基于P－t曲線智能實(shí)時(shí)撲捉的頂板災(zāi)害壓力監(jiān)測研究

付東波

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013;2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院，北京100013)

頂板事故的防治一直是煤礦企業(yè)安全管理工作的重點(diǎn)。普通的頂板及礦山壓力監(jiān)測不能滿足對(duì)頂板災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測預(yù)警的要求。天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部采礦所對(duì)我國煤礦頂板災(zāi)害的監(jiān)測與防治方面進(jìn)行了大量的研究［1－4］，提出在煤礦安裝頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)得到預(yù)警指標(biāo)，根據(jù)指標(biāo)是否超限對(duì)頂板進(jìn)行治理。在監(jiān)測的研究和實(shí)踐中，采煤工作面液壓支架工作阻力的監(jiān)測一直是研究的重點(diǎn)，由于預(yù)警的要求需要著重考慮的有:

(1)分析建立支架動(dòng)作循環(huán)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，要保證數(shù)據(jù)的有效性。

(2)由于支架動(dòng)作過程 (降、移、升)一般約為10～40s，系統(tǒng)的巡檢時(shí)間不能以安全監(jiān)控系統(tǒng)的規(guī)定巡檢時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)移架時(shí)間這一具體參數(shù)設(shè)定可調(diào)節(jié)巡檢時(shí)間，保證不遺漏移架過程的數(shù)據(jù)，從而保證每一循環(huán)支架初撐力的準(zhǔn)確性。

(3)有選擇性保存和傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)過多損失傳輸效率。

根據(jù)上述分析，本文從反映支架與圍巖的相互作用關(guān)系的移架過程P－t(壓力－時(shí)間)曲線的特點(diǎn)、頂板災(zāi)害壓力監(jiān)測和現(xiàn)場測試研究等方面對(duì)頂板災(zāi)害監(jiān)測中的采煤工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測進(jìn)行研究。

1 支架P－t曲線的特點(diǎn)及對(duì)監(jiān)測的意義

采掘工作面上覆巖層中臨近煤層的基本頂巖層形成的結(jié)構(gòu)由“煤壁－支架－采空區(qū)冒落矸石”這一體系所支撐［5］。煤壁與矸石的特性不同，支架受力情況也不同。支架既要能維護(hù)頂板，又需要使用最小的支撐力，因此支架性能具有至關(guān)重要的作用。在支架參數(shù)中重點(diǎn)要確定工作阻力和可縮量。研究發(fā)現(xiàn)，工作阻力與頂板下沉量的P－ΔL曲線能夠反映支架與圍巖的相互作用關(guān)系。本文研究支架工作阻力隨時(shí)間的變化規(guī)律即P－t曲線。

P－t曲線能夠反映支架－圍巖從不平衡到平衡的發(fā)展過程。大量觀測記錄［6］表明，工作面液壓支架的P－t曲線有以下幾種主要類型:急增阻型，又分為一次急增阻和二次急增阻;微增阻型;微增阻－恒阻型;初撐－降阻－微增阻型。支架圍巖的正常工作狀態(tài)一般是支架初撐力略低于平衡所需要的值 (即最小臨界值)。經(jīng)過頂板下沉，支架下縮而增阻后，支架圍巖進(jìn)入相對(duì)平衡狀態(tài)。處于微增阻階段，然后割煤移架時(shí)重新出現(xiàn)新的不平衡，出現(xiàn)循環(huán)末急增阻。微增阻型和微增阻－恒阻型兩種類型意味著支架實(shí)際初撐力偏高，支撐后立即進(jìn)入相對(duì)平衡狀態(tài)，也有安全閥不開啟的恒阻型。

