矿压监测系统搭建方式及技术浅析

樊 君

（宁夏煤矿设计研究院有限责任公司，宁夏 银川 750021）

煤矿作为国家能源产业的支柱，煤炭开采过程是一个与大自然搏斗的艰难过程，面临着水、火、瓦斯、煤尘、顶板等自然灾害的威胁。特别是随着煤炭开采深度的不断延深，顶板事故成为煤矿开采的重大危险源，冲击地压及顶板灾害防治是煤炭行业和煤炭企业一直关注和着力解决的重大安全问题。

特别是近几年国家应急管理部、煤矿安监局相继出台了一系列的法规政策用于预防冲击地压事故的发生[1]。本论文围绕矿压监测的内容及监测方式，对矿压监测系统搭建方式及设备布置方式术进行论述。

1 系统监测内容

（1）监测液压支架初撑力水平、安全阀开启、支架保压情况、立柱受力平衡情况、支架工作阻力分布等数据[2]，对液压支架工作阻力和适应性进行评价，对今后工作面液压支架选型提供指导意见。

（2）监测顶板岩层离层情况[3]，显示锚（索）杆长度范围内和锚（索）杆同范围外的顶板岩层的离层情况。为煤矿工程技术人员提供确定锚（索）杆的长度，了解所使用的锚（索）杆的合理性、经济性而需要的科学依据，对巷道顶板发生离层显现进行预警，从而有效的防止顶板事故的发生，确保煤矿安全生产。

（3）监测围岩（钻孔）应力水平[4]，显示煤岩体支撑应力变化，分析应力场作用的范围、强度和运动方向，为冲击地压的卸压措施实施提供依据。

（4）监测锚杆（索）应力水平[5]，显示应力变化，为锚杆（索）的参数选择和布置数量提供依据。

（5）监测微震及电磁辐射数据[6]，对矿井冲击地压进行监测，同时利用该数据可反映井下应力集中区，可对该区域进行顶板岩层离层、围岩（钻孔）应力、锚杆（索）应力进行重点监测。

2 系统搭建方式

矿压监测系统可分为三个层面进行搭建，即数据应用层、数据储存与管理层与基础设备层。

2.1 数据应用层

数据应用层由矿压监测信息网络集成平台构成，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、及预测预报等功能。矿压监测信息网络集成平台需站在全集团矿井矿压监测的高度上进行搭建，平台监测数据前期可以某一个矿井数据为主，后期矿压监测系统在集团各矿井推广后，各矿数据可直接集成至该平台。平台为纯软件系统，为充分利用已有硬件及网络资源，可直接部署在集团机房已有服务器或私有云平台上，由信息中心统一维护及管理，也可以新增机柜及服务器用以部署该平台，考虑到网络及信息安全，不建议将平台部署在第三方云平台上。在集团调度室增设1台工程师站，用于系统维护及操作及显示，如有需要可直接利用调度室已有大屏系统进行显示。

2.2 数据储存与管理层

数据储存与管理层主要由服务器、工程师站等设备组成。在一号井机房内布置两台服务器，1台作为应用服务器、1台作为数据库及WEB服务器，搭建羊场湾矿压监测系统集成平台，开发简洁、可靠、全面的数据库及列表，将各矿压监测子系统的监测数据进行整合并存储，实现数据同步、数据备份管理、数据初步分析等功能，同时为上层数据应用层统一数据访问接口。

2.3 基础设备层

基础设备层主要由工作面压力监测系统、顶板离层监测系统、钻孔应力监测系统、锚杆（索）应力监测系统及冲击地压监测系统组成。各系统主要由矿用有线或无线传感器、矿用监测分站、矿用监测主站等设备组成。传感器将监测数据以无线或有线传输的方式传输至监控分站，而后监控分站已总线传输的方式将数据传输至监测主站，经过数据处理及协议转换后，利用矿井下工业环网，将数据传输至数据储存与管理层。

3 矿压监测信息集成平台软件构架

3.1 系统概述

目前，随着各矿业集团煤矿煤炭生产能力的提高、开采强度的增大和向深部开采转移，顶板安全问题越来越凸现。现各煤矿的基础网络建设已经基本完善，各种监测分析系统也相对来说比较成熟，生产管理方面也有一部分系统进行支撑。由于这些系统从不同的出发点开展研究，都有自己的鲜明的特色，同时也存在自己的不足，目前存在以下问题：

（1）现有系统间缺少整合，数据不能共享，集团公司不能实时有效的了解各分矿的矿压监测情况。

（2）业务系统建设不完善，主要还是以口头或书面的形式汇报矿压监测情况，有时上下级管理信息不对称，无法进行有效的分析，不能很好地支撑领导管理决策。

（3）实时监测系统的信息处理手段相对落后。缺乏对矿压监测数据的有效分析。

（4）集团公司管理数据和各部门的监测数据评估数据等各方面信息不能实现有效集成。

因此，为了从系统工程的角度整体上对集团公司及下属各煤矿进行统一的监控管理，防止″信息孤岛″现象，需要建立统一的矿压监测信息网络集成平台，对各矿业集团的可持续发展及开展预防煤矿顶板工作具有十分重要的意义。

