基于KJD220 監(jiān)測(cè)技術(shù)的巷道礦壓變化特征研究

劉寶志

（同煤國(guó)電同忻煤礦有限公司，山西 大同 037000）

1 引言

采高大的綜采面液壓支架失穩(wěn)問(wèn)題比采高小的綜采面產(chǎn)生的問(wèn)題更為嚴(yán)重，平均事故率達(dá)到6%～20%以上，因此在采礦生產(chǎn)實(shí)踐中，大采高綜采面特殊的礦壓規(guī)律研究己成為亟待解決的問(wèn)題[1-2]。研究大同礦區(qū)采場(chǎng)壓力顯現(xiàn)規(guī)律和頂板活動(dòng)規(guī)律，掌握大采高綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)特征及相應(yīng)的控制技術(shù)，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 工作面概況

8209 工作面位于同忻礦二盤區(qū)北部。8209 工作面為三巷布置，兩條順槽與二盤區(qū)三條大巷的夾角為76°20′向東開掘。2209 皮帶順槽、5209 輔助運(yùn)輸順槽沿3～5#煤層底板掘進(jìn)，8209 巷沿3-5 號(hào)煤層頂板掘進(jìn)。工作面切眼與順槽巷道相垂直，切眼掘?qū)?.8m，巷高3.3m，切眼巷長(zhǎng)度260.2m。錨桿+鋼帶+金屬網(wǎng)+錨索+組合錨索+三排單體液壓支柱+井字木垛聯(lián)合支護(hù)，支架鏟運(yùn)車可從單體液壓支柱中間通過(guò)。8209 綜放工作面采用單一走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化低位放頂煤開采的采煤方法。8209綜放工作面采用SL-500型采煤機(jī)落煤裝煤、PF6/1142 型前部刮板輸送機(jī)和PF6/1342 型后部刮板輸送機(jī)運(yùn)煤、ZF13000/25/38 型低位放頂煤支架進(jìn)行工作面支護(hù)和放煤。根據(jù)地質(zhì)資料，工作面平均煤厚15.15m，采高為3.6m，放煤高度11.55m，采放比為1:3.21，循環(huán)進(jìn)度為0.8m，采用一刀一放的放煤方式，放煤步距為0.8m，采用自然垮落法管理采空區(qū)頂板。

3 KJD220 監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 監(jiān)測(cè)設(shè)備的創(chuàng)新技術(shù)

（1）采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)透明、標(biāo)準(zhǔn)化連接。

（2）主通訊速率高達(dá)57600bit/s，是現(xiàn)有通訊方式的48 倍。通訊距離高達(dá)25km。

（3）由8 片微處理器組成并行通訊系統(tǒng)，在7個(gè)支路、210 臺(tái)分站的最大配置下，系統(tǒng)巡檢周期小于6s。

（4）每個(gè)支路自成一體，相互沒(méi)有影響，十分便于系統(tǒng)的日常維護(hù)。

3.2 井下通訊接口

（1）交流輸入電壓：127/220/380/660V AC。

（2）允許電網(wǎng)波動(dòng)范圍：-25%～+10%。

（3）接口數(shù)量：4 路光口2 路本安485 接口。

（4）與井下分站通訊：基帶、串行；

傳輸速率：1200/2400bit/s；

通訊支路：井下6 個(gè)支路，每路最多可接入64臺(tái)分站，總計(jì)384 臺(tái)分站。

（5）通訊距離

與井下監(jiān)測(cè)分站通訊距離（電纜）：≥15km；

與地面通訊接口通訊距離（光纖）：≥20km。

3.3 監(jiān)測(cè)分站

該傳感器能自動(dòng)將頂板的壓力、離層量、位移量、錨桿錨索應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號(hào)輸送給關(guān)聯(lián)設(shè)備，具有就地顯示頂板的壓力、離層量、位移量、錨桿錨索應(yīng)力的功能。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸原理

