钻屑法监测数据自动上传系统的应用研究

袁腾飞,孔 震,车景矿,史 振,曹丽娜

(1.兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿,山东 菏泽 274700;2.内蒙古双欣矿业有限公司,内蒙古 鄂尔多斯 017000;3.尤洛卡(山东)矿业科技有限公司,山东 泰安 271000)

0 引言

冲击地压是指煤矿井巷或工作面周围的煤岩体由于弹性能的瞬时释放而产生的突然、剧烈破坏的动力现象[1-3],常伴有煤岩体瞬间位移、抛出、巨响及气浪等。冲击地压的监测方法有多种[4-5],钻屑法作为一种简单、可靠的冲击地压监测手段[6],在冲击地压预测、卸压效果检验等方面具有重要作用,因而备受工程技术人员重视。钻屑法是通过在煤体中施工小直径钻孔,根据单位孔深排粉量变化规律以及动力效应,了解煤体应力集中程度、峰值大小及位置,从而鉴别冲击危险的一种方法。钻屑法监测冲击地压的指标主要有3种:钻屑量指标、钻屑粒度指标和动力现象指标,各临界指标反映的都是煤体应力峰值大小及集中程度,在冲击危险较高的区域,往往多种指标会同时出现。

目前,钻屑法预测冲击地压仍然采用人工钻孔、取屑、称重记录等程序,监测情况往往需要当班人员升井后交予防冲部门,然后再由技术人员对监测情况进行分析,因而具有较大的滞后性。“十四五”以来,智能化矿井的建设是各矿井发展的重要方向[7-10],当前钻屑的数据传输方式不符合矿井智能化发展的要求。钻屑法监测数据自动上传系统改变了监测数据的滞后性问题,实现了3种钻屑指标的实时传输、数据的自动化分析,可将钻屑情况及时反映给防冲人员,供技术人员综合分析研判,使钻屑法在对冲击地压的监测中更加简便、高效。

1 系统介绍

系统组成:煤粉量数字计量装置、称重桶、手持操控器、KJ743应力监测系统平台以及地面数据分析软件。

系统功能:将取屑过程中的煤粉量、动力现象通过KJ743应力监测系统实时上传到地面分析软件,分析软件实时接收煤粉量的数据,自动出具每个孔的煤粉量曲线及日报表。

1.1 煤粉量数字计量装置

该装置采用STM32为控制核心,利用模块化的设计方法,硬件结构主要包括称重模块,数据采集和处理模块,最小系统模块,键盘和液晶显示、无线Mesh通讯模块及蓝牙通讯模块,装置示意如图1所示,主要技术指标见表1。

表1 装置主要技术指标

图1 煤粉量数字计量装置示意

1.2 煤粉计量实时上传功能

为了将煤粉量测量数据实时传递给井上工作人员、同时满足设备简单可靠的要求,系统采用无线路由Mesh自组网通讯方式,将钻屑法监测数据融入矿井在用监测系统,实现数据的传输,如图2所示。

图2 数据上传示意

除了借用矿井在用监测系统实现监测数据上传之外,系统根据矿井可能遇到的不同环境,提供另外2种监测数据上传方式。①通过手持操控器的蓝牙方式进行数据采集,当井下有4G、5G或WiFi信号时,可直接将信号传送到地面分析软件;②将采集完数据的手持操控器拿到地面,通过蓝牙方式把数据导入地面分析软件。

1.3 手持遥控器研发

基于安卓系统开发,支持5G、4G、WiFi及蓝牙无线通信功能、具备前置双摄、后置三摄功能。可通过蓝牙方式对煤粉量数字计量装置进行参数设置,遥控器内嵌数据采集分析显示软件,可就地查看煤粉数据,也可通过井下5G、4G、WiFi信号将监测数据传送到地面分析软件。

1.4 井上软件自动分析、预警功能

监测服务器接收井下钻屑监测数据后,系统软件可实现数据查询、曲线分析、出具监测报表、煤粉量超限时自动预警等功能。同时,监测数据可接入冲击地压综合预警平台,平台基于系统中的钻屑法预警参数,计算冲击危险性系数,给出安全评价等级,以此指导安全生产。

