煤礦頂板災害監(jiān)測預警系統(tǒng)及其應用

張會軍,楊　磊

(天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

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煤礦頂板災害監(jiān)測預警系統(tǒng)及其應用

張會軍,楊磊

(天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

[摘要]針對我國煤礦頂板事故多發(fā)及頂板事故預警分析空白的現(xiàn)狀，設計了一種集互聯(lián)網(wǎng)技術、軟件開發(fā)技術、CAN總線技術、礦壓理論及實踐研究成果于一體，同時具有數(shù)據(jù)融合分析及預警功能的煤礦頂板災害監(jiān)測預警系統(tǒng)；詳細介紹了預警系統(tǒng)的設計思路、系統(tǒng)構成、軟件開發(fā)及應用效果。實際應用表明，預警系統(tǒng)可以實現(xiàn)對煤礦頂板災害災前征兆信息的有效捕捉，可對煤礦頂板安全隱患進行有效地預測、預警。

[關鍵詞]頂板災害;在線監(jiān)測，預警系統(tǒng)，應用

[引用格式]張會軍,楊磊.煤礦頂板災害監(jiān)測預警系統(tǒng)及其應用[J].煤礦開采，2015，20(6)：94-96,122.

我國煤礦的頂板事故及頂板災害以其點多面廣、控制難度大等特點，在各類煤礦事故中一直居于前列[1-2]。據(jù)國家有關部門統(tǒng)計，2014年全國煤礦共發(fā)生頂板事故196起，占事故總起數(shù)的38.5%，其中工作面來壓期間發(fā)生圍巖動力事故占圍巖動力事故的77%左右。

為了預防冒頂事故的發(fā)生，就必須加強煤礦礦壓動態(tài)監(jiān)測，通過監(jiān)測工作面支架工作阻力、巷道圍巖位移、錨桿錨索受力的變化，可以有效研究并掌握煤礦頂板活動的顯現(xiàn)規(guī)律[3-6]。

目前已有的礦壓監(jiān)測系統(tǒng)存在以下不足：因循檢時間較長無法捕捉到有用的征兆信息，從而導致無法分析征兆；監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性和準確性差；無自動分析數(shù)據(jù)模型和功能，實現(xiàn)頂板災害預警，與災害相關的征兆信息，不能從大量的原始數(shù)據(jù)中提取，現(xiàn)有的國內(nèi)礦壓監(jiān)測系統(tǒng)實際就是監(jiān)測壓力、應力、位移等參數(shù)，系統(tǒng)主要功能用于監(jiān)測顯示，并不能根據(jù)礦壓規(guī)律進行數(shù)據(jù)分析和災害預警。

因此需要開發(fā)一種集互聯(lián)網(wǎng)技術、軟件開發(fā)技術、CAN總線技術、礦壓理論及實踐研究成果于一體的煤礦災害監(jiān)測預警系統(tǒng)[7-10]，通過遠程實時查看并分析各監(jiān)測礦井的巷道變形破壞情況、錨桿及錨索工作阻力、支架工作狀態(tài)分布情況，實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定性多元參數(shù)綜合監(jiān)測與預警，及時發(fā)現(xiàn)并排除頂板安全隱患，防止冒頂事故，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

1預警系統(tǒng)設計思路

頂板事故的防治不僅要通過提高支護強度，更要注重管理，加強監(jiān)測與預警。礦井頂板災害的發(fā)生具有瞬時性，但發(fā)生的征兆具有長期性。當頂板發(fā)生災害時進行警示已無法達到預警目的，只有在災害發(fā)生前對其征兆進行分析，才能進行預警從而達到災前預警的目的。

實現(xiàn)頂板災害預警，首先要分析災害相關的征兆信息，如工作面來壓步距、支架初撐力、最大工作阻力、安全閥開啟率、頂板的離層加速度等，這些信息需要從大量的原始數(shù)據(jù)中提取。因此，急需在加強礦壓監(jiān)測工作的基礎上，開發(fā)一種具有自動分析功能的數(shù)據(jù)模型并能實現(xiàn)災前預警的監(jiān)測系統(tǒng)，這樣就能有效地減少煤礦頂板事故的發(fā)生，避免人員傷亡和不必要的財產(chǎn)損失。

2頂板災害監(jiān)測預警系統(tǒng)構成

煤礦頂板災害預警系統(tǒng)就是要將大量礦壓數(shù)據(jù)直觀化，抽象礦壓理論形象化，復雜分析過程簡單化，分析結果實用化。通過監(jiān)測煤礦井下采場液壓支架工況、圍巖變形量等情況，基于最新的礦壓理論及實踐研究成果，開發(fā)統(tǒng)一的監(jiān)測預警系統(tǒng)，實時評價巷道圍巖穩(wěn)定性以及支架工況，自動預測預報應力異常帶、強烈礦壓顯現(xiàn)等危險區(qū)域。該預警系統(tǒng)物理架構總體分為4個層次：一是礦壓數(shù)據(jù)采集層；二是礦壓數(shù)據(jù)存儲與管理；三是礦壓數(shù)據(jù)應用；四是礦壓數(shù)據(jù)展示。如圖1所示。

圖1　預警系統(tǒng)物理結構

(1)礦壓數(shù)據(jù)采集層在集團各井工煤礦布置1臺數(shù)據(jù)采集器，實現(xiàn)對礦壓數(shù)據(jù)的連續(xù)實時采集，并通過局域網(wǎng)實時、不間斷發(fā)送到集團調(diào)度室的數(shù)據(jù)中心。

(2)礦壓數(shù)據(jù)存儲與管理層集團調(diào)度室設置專用服務器，以礦為單位存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)，ChinDB實時/歷史數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)備份管理、數(shù)據(jù)整合等功能，同時為上層數(shù)據(jù)應用層統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口。