急增阻的P－t曲線如圖1所示，較為常見。能夠反映支架的移架循環(huán)過程和頂板來壓情況。它的變化規(guī)律是升架過程中，當(dāng)支架撐起頂板時(shí)，壓力急速上升，升架結(jié)束后的壓力為初撐力;隨后壓力進(jìn)入緩慢上升階段。當(dāng)下一次支架移動(dòng)開始前，由于相鄰支架的移動(dòng)，導(dǎo)致出現(xiàn)壓力的又一次快速上升階段;支架降架，壓力隨之下降到最低，支架下降前的最高壓力為末阻力。根據(jù)P－t曲線，能夠得到支架的初撐力、末阻力，安全閥開啟情況、前后柱受力不平衡情況和立柱不保壓情況，可以計(jì)算來壓步距，判斷頂板來壓和預(yù)測頂板災(zāi)害。因此，如果能夠?qū)崟r(shí)撲捉并獲得完整信息的P－t曲線，則能夠提高頂板災(zāi)害預(yù)警的準(zhǔn)確性。

圖1 移架過程急增阻型P－t曲線

2 頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)工作面液壓支架壓力監(jiān)測的設(shè)備由壓力傳感器、井下監(jiān)測分站、信號(hào)轉(zhuǎn)換器及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)構(gòu)成的光纖以太環(huán)網(wǎng)、地面主機(jī)等構(gòu)成。壓力傳感器采集的支架壓力數(shù)據(jù)由監(jiān)測分站傳輸至信號(hào)轉(zhuǎn)換器，通過光纖以太環(huán)網(wǎng)傳輸至地面主機(jī)，由主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析處理。

為了能夠準(zhǔn)確而有效地?fù)渥街Ъ軌毫?，獲得P－t曲線，頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)必須重點(diǎn)考慮以下兩點(diǎn):一是壓力傳感器的選型和設(shè)計(jì)必須滿足液壓支架循環(huán)壓力沖擊的影響;二是系統(tǒng)的采樣協(xié)議設(shè)計(jì)需要考慮采樣過程必須滿足撲捉壓力變化的全周期的要求，也需過濾微增阻時(shí)無效數(shù)據(jù)。

2.2 壓力傳感器的選型

目前工業(yè)級(jí)的壓力傳感器種類較多，用于頂板及礦山壓力監(jiān)測的壓力傳感器主要有粘貼電阻應(yīng)變片式、振弦式、壓阻式、光纖光柵式等。上述類型傳感器在工作阻力測量中都有應(yīng)用。由于液壓支架工作阻力的壓力變化屬于高強(qiáng)度循環(huán)加壓、卸壓的過程，要求傳感器在高溫高濕的環(huán)境中，耐高壓沖擊、可靠性高、長期工作不漂移。實(shí)踐證明［7－9］，濺射薄膜壓阻式和硅基壓阻式壓力傳感器適用于工作面的壓力監(jiān)測。濺射薄膜壓阻式壓力傳感器是在高真空度中，利用磁控技術(shù)，將絕緣材料、電阻材料以分子形式淀積在彈性不銹鋼膜片上，形成分子鍵合的絕緣薄膜和電阻材料薄膜，并與彈性不銹鋼膜片融合為一體，再經(jīng)過光刻、調(diào)阻，溫度補(bǔ)償?shù)裙ば?，在彈性不銹鋼膜片表面上形成牢固而穩(wěn)定的惠斯頓電橋。因此，傳感器的穩(wěn)定性能和使用的溫度范圍都獲得提升。采用半導(dǎo)體材料制作的壓阻式壓力傳感器種類眾多，半導(dǎo)體硅是常用的一種材料，稱為硅基壓力傳感器，如絕緣體上硅 (SOI)壓力傳感器。它的原理是在硅膜片的背面用機(jī)械或化學(xué)腐蝕的方法加工成中間很薄的凹狀，稱為硅杯，在它的正面制作壓阻電橋。硅基SOI高溫壓力傳感器提高了壓力傳感器的耐高溫性能，同時(shí)具有抗電磁輻射和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

另外，壓力監(jiān)測設(shè)備在煤礦井下使用，必須滿足煤礦井下電氣產(chǎn)品使用的防爆要求，必須具有防爆認(rèn)證和安標(biāo)認(rèn)證才能夠下井使用。由于煤礦井下條件的特殊性，系統(tǒng)設(shè)備也必須滿足防水、防塵、防磕碰等外殼防護(hù)要求，才能保證設(shè)備在井下能夠正常使用。