2 系统的应用

2.1 巷道基本情况

赵楼煤矿7306运输顺槽位于七采区西翼,顶板由灰白色细砂岩,石英、长石、暗色矿物及云母组成,颗粒次圆状,下部颗粒有所增大。硬度系数f=7～8。灰色粉砂岩,平坦状、贝壳状断口,发育裂隙,充填方解石及黄铁矿薄膜,下部岩芯破碎,硬度系数f=6～7。直接顶的厚度3.15～3.79 m,平均厚度3.47 m;底板灰色粉砂岩,平坦状、贝壳状断口,发育裂隙,充填方解石及黄铁矿薄膜,下部岩芯破碎,硬度系数f=6～7。砂质泥岩灰绿色,局部夹薄层砂岩,质软,硬度系数f=3～5;3号煤层厚度6.4～9.0 m,平均7.0 m。褐黑色条痕,沥青光泽、玻璃光泽,层状构造,条带结构,主要由亮煤组成,次为暗煤,为半亮型煤,阶梯状断口,内外生裂隙发育,充填方解石,含少量黄铁矿晶粒。局部含不稳定碳质泥岩夹矸,质较硬。煤层普氏系数f=0.8～2.3,平均1.6。主要用于7306工作面通风、设备安装、物料运输、行人等,7306运输顺槽巷道设计施工长度1 755.9 m,巷道整体沿3号煤底板掘进,预计巷道底板标高-987.05～-885.65 m,埋藏深,且掘进过程中预计揭露Fd83、Fd61、Fd58断层及煤层分岔区。

根据《赵楼煤矿7306掘进工作面冲击危险性评价》《赵楼煤矿7306掘进工作面防冲设计》,7306运输顺槽及联络巷掘进工作面的冲击地压危险状态等级评定综合指数Wt=0.57(等级:中等冲击危险)。综合评定将7306运输顺槽掘进期间冲击危险区域划分为2类:中等冲击危险区域和强冲击危险区域,钻屑法监测根据不同等级的冲击危险区制定了不同的钻屑措施。

2.2 系统的应用

7306运输顺槽掘进期间主要采用钻屑法、应力在线、微震联合监测,并辅以动压显现进行观测,钻屑法监测在7306运输顺槽冲击地压局部监测预警、预警验证、卸压效果检验中具有重要作用。钻屑法监测数据自动上传系统使用前,钻屑工人采用人工钻孔的方式获取每米钻屑量,将煤粉引入收集桶中进行称重,矿井采用专用表格记录打眼地点、时间、钻屑排出量,以及打眼过程中出现的钻杆跳动、卡钻、吸钻、劈裂声和微冲击等动力现象,本班钻屑任务结束后,当班人员升井后将钻屑监测情况交予防冲部门,再由技术人员对监测情况进行分析。钻屑法监测数据自动上传系统研发后,改变了传统的操作方法,该系统首先在7306运输顺槽使用,如图3所示。钻屑工作仍采用人工打孔,煤粉的测量以及动力效应等信息的记录采用该系统,每打完1 m钻孔,将收集的煤粉量放入煤粉量数字计量装置上进行称量,同时还可添加钻孔过程中的动力效应,点击“确定”键,就可将本次煤粉量数据及动力现象通过系统发送至分站及地面服务器,地面分析软件可实现钻屑数据查询、冲击危险情况自动分析、钻屑报表自动生成等功能,如图4所示。也可通过手持操控器的蓝牙方式进行称重装置的参数设置、数据采集,操控器内嵌数据采集分析软件,可就地查看煤粉数据,当井下有4G、5G或WiFi信号时,可直接将信号传送到地面分析软件,也可到地面通过蓝牙方式把数据导入系统分析软件中。

图3 系统的使用

图4 钻屑报表查询

该系统改变了传统的煤粉称重、数据记录及上传方式,改变当前数据传输的滞后性,且该系统具有操作简单、传输可靠、自动分析等优点,实现了钻屑数据的实时传输、数据的自动化分析,可将钻屑情况及时反映给相关人员,使钻屑法在对冲击地压的监测中更加简便、高效。

3 结论

(1)钻屑法监测数据自动上传系统主要由煤粉量数字计量装置、手持遥控器、分析软件等组成,其中煤粉量数字计量装置精度高、实时性强、当超限时自动报警;井上分析软件实现钻屑情况自动分析、自动预警、自动生成报表。

(2)系统提供3种钻屑监测结果的上传方式:采用无线路由自组网通信方式,借用应力在线系统网络,将煤粉量数据实时传送到地面,不需要单独铺设专网;通过手持操控器的蓝牙方式进行数据采集,当井下有4G、5G或WiFi信号时,可直接将数据传送到地面分析软件;将采集完数据的手持操控器拿到地面,通过蓝牙方式把数据导入地面分析软件。

(3)系统稳定可靠、智能化程度高,可将钻屑过程中钻孔每米煤粉量、动力效应等信息实时传送至地面,及时对钻孔信息情况进行分析,完全满足钻屑法监测的相关要求,使钻屑法在对冲击地压的监测中更加简便、高效。