各監(jiān)測(cè)分站不停地對(duì)所收到的各測(cè)點(diǎn)信號(hào)（負(fù)荷量、開停、流量、錨桿監(jiān)測(cè)、支架壓力、頂板壓力等）進(jìn)行檢測(cè)變換和處理，不斷從井下傳輸接口處獲取數(shù)據(jù)，把檢測(cè)的參數(shù)送到地面?zhèn)鬏斀涌赱5]。

井下傳輸接口中七個(gè)單片機(jī)采用分步式與掛在自已支路上的各個(gè)監(jiān)測(cè)分站進(jìn)行輪流通信，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里，井下傳輸接口主通訊程序?qū)⒚總€(gè)單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)匯總存儲(chǔ)到主數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里，等待井上傳輸接口提取數(shù)據(jù)。

地面?zhèn)鬏斀涌趯⑹盏降母鞣N數(shù)據(jù)處理后，及時(shí)傳給地面計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)將收到的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行處理和存盤，并實(shí)時(shí)以表格或圖形顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)每個(gè)支柱上的壓力和工作阻力分析沿工作面傾向方向礦山壓力的分布狀態(tài)，顯示沿工作面傾向方向的礦壓分布圖。超限或異常故障時(shí)，地面中心站語(yǔ)音報(bào)警。監(jiān)控人員也可以打印出各種報(bào)表和趨勢(shì)分析圖。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了研究特厚煤層大采高綜放采場(chǎng)礦山壓力顯現(xiàn)及圍巖應(yīng)力、位移變化的基本規(guī)律，結(jié)合同忻礦8209 工作面地質(zhì)生產(chǎn)實(shí)際情況，采用先進(jìn)監(jiān)測(cè)設(shè)備和礦山壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，計(jì)劃在8209 綜放工作面2209 進(jìn)風(fēng)巷和5209 回風(fēng)巷進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)觀測(cè)數(shù)據(jù)，了解、掌握巷道圍巖應(yīng)力位移的變化狀態(tài)以及超前和側(cè)向支撐壓力的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)大采高工作面的安全高效回采，優(yōu)化支護(hù)方式和開采工藝，使礦井向現(xiàn)代化集約型發(fā)展。

4.1 測(cè)站與測(cè)點(diǎn)布置

（1）測(cè)站布置

如圖1 所示，在8209 工作面的2209 巷距切眼40m、70m 和100m 的位置分別布置測(cè)點(diǎn)，依次編號(hào)為測(cè)站Ⅰ、測(cè)站Ⅱ和測(cè)站Ⅲ，測(cè)站間距為30m。測(cè)站布置3 個(gè)觀測(cè)斷面，觀測(cè)斷面間距3m。同樣在8209 工作面的回風(fēng)順槽5209 巷內(nèi)距切眼40m、70m 和100m 的位置分別布置測(cè)點(diǎn)，依次編號(hào)為測(cè)站Ⅰ、測(cè)站Ⅱ和測(cè)站Ⅲ，測(cè)站間距為30m。

圖1 測(cè)區(qū)布置

（2）測(cè)點(diǎn)布置

巷道表面位移測(cè)點(diǎn)布置如圖2 所示。在頂、底及兩幫各一個(gè)表面位移測(cè)點(diǎn)，用鋼釘作標(biāo)記，鋼釘深入圍巖200mm，底點(diǎn)用400mm 長(zhǎng)的鐵镢子打入底板中，保證測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定。頂、底點(diǎn)的聯(lián)線與兩幫測(cè)點(diǎn)的聯(lián)線呈“十”字形垂直相交。

圖2 表面位移測(cè)點(diǎn)布置

錨固力觀測(cè)時(shí)，在同一觀測(cè)斷面的頂部、兩幫的錨桿端部安設(shè)錨桿測(cè)力計(jì)（液壓枕），并讀取初讀數(shù)。

4.2 大采高綜放工作面巷道表面變形觀測(cè)

