切顶成巷PU在线监测系统设计及工程应用

冯青林,石振文,叶 鹏

(铁法煤业(集团)有限责任公司 晓南煤矿,辽宁 调兵山 112701)

1 研究背景

煤炭是我国国民经济增长的重要基石,是推动社会进步和发展的直接动力[1]。随着煤炭资源的不断开采,大多数矿井面临着开采条件复杂、地质条件恶劣等问题[2-4]。因此,根据采场矿压显现的一般规律,形成一套完整的监测系统,及时准确掌握工作面及巷道围岩的变化情况,完善矿山压力安全监测控制技术显得尤为重要[5]。梁家豪等[6-8]通过对煤矿工作面液压支架的动态监控,分析了支护的合理性。任帅等[9]通过对某矿综放首采工作面矿压规律监测,得出支架工作阻力基本呈正态分布规律。刘艺平等[10-11]研制了一套矿山压力监测系统,实时反映了巷道的顶板位移、离层和应力等变化规律。王涛等[12-15]设计了基于FBG传感器网络的煤矿巷道在线监测系统,实现了700 m深井的数据采集。然而切顶卸压沿空留巷作为一项提高采区采出率、预防地质灾害的重要技术之一,其切顶留巷过程中工作面及巷道围岩的监测系统仍未建立[16]。本文阐述了系统组成架构、可实现的功能及运行原理,建立了切顶卸压围岩动态监测系统,并在某矿6-2上312工作面进行了工业试验,有效实现了留巷过程中各区域的矿压监测及安全预报,为类似工程提供了支撑。

2 系统原理

PU监测系统是将计算机监测技术、数据通讯技术和传感器有机合并兼容,实现对井下切顶留巷工作面及巷道矿压、位移的监测监控的全方位监测系统。系统的工作原理:运用矿压传感器、位移监测仪等设备将切顶留巷工作面及巷道围岩的压力位移变化情况转化为电信号,再通过分站将监测信号汇总,然后通过RS485电缆线将分站信号传输到井下转换器或主站上,最后借助于煤矿通讯电缆线或光纤等与地面的矿用信息传输接口对接,实现与地面监控中心信息的实时传递。同时,地面工作人员通过对监控中心接收到的数据进行整理和科学分析,得出矿压分布规律及围岩变形特征,从而为优化支护结构和合理确定二次支护时间提供科学依据。

另外,根据矿井的实际需要,用户可通过客户端访问工控主机的数据库,方便矿领导实时了解井下工作面及巷道压力位移变化情况。

PU监测系统是由矿用本安型压力位移传感器、本安型传输主分站、信号传输接口及监控中心计算机等构成,形成一个交互式系统平台,其系统结构如图1所示。

图1 切顶卸压PU监测系统示意图Fig.1 PU monitoring system of roof cutting and pressure releasing

3 系统功能

该系统将各种矿压仪表,如压力传感器、顶板位移监测仪、锚杆锚索应力测力仪、支承压力分布监测仪等在线、无线矿压仪表整合到一起,对这些仪表的现场监测数据进行综合的比较分析,了解切顶留巷工作面的矿压分布、超前工作面的影响范围、滞后工作面压力稳定的时间及范围、留巷段围岩的变形特征等,真实反映整个工作面在采动过程中的矿山压力及位移变化情况,为煤矿安全生产提供支撑。

通过图表、图形、报表等多种形式展现切顶留巷工作面及巷道矿压位移监测数据的变化情况,为用户提供从宏观到微观、从平面到立体多样化体验;同时,可以实现远程实时分析查看,指导煤矿的安全生产。

4 系统组成及现场应用

4.1 采场矿压监测系统

4.1.1工作面矿压监测

掌握切缝成巷过程中工作面上覆岩层压力变化规律,能够为切顶卸压自动成巷支护设计提供指导,因此,需要对工作面支架立柱的受力状况进行监测。工作面支架立柱的受力监测采用GPD60W型矿用本安型无线压力传感器,传感器应整齐均匀地固定在支架上,如图2所示。另外,需加强对切缝侧端头段的监测,传感器的分布情况如图1所示。同时,支架实时工况能够反应工作面上覆岩层的运动情况,借助支架压力的变化规律,准确判断出采场上覆岩层的运动变化情况,可为切缝成巷过程中工作面端头段的支护参数设计及架后临时支护设备的回撤提供依据。

图2 传感器安装位置图Fig.2 Sensor installation position

4.1.2超前支承压力监测

采场围岩的运动以及围岩中高应力区域的存在是导致采场发生动力灾害的根本原因。因此,采场推进过程中,须对超前工作面范围内煤体的应力进行监测。距工作面一定范围时,开始向实体煤打布置钻孔,孔径Φ54 mm,钻孔深度为5，9，13 m,孔间距1 m,距底板高度1 m,将柔性注液探测单元推入对应孔中(如图1所示)。通过柔性注液探测单元主动给钻孔施加预应力,与孔壁全面耦合,随着采场的推进,支承压力的应力高峰前移。当煤层承压变大,钻孔破碎,柔性注液探测单元所受压力发生变化,压力变化数值通过测力仪显示并上传地面,进而可准确推断内外应力场范围、压力高峰位置和顶板断裂位置。

