复杂条件下光纤顶板智能化监测控制系统的研究与应用

文/韩玉忠 刘 勇 崔保国

山东能源新矿集团孙村煤矿作为全国开采最深的矿井之一，冒顶、围岩坍塌等顶板灾害严重威胁着矿井的安全生产。针对孙村煤矿深井、高压力、支护困难的现状，在埋深超千米的21121工作面及2223工作面推广使用注浆锚索支护，为验证注浆锚索支护效果，对回采工作面超前支护段采用注浆锚索加强支护，逐步代替单体支柱超前支护方式。为对顶板及煤岩体应力进行实时动态监测，特研发一种具有高可靠性的顶板离层安全监控及预警系统，实现对工作面顶板离层、围岩应力的多参数综合监测和分析，建立了一套能够为安全生产决策提供支持的预警及信息发布系统，为冲击地压防治工作提供技术支撑。

一、项目基本情况

孙村煤矿21121工作面、2223工作面位于-1100水平二采区，最大埋深1303米，巷道埋深大，断层地质构造复杂，在高应力的作用下顶板围岩破碎，支护困难，在保证安全的前提下，通过试验注浆锚索加强支护，将工作面超前单体支柱由两排减少为一排，排距由0.8米扩大到1.6米，直至完全由注浆锚索超前支护取代单体支柱，不仅实现了工作面两巷的干净利索、宽敞明亮，还减少了两巷的超前支柱支护工作量，降低了职工的劳动强度，改善了工作环境。

在试验注浆锚索超前支护过程中，为了能够同时满足高安全性、高测量精度、使用方便、实时动态监测的要求，孙村煤矿与山东科学院、山东道宽智能科技有限公司合作进行现场试验，合作研发出一种高可靠性的光纤顶板安全监控及预警系统，实现对工作面顶板压力、围岩应力的综合监测，对多参数监测数据进行有效融合分析，为顶板支护参数优化提供技术支撑，建立起一套完整的安全生产决策及信息发布系统。

二、系统的性能及应用情况

1.锚注支护光纤智能化监测控制系统性能及优势

目前，煤矿顶板灾害监测预警技术水平与安全生产要求之间存在着较大差距，主要表现在：监测技术落后，传感器可靠性差、维护工作量大，监控系统在信号采集及传输线路中受电磁场干扰严重。此外，由于现在的传感器都需要供电，具有一定的安全隐患。

相比较于传统的煤矿安全监控及灾害监测预警技术，光纤传感技术以光作为信息载体，用光纤作为传输工具，具有传输距离远、不带电、本质安全、长期可靠等独特优势，在煤矿安全监测技术的本质安全性、多功能等方面实现了重要突破，也将成为煤矿安全隐患的远程在线监测的重要技术手段，极大地促进本质安全型煤矿建设和实现顶板安全。

光纤煤矿顶板安全综合监测系统由传感器、数据传输、数据分析与控制三大部分构成，传感器是制约系统整体水平的技术瓶颈。研发新一代适合煤矿安全领域应用的先进传感器并以此为基础构建新型光纤煤矿顶板安全综合监测系统，消除当前的监控盲区，提升系统的可靠性和应急状态连续监测能力，对于实现煤矿安全发展具有十分重要的意义。

2.锚注支护光纤智能化监测控制系统的应用

孙村煤矿分别在埋深超千米的21121工作面、2223工作面等不同地质条件下的回采工作面进行锚注支护智能化监测控制实验，并进行顶板离层、煤体应力观测，使用窥视仪对顶板裂隙发育进行录像对比，为支护参数的优化提供数据支撑，通过成功实践，矿井全面推广注浆锚索，取代架棚支护，并根据实验结果制定了注浆锚索在各类复杂顶板条件下的使用标准及支护方式。

光纤顶板离层监测传感器有两个锚固端，分别对应深基点和浅基点，根据21121工作面顶板岩层的柱状图可知，顶板为厚度8～10m的灰色粉砂岩，光纤顶板离层监测传感器从距切眼30m开始，按照间距20m一组布置，第一组安装深基点孔深6m，浅基点孔深3m，第二组安装深基点孔深8m，浅基点孔深3m，以此类推，间隔放置，当工作面推采至距离传感器5m时拆除。顶板离层传感器安装示意图如图1所示。

3.锚注支护光纤智能化监测控制需要达到的效果

一是实现顶板离层的远程实时观测；二是注浆锚索支护稳定性的评估及潜在危险性预测；三是监测超前支撑压力影响范围、压力的前移速度等。光纤顶板监测系统采用先进的光纤传感技术，对顶板上述关键点进行长期动态监测，对离层量超标预警提示，为煤矿的安全生产提供了可靠的保障。

图1 顶板离层传感器安装示意图

4.锚注支护光纤智能化预警流程

（1）预警值设置。一级预警：50mm；二级预警：100mm。

（2）预警流程。顶板离层预警按照以下流程进行。

①当离层超过50mm时，一级预警，发短信、声光报警→编制一级预警通知单报送调度室、安监处、生产技术部、采掘单位→生产技术部制定加强支护方案，采掘单位补打锚索，安监处监督整改。

②当离层超过100mm时，二级预警，发短信、声光报警→编制二级预警通知单报送调度室、安监处、生产技术部、采掘单位→生产技术部制定加强支护方案，采掘单位复棚加固，安监处监督整改。

三、顶板离层传感器的优化改造

21121工作面安装顶板离层仪后，经过一段时间的实验，发现十一层破碎顶板虽然补打了注浆锚索加强了支护强度，但在断层、地质构造附近的顶板离层量甚至达到200mm以上，顶板离层传感器离层量程已经不能满足需要，通过与山东道宽智能科技有限公司合作，研发量程达到500mm的新型大量程顶板离层传感器，避免了离层量超过传感器量程造成的传感器损坏现象，同时在传感器上能够现场观测离层数据，保证了设备的正常使用。

四、实施效果

孙村煤矿通过研发应用高可靠性的光纤顶板安全监控及预警系统，取得了良好实效，促进了安全生产。

1.在煤矿综采工作面生产中，对工作面两巷顶板进行连续监测，优化了巷道变形监测手段，简化了监测流程，减少了人员数量，提高了生产效率。

2.建立起多工作面顶板数据管理预警体系，实现顶板离层的自动预警，对离层地点采取技术措施进行加强支护，避免顶板事故的发生，实现矿井的安全生产。

3.通过对注浆锚索支护的监测，改革了工作面超前支护形式，采用注浆锚索代替液压支柱超前支护方式，减轻了工人劳动强度，提高了劳动效率，为矿井单班百人下井目标打下坚定基础。