（1）圖3 為運(yùn)輸順槽巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平€。

圖3 2209 運(yùn)輸順槽巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平€

由圖3（a）～3（c）可知，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距工作面大于100m 遠(yuǎn)時(shí)，累計(jì)移近量曲線幾乎呈水平狀態(tài)，說(shuō)明圍巖幾乎沒(méi)有發(fā)生變形；當(dāng)測(cè)點(diǎn)距工作面100～70m 時(shí)，巷道頂?shù)装謇塾?jì)移近量增加了大約54mm，最大變形速度約為8mm/d，移近量變化曲線增長(zhǎng)緩慢，變形速度曲線波動(dòng)較小；當(dāng)測(cè)點(diǎn)距工作面從70m 推近到40m 時(shí)，頂?shù)装謇塾?jì)變形量由34mm 變化到109mm，增量明顯且變化速率較快，在此期間，最大變形速度約為17mm/d；隨著工作面不斷推進(jìn)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)與工作面距離小于40m 時(shí)，巷道頂?shù)装謇塾?jì)移近量急劇增加，變形速度曲線波動(dòng)較大，其中變形量大約增加到404mm，最大變形速度約為29mm/d。兩幫累計(jì)移近量曲線變化趨勢(shì)與頂?shù)装遄兓€相似。

（2）圖4 為回風(fēng)順槽巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平€

由圖4（a）～4（c）可知，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距工作面大于95m 遠(yuǎn)時(shí)，累計(jì)移近量曲線幾乎呈水平狀態(tài)，說(shuō)明圍巖幾乎沒(méi)有發(fā)生變形；當(dāng)測(cè)點(diǎn)距工作面95～70m 時(shí)，巷道頂?shù)装謇塾?jì)移近量增加了大約37mm，最大變形速度約為6mm/d，移近量變化曲線增長(zhǎng)緩慢，變形速度曲線波動(dòng)較小；當(dāng)測(cè)點(diǎn)距工作面從70m 推近到40m 時(shí)，頂?shù)装謇塾?jì)變形量由37mm 變化到149mm，增量明顯且變化速率較快，在此期間，最大變形速度約為11mm/d；隨著工作面不斷推進(jìn)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)與工作面距離小于40m 時(shí)，巷道頂?shù)装謇塾?jì)移近量急劇增加，變形速度曲線波動(dòng)較大，其中變形量大約增加到384mm，最大變形速度約為31mm/d。兩幫累計(jì)移近量曲線變化趨勢(shì)與頂?shù)装遄兓€相似。

圖4 5209 回風(fēng)順槽巷道頂?shù)装搴蛢蓭鸵平€

從以上圖形的分析結(jié)果可得，8209 大采高綜放面巷道表面受回采影響的變形規(guī)律可分為支承壓力影響的四個(gè)階段如下：

（a）無(wú)采動(dòng)影響階段：距離工作面約大于100m 之外；

（b）采動(dòng)影響階段：距離工作面約為100～70m的范圍內(nèi)；

（c）采動(dòng)影響明顯階段：距離工作面約為70～40m 的范圍內(nèi)；

（d）采動(dòng)影響劇烈階段：距離工作面約小于40m 之內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）應(yīng)用KJD220 監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)8209 工作面的兩巷進(jìn)行監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，隨著綜放面不斷推進(jìn)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)越靠近工作面時(shí)，巷道頂?shù)装謇塾?jì)移近量急劇增加，變形速度曲線波動(dòng)較大。兩幫累計(jì)移近量曲線變化趨勢(shì)與頂?shù)装遄兓€相似。

（2）采用KJD220 監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)8209 工作面的礦壓特征進(jìn)行研究，通過(guò)試驗(yàn)得出，8209 大采高綜放面巷道表面受回采影響的變形規(guī)律可分為支承壓

力影響的四個(gè)階段：無(wú)采動(dòng)影響階段、采動(dòng)影響階段、采動(dòng)影響明顯階段和采動(dòng)影響劇烈階段，為實(shí)現(xiàn)大采高綜放工作面的安全開采、巷道的優(yōu)化布置、開采工藝的合理流程和保護(hù)煤柱留設(shè)等方面，提供了理論指導(dǎo)和借鑒。