煤岩巷道盾构施工状态监测与预警系统的应用

谢 宝 亮

（大同煤矿集团王村煤业，山西 大同 037000）

0 引 言

目前，岩石开采采用的方式多为钻爆法施工，该方式存在挖掘速度慢、劳动强度大、环境差的缺点，不能满足煤矿生产的要求[1]。盾构掘进技术是一种应用在地铁修建、隧道开凿、矿产勘探的施工技术，具有机械化程度高、挖掘效率高、速度快、节约劳动力等优点[2-3]。我国在煤炭开采方面也开始使用这种技术，并在实际中应用。内蒙古神东补连塔煤矿2 号巷道采用单护盾式，该巷道长2 745 m，盾构掘进直径7.63 m，用时4 个月贯通，最高月进尺639 m，总掘进长度2 718 m。2015 年，淮南矿业集团张集煤矿采用QJYC045M敞开式盾构机对巷道进行掘进，测量显示最高班进尺寸为14.5 m，最高日进尺寸30.7 m，平均日进尺寸13.5 m，相当于每个月掘进404 m，效果良好[4]。新疆玛纳斯涝坝湾煤矿采用复合型盾构机，掘进总长度6 000 m，施工效率相比传统工艺提高3 倍以上[5]。

1 盾构掘进技术破岩机理

煤矿巷道岩石破碎需要较大的功率和较为先进的工具，破碎岩石需要克服岩石做功，这是一个非常复杂的过程。岩石破碎当今存在2 种较为出名的理论，即剪切破碎理论和拉伸破坏理论。

1）剪切破碎机理。岩石受到盘形刀具巨大的推力，岩石储存能量，当岩石内的能量到达一定程度时，在有限的体积内无法容纳，向外释放能量即发生岩石破裂。盘形刀具两侧产生剪切区，岩石会产生剪切破碎。

2）拉伸破坏机理。岩石与盘形刀具结合摩擦，刀具向岩石传递能量，岩石在能量的作用下产生裂纹。随着刀具切入岩石深度的增加，裂纹逐渐扩大变成显性裂纹。当显裂纹接续扩展，发展到岩石表面，即形成岩石碎片。或者显裂纹和相邻刀具产生的显裂纹交汇，也会出现碎片。

剪切破碎机理和拉伸破碎机理2 种理论并非独立存在，有时在剪切破碎中存在着拉伸破碎，在拉伸破碎中存在着剪切破碎，相互交融，共同作用促成岩石破裂[5]。巷道碎石过程中，盘形滚刀破碎岩石如图1所示。

图1 盘形滚刀岩石破碎示意

刀具的刀刃在机械能的作用下进入岩石，岩石内层产生刮痕，裂痕出现在结合力最薄弱的位置，痕迹随着刀具的进入逐渐增大。岩石给刀刃一个作用力，在该力的作用下，刀具顶部出现压缩，岩石随刀盘的回转和滚刀的滚动变成破裂的碎片。

2 盾构施工监测系统

2.1 监测系统架构与设计

盾构施工监测系统采用PC 端+移动App 的结构模式，该结构通过互联网浏览开展访问，无须本地安装，结构简单。结合移动端App 的开发环境，结合巷道岩石掘进现场，开展盾构施工的实时监测。远程监控模块由数据服务端、系统结构硬件、被监控端软件和工作监控端组成。监控服务器采用的高性能监控服务器，现场使用的PC 位于监控调度室。移动设备在手机端，方便携带，通讯采用公用网络，该监控逻辑架构如图2 所示。

图2 系统逻辑结构

盾构机监控系统属于良好的信息管理平台，能够实现对工作环境的实时监测，施工条件、施工状况都在监测范围之内，模块化管理，能够管理二维和三维模型。盾构机监测系统实现矿石掘进的监测，有效管理。与全站仪建立实时接口，利用计算机和三维信息，可以完成一个完整的过程监测。

