沙曲礦礦山壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與應用?

劉建高杜學領姜耀東

(1.中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區(qū),100083; 2.中國礦業(yè)大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京市海淀區(qū),100083)

沙曲礦礦山壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)研究與應用?

劉建高1杜學領1姜耀東2

(1.中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區(qū),100083; 2.中國礦業(yè)大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京市海淀區(qū),100083)

針對傳統(tǒng)礦山壓力監(jiān)測存在以點代面、效率不高的問題,結(jié)合華晉焦煤沙曲礦的開采條件,介紹了新型礦山壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理及應用情況。該系統(tǒng)由地面和井下兩部分組成,包括傳統(tǒng)的監(jiān)測設備、傳感器、線纜、存儲端、計算機軟硬件等。對沙曲礦工作面液壓支架的工作阻力、兩巷的頂板離層量、錨桿錨索受力進行了監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果表明新型礦山壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時準確地反映采場及巷道的礦壓情況,煤礦可根據(jù)實際情況及時調(diào)整支護系統(tǒng)。

采煤工作面 回采巷道 礦山壓力 在線監(jiān)測 礦壓控制

礦山壓力控制主要是研究采場及巷道內(nèi)由于采掘活動引起的應力、變形及穩(wěn)定性控制等問題。由于天然煤巖體幾何參數(shù)及理化參數(shù)都是隨機變量,煤巖體具有不連續(xù)、非均質(zhì)、各向異性的特征,導致理論推導的計算式適應性受限、數(shù)值模擬及相似模擬的結(jié)果與實踐存在差距。因此,實測礦山壓力研究是保障煤礦安全生產(chǎn)的重要手段。傳統(tǒng)的礦山壓力監(jiān)測采用人工現(xiàn)場計數(shù)的方式,工人勞動強度大、安全性差,而且容易出現(xiàn)虛假數(shù)據(jù),不利于煤礦的安全生產(chǎn)。本文結(jié)合華晉焦煤沙曲礦的具體條件,介紹了礦山壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理及應用情況。

1 礦山壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)的原理

1.1 系統(tǒng)原理

華晉焦煤沙曲礦采用KJ327系列礦山壓力在線監(jiān)測系統(tǒng),系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 礦山壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

礦山壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)依靠傳統(tǒng)的監(jiān)測設備(如工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測儀、頂板離層儀、錨桿受力計、錨索受力計等)直接獲得礦山壓力顯現(xiàn)數(shù)據(jù),每一臺監(jiān)測設備都配有相應的傳感器,傳感器將獲得的物理力學數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并存儲在分站當中,分站按照設定的時間步長定期向監(jiān)測主站傳輸數(shù)據(jù)。主站具有更大的存儲能力,匯總各監(jiān)測分站的信息并定期將數(shù)據(jù)上傳至地面工作站。地面工作站的計算機裝有專門的礦山壓力分析軟件,可根據(jù)設定的具體信息判別井下各分站情況是否異常。當數(shù)據(jù)超過設置極限值時,軟件自動報警,此時工作人員按照相關規(guī)定,及時處理井下異常情況,避免因井下礦山壓力劇烈顯現(xiàn)而造成不可挽回的損失。礦山壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)可以同時在多臺計算機終端共享,大大提高了不同科室人員對礦壓數(shù)據(jù)的獲取速率。

監(jiān)測分站與主站之間的信號傳輸可分為有線傳輸和無線傳輸。有線傳輸?shù)膬?yōu)點是抗干擾能力強、可遠距離布置分站,缺點是井巷中的傳輸線容易被冒落的矸石、煤切斷,加大了檢修難度。無線傳輸?shù)膬?yōu)點是減少了線纜的布置,提高了安裝速度,缺點是無線傳輸難以實現(xiàn)遠距離傳輸,當因地質(zhì)條件等因素造成監(jiān)測分站間距離加大時,數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性下降。

1.2 設備組成

按照不同設備安裝位置的不同,礦山壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)的設備主要包括地面和井下兩部分,地面設備主要由計算機硬件、監(jiān)測分析軟件及相應的線纜組成;井下設備主要包括KJ327－Z礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測主站、KDW－0.4/127型隔爆兼本安直流電源、礦用抗拉數(shù)據(jù)通訊插接件、KJ327－Z型頂板離層監(jiān)測主站、KJ327－F型頂板離層監(jiān)測分站、KJ327－Z型礦山壓力監(jiān)測通訊主站、KZC12型以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器、KJ327型拉線式位移傳感器、KJ327型載荷傳感器、JHH－2型接線盒、JH H－3型接線盒、MHYV型通訊電纜等。

