徐刚，毛德兵，等.采煤工作面顶板灾害监测系统的应用[J].煤矿开采，2012，17(6)：82-85.

[8]尹希文，张会军，卢振龙.煤矿顶板灾害监测预警平台的研究与应用[A].全国煤炭行业两化深度融合型智能矿山现场会议论文集[C].2014.

[9]安泽，张江云.煤矿综采工作面顶板灾害预警指标及应用研究[J].煤炭科学技术，2015， 43( 5) ：37-41.

[10]付东波.基于CAN总线的矿山压力监测远程传输解决方案[J].煤矿开采，2010，15(4)：121-124.

[责任编辑：潘俊锋]

Monitoring and Pre-warning System of Mine Roof Disaster and Application

ZHANG Hui-jun，YANG Lei

(Coal Mining and Designing Department，Tiandi Science and Technology Co.,Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract：To the status of the multiple roof incidents and blank warning analysis，the monitoring and pre-warning system of mine roof disaster is designed.This system uses a set of internet technology，software development technology，CAN bus technology，strata theory and practice of research in one，also has data analysis and pre-warning capabilities.This paper introduce design ideas，system configuration，software development and application effect of the pre-warning system.The practical application show that pre-warning system can effectively capture the portent information of coal mine disaster，and to mine roof safety hazards can effectively forecasting and pre-warning.

Key words：roof disaster；online monitoring；pre-warning system；application

[作者简介]张会军(1983-)，男，河南辉县人，助理研究员，开采设计事业部采矿技术研究所副主任，研究方向为矿压及岩层控制等。

[基金项目]天地科技股份有限公司技术创新基金资助课题(KJ-2014-TDKC-05)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.025

[收稿日期]2015-06-26

[中图分类号]TD76；X924.3

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2015)06-0094-03