2.3 壓力采樣設(shè)計(jì)

為了實(shí)時(shí)撲捉具有完整信息的P－t曲線，同時(shí)避免高速采樣占用大量傳輸和存儲(chǔ)資源，提出一種智能化采樣模式，設(shè)置壓力閾值p0，設(shè)前一個(gè)壓力的記錄值為p'，設(shè)壓力的變化值為Δp，則

根據(jù)被測物理量的變化情況采集數(shù)據(jù)，設(shè)采樣頻率為k，當(dāng)采樣時(shí)間到時(shí)，比較Δp和p0。當(dāng)Δp＞p0，記錄當(dāng)前壓力值p。數(shù)據(jù)急劇變化時(shí)可以進(jìn)行毫秒級(jí)采樣，閾值p0可以進(jìn)行調(diào)整，保證記錄所有信息。數(shù)據(jù)緩慢變化時(shí)，設(shè)定定時(shí)記錄當(dāng)前壓力值p，保證數(shù)據(jù)在快速變化時(shí)不會(huì)丟失。采樣的硬件單片機(jī)程序設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 采樣程序

實(shí)際應(yīng)用中必須根據(jù)煤礦具體工作面的開采條件、頂板情況、支架參數(shù)進(jìn)行采樣頻率和閾值的設(shè)置。設(shè)置后，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)情況做進(jìn)一步調(diào)整。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

伊泰集團(tuán)酸刺溝煤礦6上105－2綜放工作面位于酸刺溝井田南部一盤區(qū)6上煤層。工作面走向長度為1356m，傾斜長度為245m?；卷敒橹辛Ｉ皫r，直接頂為粗砂巖。該工作面采用放頂煤開采，采用的支架型號(hào)為ZF15000/26/42四柱支撐掩護(hù)式，支架參數(shù)如表1所示。

表1 ZF15000/26/42四柱支撐掩護(hù)式支架參數(shù)

工作面共安裝頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的壓力傳感器14臺(tái)，分別位于10～140號(hào)支架，每10架布置1臺(tái)。圖3所示為4月7日至4月15日90號(hào)、100號(hào)和110號(hào)支架前柱的P－t曲線。由圖可以看出:4月9日支架工作阻力處于增阻狀態(tài)，90號(hào)、100號(hào)支架工作阻力超過45MPa，110號(hào)支架安全閥開啟;4月10日3架支架工作阻力均處于增阻狀態(tài);4月11日90號(hào)、100號(hào)支架工作阻力超過45MPa;4月14日支架工作阻力處于增阻狀態(tài)，90號(hào)、100號(hào)支架工作阻力超過45MPa，110號(hào)支架安全閥頻繁開啟。對(duì)比該礦工作面來壓統(tǒng)計(jì)情況 (表2)，實(shí)測的P－t曲線與工作面實(shí)際情況完全吻合。

圖3 頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)智能采樣的P－t曲線

表2 工作面來壓統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

通過分析采煤工作面支架與圍巖的相互作用關(guān)系，得出P－t曲線能夠反映支架－圍巖從不平衡到平衡的發(fā)展過程，可為進(jìn)一步研究頂板災(zāi)害預(yù)警分析提供有效數(shù)據(jù)。根據(jù)工作面的壓力監(jiān)測對(duì)壓力傳感器的要求，選擇濺射薄膜壓力傳感器和SOI硅基傳感器。在智能化采樣設(shè)計(jì)中，采用與設(shè)定閾值比較后記錄的定值方式獲得有效數(shù)據(jù)，避免大量數(shù)據(jù)的資源浪費(fèi)。采用固定時(shí)間記錄數(shù)據(jù)的定值方式解決數(shù)據(jù)突變?nèi)菀讈G失的問題。在酸刺溝煤礦的試驗(yàn)表明，頂板災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測完整的P－t曲線、易于分析支架的增阻情況、安全閥開啟情況等，應(yīng)用效果良好。

［1］毛德兵，尹希文，張會(huì)軍.我國煤礦頂板災(zāi)害防治與監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(9):105－109.

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