2 沙曲礦礦山壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)布置方案

華晉焦煤沙曲礦屬于高瓦斯礦井,24305試驗工作面為北三采區(qū)第5個沿煤層走向布置的傾斜長壁式回采工作面。煤層埋深440～550 m,煤厚3.4～4.2 m,平均厚度為4.02 m。24305工作面采用傾斜長壁后退式跟頂跟底綜采一次采全高的采煤方法,采空區(qū)采用全部垮落法管理頂板。工作面運輸巷道采用混合料充填進行沿空留巷,工作面為“四六”制作業(yè),兩班出煤、一班檢修、一班充填。根據(jù)工作面的范圍及兩巷的長度,監(jiān)測主要針對回采工作面及工作面兩巷,選取的分析指標為工作面液壓支架的工作阻力、兩巷的頂板離層量、錨桿錨索受力。

24305工作面共有支架132架,8個監(jiān)測分站分別安裝在5＃、22＃、40＃、58＃、74＃、92＃、109＃、128＃液壓支架上,采用吊掛式安裝在支架掩護梁下方,將高壓油管連接至監(jiān)測分站的壓力傳感器接口上,另一端接支架的前后立柱。兩巷的監(jiān)測系統(tǒng)包含27臺監(jiān)測站,其中2臺主站,25臺分站,間隔約50 m設一個監(jiān)測斷面,監(jiān)測斷面的布置如圖2所示。每個監(jiān)測斷面頂板中部施工兩個錨索孔,孔深6.3 m,孔徑不小于27 mm;一個安裝頂板離層儀,一個安裝錨索。頂板離層監(jiān)測點設深基點和淺基點各一個,深度分別為6.3 m、3 m。每個監(jiān)測斷面靠近工作面煤幫一側(cè)打一個2 m的錨桿孔,安裝錨桿傳感器,并將傳感器上的線纜固定于煤壁上,便于接入監(jiān)測分站。軌道巷監(jiān)測主站安裝在軌道巷口,第一分站位于70 m處,共12臺分站;運輸巷監(jiān)測主站安裝在120 m處,第一分站位于160 m處,共13臺分站。

圖2 巷道斷面在線監(jiān)測系統(tǒng)布置示意圖

3 礦山壓力在線監(jiān)測結(jié)果分析

考慮到軌道巷靠近采空區(qū),該側(cè)的數(shù)據(jù)具有一定代表性,因此選取靠近軌道巷的8號測站監(jiān)測的1架四柱式液壓支架工作阻力進行分析。由于在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)量較大,每天監(jiān)測獲得超過幾十萬個數(shù)據(jù),為了便于說明,并考慮到實測過程中部分測站出現(xiàn)故障、數(shù)據(jù)不連續(xù)的情況,下文以部分測站獲得的較為完整的數(shù)據(jù)進行分析,圖中的數(shù)字代表測站的編號。

3.1 工作面液壓支架工作阻力分析

8號測站獲得的支架前柱阻力數(shù)據(jù)如圖3所示,可知監(jiān)測期間前柱最大工作阻力值為32.8 MPa,最小為2.6 MPa,同樣也測得后柱最大工作阻力值為33.6 MPa,最小為0 MPa。隨著開采活動的進行支架工作阻力呈現(xiàn)動態(tài)變化,且不規(guī)則達到階段性峰值點。

圖3 支架前柱工作阻力

伴隨著液壓支架的降架、移架、升架過程,支柱阻力在達到一個峰值后迅速下降,然后逐漸上升。若支架移架升架后支架工作阻力并未上升,說明支架與頂板接觸不實,初撐力過低,需要對支架進行調(diào)整。當工作面回采時,受采動影響與頂板接觸良好的支架工作阻力會逐漸增長。當支架阻力升起后緩慢降低或讀數(shù)持續(xù)較低時,說明支架可能出現(xiàn)漏液、串液等故障,或者該通道監(jiān)測分站快速接頭處密封圈損壞,需在檢修班對其進行維修。礦壓在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用實現(xiàn)了支架工作阻力的實時獲取,淡化了周期來壓的概念,能夠準確反映支架的受力情況,并能依靠配套軟件對支架異常數(shù)據(jù)進行報警,方便及時調(diào)整支架工作狀態(tài),有助于實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

