基于KJD220 监测技术的巷道矿压变化特征研究

2020-07-07刘宝志

山东煤炭科技 2020年6期

刘宝志

（同煤国电同忻煤矿有限公司，山西大同 037000）

1 引言

采高大的综采面液压支架失稳问题比采高小的综采面产生的问题更为严重，平均事故率达到6%～20%以上，因此在采矿生产实践中，大采高综采面特殊的矿压规律研究己成为亟待解决的问题[1-2]。研究大同矿区采场压力显现规律和顶板活动规律，掌握大采高综放工作面的矿压显现特征及相应的控制技术，具有重要的现实意义。

2 工作面概况

8209 工作面位于同忻矿二盘区北部。8209 工作面为三巷布置，两条顺槽与二盘区三条大巷的夹角为76°20′向东开掘。2209 皮带顺槽、5209 辅助运输顺槽沿3～5#煤层底板掘进，8209 巷沿3-5 号煤层顶板掘进。工作面切眼与顺槽巷道相垂直，切眼掘宽8.8m，巷高3.3m，切眼巷长度260.2m。锚杆+钢带+金属网+锚索+组合锚索+三排单体液压支柱+井字木垛联合支护，支架铲运车可从单体液压支柱中间通过。8209 综放工作面采用单一走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤开采的采煤方法。8209综放工作面采用SL-500型采煤机落煤装煤、PF6/1142 型前部刮板输送机和PF6/1342 型后部刮板输送机运煤、ZF13000/25/38 型低位放顶煤支架进行工作面支护和放煤。根据地质资料，工作面平均煤厚15.15m，采高为3.6m，放煤高度11.55m，采放比为1:3.21，循环进度为0.8m，采用一刀一放的放煤方式，放煤步距为0.8m，采用自然垮落法管理采空区顶板。

3 KJD220 监测技术

3.1 监测设备的创新技术

（1）采用国际标准数据库、网络接口，实现网络透明、标准化连接。

（2）主通讯速率高达57600bit/s，是现有通讯方式的48 倍。通讯距离高达25km。

（3）由8 片微处理器组成并行通讯系统，在7个支路、210 台分站的最大配置下，系统巡检周期小于6s。

（4）每个支路自成一体，相互没有影响，十分便于系统的日常维护。

3.2 井下通讯接口

（1）交流输入电压：127/220/380/660V AC。

（2）允许电网波动范围：-25%～+10%。

（3）接口数量：4 路光口2 路本安485 接口。

（4）与井下分站通讯：基带、串行；

传输速率：1200/2400bit/s；

通讯支路：井下6 个支路，每路最多可接入64台分站，总计384 台分站。

（5）通讯距离

与井下监测分站通讯距离（电缆）：≥15km；

与地面通讯接口通讯距离（光纤）：≥20km。

3.3 监测分站

该传感器能自动将顶板的压力、离层量、位移量、锚杆锚索应力转变为标准电信号输送给关联设备，具有就地显示顶板的压力、离层量、位移量、锚杆锚索应力的功能。

3.4 数据传输原理

各监测分站不停地对所收到的各测点信号（负荷量、开停、流量、锚杆监测、支架压力、顶板压力等）进行检测变换和处理，不断从井下传输接口处获取数据，把检测的参数送到地面传输接口[5]。

井下传输接口中七个单片机采用分步式与挂在自已支路上的各个监测分站进行轮流通信，存储在数据存储器里，井下传输接口主通讯程序将每个单片机采集到的数据汇总存储到主数据存储器里，等待井上传输接口提取数据。

地面传输接口将收到的各种数据处理后，及时传给地面计算机。计算机将收到的实时信息进行处理和存盘，并实时以表格或图形显示实时监测数据，并根据每个支柱上的压力和工作阻力分析沿工作面倾向方向矿山压力的分布状态，显示沿工作面倾向方向的矿压分布图。超限或异常故障时，地面中心站语音报警。监控人员也可以打印出各种报表和趋势分析图。

4 现场试验

为了研究特厚煤层大采高综放采场矿山压力显现及围岩应力、位移变化的基本规律，结合同忻矿8209 工作面地质生产实际情况，采用先进监测设备和矿山压力监测系统，计划在8209 综放工作面2209 进风巷和5209 回风巷进行工业性试验，实时监测观测数据，了解、掌握巷道围岩应力位移的变化状态以及超前和侧向支撑压力的变化规律，实现大采高工作面的安全高效回采，优化支护方式和开采工艺，使矿井向现代化集约型发展。

4.1 测站与测点布置

（1）测站布置

如图1 所示，在8209 工作面的2209 巷距切眼40m、70m 和100m 的位置分别布置测点，依次编号为测站Ⅰ、测站Ⅱ和测站Ⅲ，测站间距为30m。测站布置3 个观测断面，观测断面间距3m。同样在8209 工作面的回风顺槽5209 巷内距切眼40m、70m 和100m 的位置分别布置测点，依次编号为测站Ⅰ、测站Ⅱ和测站Ⅲ，测站间距为30m。

图1 测区布置

（2）测点布置

巷道表面位移测点布置如图2 所示。在顶、底及两帮各一个表面位移测点，用钢钉作标记，钢钉深入围岩200mm，底点用400mm 长的铁镢子打入底板中，保证测点稳定。顶、底点的联线与两帮测点的联线呈“十”字形垂直相交。

图2 表面位移测点布置

锚固力观测时，在同一观测断面的顶部、两帮的锚杆端部安设锚杆测力计（液压枕），并读取初读数。

4.2 大采高综放工作面巷道表面变形观测

（1）图3 为运输顺槽巷道顶底板和两帮移近曲线。

图3 2209 运输顺槽巷道顶底板和两帮移近曲线

由图3（a）～3（c）可知，当测点距工作面大于100m 远时，累计移近量曲线几乎呈水平状态，说明围岩几乎没有发生变形；当测点距工作面100～70m 时，巷道顶底板累计移近量增加了大约54mm，最大变形速度约为8mm/d，移近量变化曲线增长缓慢，变形速度曲线波动较小；当测点距工作面从70m 推近到40m 时，顶底板累计变形量由34mm 变化到109mm，增量明显且变化速率较快，在此期间，最大变形速度约为17mm/d；随着工作面不断推进，当测点与工作面距离小于40m 时，巷道顶底板累计移近量急剧增加，变形速度曲线波动较大，其中变形量大约增加到404mm，最大变形速度约为29mm/d。两帮累计移近量曲线变化趋势与顶底板变化曲线相似。

（2）图4 为回风顺槽巷道顶底板和两帮移近曲线

由图4（a）～4（c）可知，当测点距工作面大于95m 远时，累计移近量曲线几乎呈水平状态，说明围岩几乎没有发生变形；当测点距工作面95～70m 时，巷道顶底板累计移近量增加了大约37mm，最大变形速度约为6mm/d，移近量变化曲线增长缓慢，变形速度曲线波动较小；当测点距工作面从70m 推近到40m 时，顶底板累计变形量由37mm 变化到149mm，增量明显且变化速率较快，在此期间，最大变形速度约为11mm/d；随着工作面不断推进，当测点与工作面距离小于40m 时，巷道顶底板累计移近量急剧增加，变形速度曲线波动较大，其中变形量大约增加到384mm，最大变形速度约为31mm/d。两帮累计移近量曲线变化趋势与顶底板变化曲线相似。