3.2 实现目标

（1）建立数据中心：建立统一、集中的实时数据库平台，采用多种通讯手段，实现实时数据的采集和存储，为事故分析提供可靠的依据。

（2）打通数据通道，消除“信息孤岛”：打通集团与分矿的纵向数据通道，消除信息孤岛。

（3）实现数据的分级共享和监测：通过完善的用户管理机制，实现数据的分级共享和监测。

（4）提高数据分析的能力：通过数据分析工具，采用多样化的数据展示方式对煤矿安全生产实时数据进行分析和智能化应用，实现生产数据及设备状态的统计、分析，为领导的决策提供科学的支持。

（5）建设矿压监测的信息化整合平台：为了便于管理人员及时了解生产状况，配置了一套可缩放的、可扩展的信息门户。

（6）根据矿压监测数据，对巷道锚杆（索）参数设计提供指导意见。

（7）根据液压支架的受力情况，对液压支架工作阻力和适应性进行评价，并对今后综放工作面液压支架选型提供指导意见。

（8）根据综合参数分析，实现工作面初次来压、周期来压、冲击地压等事件的提前预警，并通过手机APP消息推送及短信通知的方式告知相关人员。

3.3 软件平台架构

平台架构主要分为三层：决策支持层、生产执行层及基础数据层。

（1）决策支持层部署在集团公司，采用B/S架构方式，通过已有信息化网络，集成各煤矿现有或即将建立的监测系统数据，通过统一的信息门户建设，最终实现各系统之间的数据整合、界面整合，从而为企业领导提供综合矿压监测信息门户。平台主要用于集团公司对所辖各矿的矿压监测系统进行实时监控、远程监管、资源共享和科学管理。监管部门能通过该系统平台及时掌握所辖煤矿的矿压及冲击地压状况，及时发现安全隐患，跟踪隐患的整改和处理情况，同时对监测信息进行综合性动态分析，为领导决策提供依据，将事故消灭在萌芽状态，达到安全损失的最小化。

（2）生产执行层部署在矿端服务器，采用B/S+C/S架构方式，通过矿已有信息化网络，集成各矿压监测子系统的数据及信息，并将各矿压监测子系统从功能上加以区分，硬件结构使用统一的地址编码，系统的实际布置上传感器可以混合排列，监测服务器通过通讯协议区分数据类型。服务器（计算机）可接入矿区局域网络，支持网络在线监测和信息共享。

（3）基础数据层由各矿压监测子系统及冲击地压监测数据构成，为平台主要数据来源，各子系统传感器监测数据通过专用无线网络、监测分站、矿已有工业环网上传至矿端矿压监测系统集成平台。

3.4 平台主要功能

3.4.1 工作面运动规律分析

通过输入钻孔数据、采集液压支架相关数据，实现直接顶厚度推断、直接顶初次来压步距推断、直接顶跨落方式判断、直接顶悬顶距确定、直接顶分类、基本顶厚度推断、基本顶来压步距推理、基本顶分级、液压支架合理支护强度计算等功能。

3.4.2 巷道矿压观测分析

通过采集各矿压监测子系统及冲击地压监测数据，实现巷道表面位移监测数据分析、顶板离层监测数据分析、巷道深部位移监测数据分析、锚杆（索）托锚力监测数据分析等，绘制出顶底板和两帮移近量曲线图、巷道围岩移近速度图、顶板离层随时间（或工作面推进）变化曲线图、顶板和两帮锚杆（索）载荷随观测时间的变化曲线图等。

3.4.3 巷道锚杆（索）参数设计

通过采集各矿压监测子系统及冲击地压监测数据，可进行巷道顶板和两帮破坏深度的计算、锚杆（索）支护参数设计，包括：锚杆（索）杆体材料和锚固力、锚杆（索）长度、锚杆杆体直径、锚杆钻孔孔径、锚杆排距、每排锚杆个数、锚杆支护形式、倾斜锚杆倾角、倾斜锚杆长度、钢带排距等。

3.4.4 矿压分析报告

系统内置各类工作面矿压分析报表，并可根据实际需要定制报表。各类文档模板包括：工作面地质与采矿技术条件、工作面支架支护阻力及支护强度的评价、工作面矿压规律分析及评价、工作面底板比压分析与评价、工作面矿压规律及支架适应性分析与评价（总报告）等。

3.4.5 实时报警

对于数据超限等异常情况，系统能以告警声音、颜色改变和界面联动等多种方式进行实时报警处理，可大大提高对生产现场问题的响应速度，有利于安全生产的指挥和调度，提高各级管理者的管理效率，杜绝下级对上级的超限漏报、瞒报等现象。