(3)礦壓數(shù)據(jù)應用層通過開發(fā)各類專用算法及預警模型，實現(xiàn)實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、預警及預測預報功能，同時為上層的數(shù)據(jù)展示提供了基礎數(shù)據(jù)。

(4)礦壓數(shù)據(jù)展示層開發(fā)功能齊全、簡潔大方的界面統(tǒng)一展示數(shù)據(jù)分析、診斷及預測結果，可進行歷史曲線和綜合信息查詢、日報表打印等。

3預警系統(tǒng)軟件開發(fā)

開發(fā)了基于WindowsXP以上環(huán)境，可以在PC機或工控機上運行煤礦頂板災害監(jiān)測預警系統(tǒng)軟件，該軟件以B/S方式實現(xiàn)，界面采用網(wǎng)頁的方式給出。預警系統(tǒng)軟件主要功能如表1所示。點擊綜合顯示欄可以通過數(shù)據(jù)列表、柱狀圖及采掘平面圖3種方式顯示實測數(shù)據(jù)、診斷及預測預報結果；鏈接預警分析模塊，可以直接實時對比分析不同區(qū)域工作面支架工作阻力、初撐力及安全閥開啟率、頂板來壓強度，巷道圍巖變形及離層情況。同時在預警查詢欄可及時詳細查看任意時間、任意區(qū)域的監(jiān)測預警數(shù)據(jù)和曲線。預警系統(tǒng)軟件具有快捷的數(shù)據(jù)導入、導出及備份等功能，便于進行深入分析。系統(tǒng)的模塊名稱設置、區(qū)域設置、設備管理、分站設置、提供日報表的生成功能報警設置、用戶與安全管理可在系統(tǒng)管理部分直接完成，隨后根據(jù)監(jiān)測分析進度可以進行監(jiān)測和分析結果以及日報表的生成和打印。

表1　煤礦頂板災害預警系統(tǒng)功能

4應用

在安徽皖北煤電集團、鄂爾多斯準旗煤炭局、中煤平朔集團、川煤集團達竹煤電公司等企業(yè)運用煤礦頂板災害監(jiān)測預警系統(tǒng)先后進行了煤礦頂板災害監(jiān)測分析的試驗和應用。

圖2　煤礦頂板監(jiān)測預警系統(tǒng)工作面實時監(jiān)測預警分析

現(xiàn)場以中煤平朔一礦19106工作面及14111，14110巷道實測數(shù)據(jù)為例，通過一段時間監(jiān)測并進行動態(tài)分析，可以得出2013年8月8日19106綜采工作面支架平均初撐力2748.12kN，最大工作阻力為10704.03kN，安全閥開啟率為5.88%，不保壓率為11.76%，來壓步距為39.53m。14111和14110巷道深層、淺層位移最大值分別為5.0mm，6.0mm，其對應報警比例分別達到20.75%，13.21%；錨桿錨索受力最大增值為4.9kN，最大增速為1.8kN/h等(見圖2、圖3)。應用結果表明，在加強對煤礦頂板的實時動態(tài)監(jiān)測的基礎上，可以及時掌握煤礦頂板來壓動態(tài)特征，借助ChinDB動態(tài)數(shù)據(jù)庫對大量原始數(shù)據(jù)的處理分析，可以有效捕捉工作面來壓步距、支架初撐力、最大工作阻力、安全閥開啟率和頂板的離層加速度等與頂板災害相關的征兆信息，及時掌握頂板來壓動態(tài)特征及其顯現(xiàn)規(guī)律，也可以規(guī)避潛在頂板隱患，有效指導安全生產(chǎn)。

圖3　煤礦頂板災害預警系統(tǒng)巷道實時監(jiān)測預警分析

5結束語

煤礦頂板災害監(jiān)測預警系統(tǒng)的研究應用，進一步提高了煤礦頂板災害的動態(tài)監(jiān)測水平，基于礦壓研究理論及應用實踐成果開發(fā)的自動數(shù)據(jù)處理模型通過對預警系統(tǒng)進行的數(shù)據(jù)采集、存儲、處理分析可實現(xiàn)對災前征兆信息的有效捕捉，實時掌握頂板來壓動壓特征和來壓規(guī)律，也可以有效實現(xiàn)對煤礦頂板來壓的預測、預報、預警分析，對提高煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。

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[責任編輯：潘俊鋒]

Monitoring and Pre-warning System of Mine Roof Disaster and Application

ZHANG Hui-jun，YANG Lei

(Coal Mining and Designing Department，Tiandi Science and Technology Co.,Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract：To the status of the multiple roof incidents and blank warning analysis，the monitoring and pre-warning system of mine roof disaster is designed.This system uses a set of internet technology，software development technology，CAN bus technology，strata theory and practice of research in one，also has data analysis and pre-warning capabilities.This paper introduce design ideas，system configuration，software development and application effect of the pre-warning system.The practical application show that pre-warning system can effectively capture the portent information of coal mine disaster，and to mine roof safety hazards can effectively forecasting and pre-warning.

Key words：roof disaster；online monitoring；pre-warning system；application

[作者簡介]張會軍(1983-)，男，河南輝縣人，助理研究員，開采設計事業(yè)部采礦技術研究所副主任，研究方向為礦壓及巖層控制等。

[基金項目]天地科技股份有限公司技術創(chuàng)新基金資助課題(KJ-2014-TDKC-05)

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2015.06.025

[收稿日期]2015-06-26

[中圖分類號]TD76；X924.3

[文獻標識碼]A

[文章編號]1006-6225(2015)06-0094-03