矿山地压在线监测系统构建研究与实例

2019-10-28张小华张楠楠卢泰宏

中国矿山工程 2019年5期

张小华，张楠楠，卢泰宏

(云南锡业研究院有限公司，云南个旧 661000)

1 前言

在地下矿山中，由于受传统地压监测观念的影响，仅仅是针对矿山某一地点或区域开展人工现场地压监测，来解决局部的地压问题，远程地压在线监测系统目前还未得到大规模的推广应用。地下矿山地压采用传统方式进行监测较多，人工进行数据采集，虽然这种方式易于实施，但观测周期较长，无法实施连续、实时、动态监测。监测数据容易混乱，也难以快速综合分析。

随着国内近年来经济技术的日渐崛起，由此带动了计算机、传感、通讯等技术的革新，这些技术慢慢应用在矿山领域，特别是矿山地压在线监测监控等方面。业内人士也不断加大了利用传感、通讯技术在矿山地压在线监测方面的研究。

付东波[1]等成功提出将采动应力监测理论应用于冲击危险工作面的监测和预测。曲效成[2]等通过对济三煤矿作业面实际监测数据的分析和数值计算，将钻孔应力同钻屑量、支承压力之间关联，研究并构建了冲击地压在线监测预警系统。鞠文君[3]等全方面总结了我国现有冲击地压4种主要监测的主要手段以及特点，客观分析了监测理论、方案设计、监测目标、设备搭配等方面存在的问题。闫静杰[4]等在无线传感器网络监测监控系统方面进行了相关研究，张国盛[5]基于人工智能和数据库技术分析了矿井监测监控系统的发展趋势。

2 技术线路及研究内容

2.1 原理及技术路线

地压活动规律一般通过应力、应变等形式表现出来。因此，可以借助仪器通过对岩体自身或其附近工程结构的应力应变状态进行实时监测，根据收集储存的监测数据，综合分析研究岩体应力应变变化规律及其对岩体稳定性的影响关系从而建立地压预警模型以及预警评价方法，及时采取有效的处理和防范措施，确保生产中的安全。

本项目主要结合云南锡业股份有限公司某矿山的实际情况，对井下地压在线监测系统进行规划和构建研究，整个在线系统由传感器(钻孔应力计、单点位移计、锚杆应力计)、防水监控箱、RS485总线、串口联网服务器、双绞线以太网、光纤交换机、光纤以太网、计算机监控中心等组成，系统工作原理如图1所示。

图1 系统工作原理图

项目通过现场调查、理论分析、风险评价、现场监测、系统构建等几方面来进行实施，项目技术路线如图2所示。

2.2 主要研究内容

(1)主生产区及重大生产设施地压监测区域调查与监测点确定：

①主生产区及重大生产设施地压监测区域调查；

②空区档案建立；

③结合井下开采历史情况及以后开采规划确定重点监测点位置确定，并对重点区域进行危险性初步辨识。

(2)地压监测方法选择与实施方案：

①地压在线监测系统设计；

②监测方法确定；

③监测仪器设备选型；

④地压监测方案设计。

(3)地压远程在线监测系统的方案设计：

①监测硬件及串口服务器的组网设计；

②监测模块软件设计；

③监测数据的远程在线传输方案设计。

3 地压监测区域调查

在现场调查、采空区、矿柱、巷道地压显现规律的基础上，兼顾经济性、灵敏性、简便性和可靠性的原则，确定每个监测点采用一个单点位移计、一组钻孔应力计及一个锚杆应力计对矿山生产区域内重点系统工程、重要安全生产设施、重大采空区的稳定性进行实时监测。监测对象见表1。

4 监测系统安装

4.1 钻孔施工

根据传感器对孔径及孔深的要求，确定1#单点位移计(2.5m)钻孔孔径42mm，孔深3m；2#单点位移计(1.5m)钻孔孔径42mm，孔深2m；钻孔应力计钻孔孔径42mm，孔深2m；钢筋应力计钻孔孔径55mm，孔深2m。

表1 监测对象

4.2 传感器安装

1)单点位移计

按照设计的测点深度，将锚头、传递杆，与位移计本体进行组装。孔底放置锚固剂，将位移计送入孔内，单点位移计的信号线敷设至防水接线盒，具体如图3所示。

图3 单点位移计

2)钢筋应力计

检查钻孔直径和孔深，孔底放置锚固剂，插入钢筋应力计，理顺电缆，将信号线敷设至防水接线盒，具体如图4所示。

图4 钢筋应力计

3) 钻孔应力计

钻孔打好后，用工具管子将传感器送入孔内的一定深处，然后给传感器一个初应力。记下传感器的初频，输入仪表进行调零，将钻孔应力计的信号线敷设至防水接线盒，具体如图5所示。

图5 钻孔应力计

4) 传感器安装

防水接线盒及监控箱均用膨胀钩固定在巷道壁上。

4.3 系统连接及显示

系统主要线缆有光缆、通讯电缆、电源电缆和传感器电缆。光缆采用4芯铠装光纤，通讯电缆采用4×1.0的屏蔽电缆，电源电缆规格为3×1.0。

传感器安装完成后，将传感器信号电缆接入防水接线盒内，通讯电缆从接线盒内的485集线器引出，接入监控箱内的串口联网服务器及光端交换机。光缆从发送端防水监控箱中的光端交换机接出，敷设并接入监控箱中的光缆终端盒，通过光端交换机。引出通讯电缆接入井下环网交换机网口端，直接通过井下环网将监测点传感器的监测信息上传到中控室。防水接线盒接线如图6所示，发送端防水监控箱接线如图7所示，接收端防水监控箱接线如图8所示，中控室监测信息显示如图9所示。