3.4.6 冲击地压监测

（1）微震监测：实时显顶板及上覆岩层活动，主要监测顶板断裂位置和能量大小，以及反演顶板断裂形态和应力集中情况。

（2）电磁辐射监测：实时显示声发射频度（脉冲数量）、一定时间内脉冲能量的总和、电磁辐射强度、电磁辐射脉冲数等信息将硬件设备的数据传至系统中，供分析使用。

4 传感器数据传输方式

4.1 有线传输（CAN或RS485总线） [7]

优点：数据传输稳定，传感器价格较低。

缺点：井下作业环境恶劣，数据传输线易破损、断线；数据传输线缆及接线盒较多，不易管理及维护；若数据传输线断线，难以找到断点，且后续传感器数据均无法传输。

4.2 无线传输（433M或2.4G无线网络）[8]

优点：无须布线，多个传感器自行组成无线传输网络，可跳过断线的传感器传输数据；安装便捷、灵活。

缺点：数据传输受距离限制，超过传输距离或巷道变坡需要增加中继器；无线传输较有线传输信号稳定性底；无线传输较有线传输价格较高。

综合上述传输方式优缺点比较，如果点位布置较少，优先考虑无线传输方式，如果点位布置多且工作面较长，可优先考虑有线传输方式。

5 井下监测系统设置

5.1 工作面顶板压力监测系统

如矿井工作面使用电液控系统对液压支架进行控制，则可直接利用该系统监测的顶板压力数据进行分析，如未使用电液控系统，则在工作面液压支架安装顶板压力无线传感器，建议每5台支架布置1台传感器，监测主站及无线监测分站每个工作面各布置1台。该系统主要对液压支架的初撑力、末阻力、活柱缩量进行监测。

5.2 顶板离层监测系统

在主要工作面及掘进面布置顶板离层监测系统，顶板离层无线传感器可根据矿顶板状况进行布置，如顶板条件不好，建议每隔50m设置1台，如顶板条件尚可，建议每隔80m～100m设置1台；监测主站及无线监测分站每个工作面各布置1台。该系统主要对顶板离层、顶板下沉量进行监测。

5.3 钻孔应力监测系统

在主要工作面及掘进面设置一个监测站，监测站设置在距工作面开切眼500m处。每个测站设置8个测点（巷道两帮各4个测点，监测煤体和煤柱，若工作面煤柱采取小煤柱或无煤柱等，则煤柱侧不设测点），测点间距5m，每个测点布置2个钻孔应力传感器（一个深基点，一个浅基点，间距1m）；监测主站及无线监测分站每个工作面各布置1台。该系统主要对钻孔应力、围岩稳定性进行监测。

5.4 锚杆（索）应力监测系统

在主要工作面及掘进面布置顶板离层监测系统，锚杆（索）应力传感器可根据矿巷道变形状况进行布置，如巷道变形严重，建议每隔50m设置1台，如巷道变形不严重，则可每隔80m～100m设置1台；监测主站及无线监测分站每个工作面各布置1台。该系统主要对锚杆（索）受力情况进行监测。

5.5 冲击地压监测系统

在矿采深较深的工作面（采深超过400m）、主运巷道、辅运巷道设置微震监测系统，每条巷道各设置1台微震监测分站、2台拾震器。该系统实时显顶板及上覆岩层活动，主要监测顶板断裂位置和能量大小，反演顶板断裂形态和应力集中情况。

在矿采深较深的工作面（采深超过400m）设置电磁辐射监测系统。每条巷道各设置1台电磁辐射监测分站、2台煤岩动力灾害声电传感器。该系统实时显示声发射频度（脉冲数量）、将一定时间内脉冲能量的总和、电磁辐射强度、电磁辐射脉冲数等信息上传至服务器，供分析使用。

6 结论

虽然国内矿压监测系统展开了一系列研究，也取得了很多优秀的科研成果。但矿压监测的发展仍然存在以下几点问题。

（1）随着数据传输技术及网络技术的发展，各类传感器的均可做到在线实时传输数据，但传感器的监测原理及手段没有过多的技术突破，例如顶板离层监测传感器，其监测原理依然是通过锚爪、钢丝绳监测顶板离层数据，未能解决钢丝绳因锈蚀断裂导致无法监测数据的问题。

（2）矿压监测系统建立的成功与否，不仅取决于监测设备的稳定性和可靠性，同时更依赖于矿相关管理部门对系统的安装维护能力。如果设备安装不到位或维护不及时，监测数据就会不准确甚至缺失，使矿压监测平台软件无法得出正确的分析结果，久而久之该系统就变成了形同虚设的摆设，甚至被废弃。

（3）矿压监测系统是一个系统工程，尤其是矿压监测平台的建设，更是要站在较高的层面上进行搭建，这样可为后期的子系统接入及数据库的统一提供巨大的便利。随着大数据、云计算、人工智能技术的发展，此类综合信息监测平台的搭建日后定会成为主流发展方向。