3.2 軌道巷頂板離層量分析

軌道巷部分監(jiān)測分站淺基點監(jiān)測的位移量如圖4所示,由圖4可知,軌道巷淺基點的位移量基本在－1～5 mm變化,同時監(jiān)測到深基點的位移量基本也在－1～5 mm變化,說明監(jiān)測期間內(nèi),巷道內(nèi)大部分煤巖體保持較好的完整性,巷道內(nèi)的支護系統(tǒng)能夠有效控制頂板運動。同時,淺基點測得的位移量表現(xiàn)出大于深基點位移量的趨勢,且淺基點的位移一般要先于深基點位移發(fā)生,深淺基點位移量在小范圍內(nèi)均表現(xiàn)出波動的特征,并逐漸趨向于相對穩(wěn)定的波動范圍。頂板巖層的運動主要是從下向上發(fā)展的,相鄰巖塊間摩擦、錯動,致使巖層位移量動態(tài)波動,在有效支護下,該波動范圍相對固定。在運輸巷的實測中,除設備故障外,在沖刷帶附近局部位移量達到近500 mm,說明局部地質(zhì)異常區(qū)的支護系統(tǒng)有失效的風險,需加強支護及管理。

圖4 軌道巷頂板淺基點位移

3.3 軌道巷錨桿錨索受力分析

軌道巷煤幫錨桿受力如圖5所示,圖5顯示距離工作面較遠的1、2、3號測站內(nèi)的錨桿受力總體呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,可能原因是該部分測站距離護巷煤柱較近,煤體由相對完整的彈性體變?yōu)槠扑榈膲K體,表現(xiàn)出錨桿受力逐漸下降。4、8、10、12測站內(nèi)的錨桿受力相對穩(wěn)定,波動不大,表明這些測站附近的煤巖體完整性較好?？拷ぷ髅嬉粋?cè)的測站錨桿受力還表現(xiàn)出由相對穩(wěn)定到逐漸上升的趨勢,說明采動對工作面煤壁以內(nèi)的深部煤體施加了壓縮的作用,錨桿被煤體夾持而受力增加,在回采時要注意工作面前方的礦壓顯現(xiàn)。

圖5 軌道巷幫錨桿受力情況

由各測站監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,軌道巷頂錨索受力變化不大,即巷道頂板巖層穩(wěn)定性較好,這與軌道巷頂板位移量波動不大相一致。

以上礦壓數(shù)據(jù)說明,監(jiān)測期間內(nèi),巷道內(nèi)的支護系統(tǒng)能夠有效地支護頂板,而工作面的液壓支架有時會存在初撐力不足、漏液等情況,根據(jù)監(jiān)測的情況及時調(diào)整了支架,保證了安全生產(chǎn)。

4 結(jié)論

礦山壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了礦壓的實時監(jiān)測、預警,有助于獲得準確的礦壓數(shù)據(jù)。礦壓在線監(jiān)測系統(tǒng)淡化了周期來壓的概念,監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠準確反映采場及巷道的礦壓情況,有助于實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

[1] 姜耀東,趙毅鑫,劉文崗等.煤巖沖擊失穩(wěn)的機理和實驗研究[M].北京:科學出版社,2009

[2] 陳剛,姜耀東,曾憲濤等.大采高采場覆巖頂板應力規(guī)律三維相似模擬研究[J].煤礦開采,2012 (3)

[3] 趙杰,杜學領.同忻煤礦大采高綜放開采工作面礦壓研究[J].山西煤炭,2014(10)

[4] 佘永明,任永強.柳塔礦不穩(wěn)定厚硬煤層綜放面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究[J].中國煤炭,2013(3)

[5] 付東波,徐剛,毛德兵等.采煤工作面頂板災害監(jiān)測系統(tǒng)的應用[J].煤礦開采,2013(6)

[6] 李安安,喬熙,劉陽等.光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)在鉆井井壁健康監(jiān)測中的設計與應用[J].中國煤炭, 2011(9)

[7] 梁慶華,溫興林,張磊等.千米埋深礦山壓力在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保, 2007(3)

Research and application of the online monitoring system of mine rock pressure in Shaqu Coal Mine

Liu Jiangao1,Du Xueling1,Jiang Yaodong2
(1.School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

To solve the problem of unilateral measurement and inefficiency existing in traditional mine rock pressure,principle and application of a new online mine rock pressure monitoring system was introduced combined with the mining conditions in Shaqu Coal Mine,Huajin Coking Coal Co.,Ltd..The monitoring system consisted of two parts of ground and underground, which included traditional monitoring equipment,sensors,cables,memorizers,computer hardware and software,etc.The working resistance of hydraulic supports,roof separation of two roadways,working status of anchor bolts and anchor cables were chose as the monitoring indexes in Shaqu Coal Mine.The monitoring results showed that the new monitoring system could response to the pressure situation of mining fields and roadways timely and accurately,and the coal mine could adjust their support system based on the actual condition.

coal working face,gateway,rock pressure,online monitoring,rock pressure control

TD326

A

劉建高(1962－),男,山西山陰人,博士研究生,主要從事煤礦方面的管理與技術(shù)工作。

(責任編輯 張毅玲)

國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目(2010CB226801)