4.2 巷道矿压位移监测系统

4.2.1离层监测

巷道顶板稳定性是各类巷道围岩稳定性判定的核心。为此,在巷道支护工程中,须通过顶板离层仪监测。顶板离层仪沿巷道顶板的中线布置,安装设备采用的钻孔Φ32 mm,顶板钻孔深度应略大于锚索的长度,允许钻孔倾角+30°,深基点A安装在锚索锚固端附近,浅基点B安装在锚杆锚固端附近，安装方法如图3所示。该产品将离层位移转化为电信号,通过数显技术及通讯技术,将顶板及围岩内部离层位移信息显示和上传。为掌握巷道顶板锚固范围之内与锚固范围之外的离层情况,及早发现顶板变形失稳,提供了重要依据,同时可为完善支护参数提供参考。

图3 巷道矿压位移监测仪分布图Fig.3 Layout of displacement monitor of mine pressure

4.2.2锚杆(索)受力监测

巷道支护参数设计的合理性是防止巷道冒顶事故发生的关键。为此,锚杆索支护巷道须进行锚杆(索)载荷监测。安装前先将锚杆(索)周围岩体清理平整,锚杆外露部分插在测力计中心孔中,用锁具锁紧锚杆(索)并达到作业规程规定的预应力数值(如图1所示)。该产品可实时跟踪和监测锚杆(索)载荷的变化,根据载荷变化的时空关系分析锚杆(索)工作状态,掌握巷道围岩的运移规律,确定巷道围岩运动的显著时期和稳定时期,从而有针对性地提出支护优化方案。

4.2.3挡矸侧横向压力监测

切顶卸压巷帮由采空区侧垮落碎胀的矸石形成,能否阻挡垮落矸石的冲击是留巷成功的关键工序。因此,须通过挡矸压力盒对采空区侧横向压力进行监测。挡矸压力盒与护帮结构配套使用,均匀布置在留巷段采空区侧的巷帮，安装方法如图3所示。通过监测工作面后方冒落矸石对挡矸结构的侧向推力,实时上传监测数据,并分析采空区冒落岩体的应力及变化规律,为挡矸支护体的选择和状态设定提供指导,有利于护帮结构效果的改善。

4.2.4顶底板移近量监测

巷道采掘期间围岩变形移动规律是推断围岩稳定性的重要依据。为此,须通过顶底板移近量仪对巷道围岩变形量及变形速度进行监测。顶底板位移监测主要在工作面后方的采空区留巷段的动压区,竖立在顶底板之间，安装方法如图3所示。该产品将巷道围岩变形量转化为电子信号,通过数显技术及通讯技术,将顶底板相对位移信息显示和上传,对顶底板移近量与恒阻锚索压力监测、顶板离层监测共同分析,可更加准确的判断顶板变形规律及巷道围岩支护结构的稳定性,及时采取应对措施。

5 现场实践应用

利用PU监测系统在某煤矿进行了矿压位移监测,并以该矿6-2上312工作面切顶留巷过程中超前支承压力运动、工作面支架载荷变化及巷道围岩运移稳定的数据实测为例,直接顶初次跨落步距为13.8 m,基本顶初次跨落步距为42.3 m，工作面切缝侧的支承压力远低于工作面中部,且较未切缝侧巷道顶板的压力也有很大的下降;工作面超前影响范围为20 m,同时滞后工作面60 m时,采空区内冒落矸石逐渐压实,巷道顶板进入稳定状态。分析结果如图4所示。由此可见,PU监测系统数据传输可靠、稳定,能够满足切顶留巷过程中工作面及巷道各区域实时监测的需要。

4-a 工作面进尺与支架压力关系图

4-b 工作面超前支承压力

4-c 巷道围岩变化曲线图4 现场实践效果图Fig.4 Field practice effect

6 结论

1)煤矿井下矿压监测是减少矿井事故的有力保证,笔者结合计算机监测技术、数据通讯技术和传感器技术建立了切顶卸压围岩动态监测系统,实现了对覆岩运动规律、支承压力分布情况、留巷段围岩稳定性的及时掌握。在6-2上312工作面切顶留巷过程中的实际应用,证实了PU监测系统的科学性和可靠性。

2)虽然工作面及巷道围岩动态技术已经非常成熟,各式各样的矿压监测设备不断地涌现,但由于井下特殊环境以及人为操作的原因,其功能的实现同地面相比,还是有一定的不足。比如，信号的传输延时或者中断、信息上传速度较慢、设备故障或损坏等都是接下来需要解决的问题。但整体来说,工作面及巷道围岩动态技术在矿井的应用已是必不可少的监测手段,随着技术的不断更新,必然可以更好地实现井下监测智能化。