2.2 监测系统数据传输

对于盾构施工监测系统来说，科学合理的数据传输是保证监测及时准确的必要条件，信息出现延误或者不准确都可能导致监测错误，所以适当的数据传输方式尤为重要。

当前，常用的数据传输方式包括ftp、socket、数据库共享等。在数据传输时，实时性对数据有限制，连接池对数据传输也有限制，实时传输最快的方法为socket 方法。数据传输系统的组成包括服务器和客户机，请求报文格式和响应报文格式受服务器和客户端约定。服务器在实时监控系统中对传输数据提供服务，传输协议保证数据传输的实现，协议形式多样，可以是TCP 协议，也可以是UDP 协议。客户机进行端口的信息交互，信息交互及时的监测效果的要求。

3 应用实践

开展盾构监测预警系统的实际验证，验证地点选择在同煤集团王村矿进行实践，在试验中考察该监测系统的实用性和可靠性。盾构机监测系统能够实现多种功能，同时也具有多种模块，主要包括两大功能和三大模块，即PC 端功能和移动端功能；模块有盾构运行模块、实时监测和预警管理模块、报表统计分析模块。

3.1 PC 端功能

3.1.1 盾构运行状态

盾构机实时监测系统依据远程连接，可以进入监测系统模块。盾构机在巷道掘进过程中是否出现偏差及掘进情况能够通过屏幕直观看出，盾构机位置偏移量预警系统如图3 所示。

图3 盾构机位置偏移量预警系统

由图3 可知，该项目的盾构机工作状态可以实时读取，从系统运行状态中可以看出螺旋机转速、刀盘转速等各种信息，有利于施工人员把握盾构机的掘进状态，更精确地按设计方案开展施工。不仅有利于掌握施工数据，对于工程进度和工程安全也十分重要。

3.1.2 实时监测预警模块

盾构机施工过程中可能存在多种风险，盾构机掘进时可能会出现沉降、位置偏差、设备故障等，对于其工作状态监测，发现风险及时报警，有效减少故障，减少施工过程损失，对于煤矿安全生产非常重要。该模块的功能包括2 部分，即风险监测和预警统计。风险监测功能对施工区的监测点布置图进行提供，此外还有施工区域的二维CAD 工程，根据监测点的预警获取信息，盾构机监测系统预警监测状态如图4 所示。

图4 盾构机监测系统预警监测状态

预警监测功能能够提供盾构机本身的风险，施工过程中监测点故障也可进行统计显示，有利于施工人员查询，提前预防，避免故障发生。

3.1.3 报表统计分析

盾构机监测到所能监测的全部数据，然后对这些数据进行分析和统计，输出一种可视化图形，便于直观显示情况。盾构机监测系统报表分析如图5 所示。

图5 盾构机监测系统报表分析

由图5 可知，盾构机监测系统监测到的数据包括材料消耗、掘进进度、事件统计、汇总统计，输出水泵流量和总推力大小，有利于工作状态分析。

3.2 移动端功能

盾构施工监测预警系统的移动端是监测系统重要组成部分，包含许多重要的功能，这些功能可以实现多用途，包括数据分析、监测预警，可以随时查看监测状态，有利于煤矿巷道掘进过程中的管理。

3.2.1 掘进状态

开展掘进状态模拟，采用三维模拟效果可以在手机端直接查看，能够看到掘进机盾尾前舱、中仓、后仓的油压大小。其他方便查看的信息也能直接看到，移动端盾构监测系统掘进状态如图6 所示。

图6 移动端盾构监测系统掘进状态

3.2.2 监测系统预警

盾构监测系统在监测盾构机工作状态下，如果出现异常，监测系统会把异常情况以图片的形式展示在移动端，方便查看和解决异常。油缸压力，螺旋机压力和刀盘转速都能通过监测系统观察。对于呈现在移动端的监测情况，工作人员能够及时发现预警并开展风险管理，把影响降低到最小程度。移动端预警监测对比如图7 所示。

图7 移动端预警监测对比

4 结束语

盾构施工方法作为一种煤岩巷道开采技术，其优异的性能正在得到更多的应用。为了更好的实现煤矿巷道掘进，本文提出一种盾构施工监测系统，对巷道掘进现场环境和工作条件开展模拟，完成盾构机工作状态监测和偏差预警。开展煤矿掘进现场验证，结果显示，该监测系统可以实现监测功能，对于盾构机的监测具有较好的效果。