巷道頂板離層在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用研究

韓升輝

（晉能控股煤業(yè)集團趙莊煤業(yè)，山西 長治 048000）

頂板離層監(jiān)測是巷道礦壓觀測主要手段之一，直接關(guān)系著頂板安全。機械式離層儀人工觀測存在數(shù)據(jù)不連續(xù)、數(shù)據(jù)處理不及時等問題，對于頂板短期突發(fā)離層缺少實時監(jiān)測和預(yù)警功能。頂板離層在線監(jiān)測系統(tǒng)近年來逐漸應(yīng)用到井下，通過環(huán)網(wǎng)將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)降孛?，無需人工采集，且能對數(shù)據(jù)及時處理分析，大大提高了觀測效率。本文以趙莊煤業(yè)二號井1309 工作面安裝的頂板離層在線監(jiān)測系統(tǒng)為研究對象，介紹其構(gòu)成和功能，對觀測數(shù)據(jù)進行分析[1-3]。

1 工程背景

趙莊煤業(yè)二號井1309 綜放煤工作面位于井田東部一采區(qū)，開采3#煤層，平均厚度4.3 m，平均傾角為8°，設(shè)計走向長度950 m，傾向長度為159 m，煤層普氏硬度f =0.4～1.32。老頂為粉砂巖，平均厚度為5.28 m；直接頂為泥巖，平均厚度為0.9 m。

工作面布置13091 和13092 兩條回采巷道，13091 巷為進風(fēng)巷，13092 巷為回風(fēng)巷，均沿煤層頂板掘進。巷道高度3 m，寬度5 m，采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護，錨桿長度2.4 m，錨索長度7.4 m。在兩條順槽安裝頂板離層在線監(jiān)測系統(tǒng)。

在線監(jiān)測系統(tǒng)布置：兩條巷道各布置15 個測點，其中切眼前方90 m范圍各布置3個測點，間距30 m，切眼前方90 m 以外的12 個測點間距均為60 m，在巷口布置監(jiān)測分站，分站和傳感器之間采用無線連接。最后通過井下環(huán)網(wǎng)電纜將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄?。每個監(jiān)測點傳感器包括兩個基點，深度分為2 m、8 m。測點布置如圖1。

圖1 在線監(jiān)測點布置示意圖（m）

機械離層儀布置：為了驗證頂板離層在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，在每個在線監(jiān)測點0.5 m范圍內(nèi)頂板再安裝一組機械離層儀，兩個基點深度分別為2 m、8 m，人工觀測，每7 d 觀測一次，形成數(shù)據(jù)對照，同時布置表面位移測點監(jiān)測頂板下沉情況。

2 頂板離層在線監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

頂板離層在線監(jiān)測系統(tǒng)將計算機檢測技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊技術(shù)和傳感器技術(shù)融為一體，實現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境條件下對煤礦頂板的自動監(jiān)測和分析。

系統(tǒng)由6部分組成：（1）計算機及數(shù)據(jù)處理軟件；（2）KJ216-J 礦用數(shù)據(jù)通訊接口；（3）KJ216-Z 礦用監(jiān)測主站；（4）KJ653-F1 礦用本安型數(shù)據(jù)通訊分站；（5）GUD300W 煤礦本安型頂板位移傳感器；（6）本安型供電電源。另外還有電纜、接線盒、轉(zhuǎn)接器等本質(zhì)安全型部件。如圖2。

圖2 頂板位移傳感器外觀

2.2 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布置

整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由地面部分和井下部分組成，通過井下環(huán)網(wǎng)連接溝通，連接關(guān)系如圖3。

圖3 監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)布置示意圖

頂板位移傳感器采集頂板的離層信號，通過無線通訊模塊發(fā)送到通信分站，分站匯總所有節(jié)點的數(shù)據(jù)通過RS485 總線傳到通訊主站，將RS485 信號轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)，和井下變電所的環(huán)網(wǎng)交換機連接，通過工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)上傳到地面交換機，通過監(jiān)測分析軟件進行數(shù)據(jù)分析和處理。

2.3 系統(tǒng)主要功能

除了基本的信息錄入、圖紙信息顯示和編輯功能外，系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)顯示、監(jiān)測報表輸出、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)測曲線輸出功能，另外可以設(shè)置報警閾值，實現(xiàn)報警功能。

最關(guān)鍵的是數(shù)據(jù)處理功能，數(shù)據(jù)處理采用了智能預(yù)警分析方法，該分析方法主要包括：（1）利用時間序列建模、BP 算法進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，將原有參數(shù)轉(zhuǎn)化為可處理分析的參數(shù)；（2）通過IGANARBP 優(yōu)化算法對兩種建模方法的綜合和優(yōu)化設(shè)計，提高系統(tǒng)的智能化程度和穩(wěn)定性；（3）在推理機中，以計算機編程語言實現(xiàn)模型對數(shù)據(jù)的預(yù)測功能，經(jīng)過對測點數(shù)據(jù)的測試，對編程算法進行優(yōu)化修正，在保證預(yù)測精度的基礎(chǔ)上，提高預(yù)測效果。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采集傳輸頻率設(shè)計為30 min 一次，即每30 min 記錄一個數(shù)據(jù)，按照一定的時間階段，對各個監(jiān)測點報表進行輸出。

以6#傳感器為例，截取輸出測點在工作面前方0～156 m 范圍時間段的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，2 m 淺基點以下離層量66 mm，8 m 深基點以下離層量85 mm，2～8 m 之間離層量19 mm。6#傳感器基點位移變化曲線如圖4。

3.2 頂板離層量統(tǒng)計

對30 個頂板離層在線監(jiān)測傳感器測點數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，所有測點數(shù)據(jù)連續(xù)完整，未丟失數(shù)據(jù)，離層量統(tǒng)計分析：

頂板正常區(qū)：2 m 基點平均離層值57 mm，8 m基點平均離層值71 mm。

頂板破碎區(qū)：結(jié)合頂板總下沉量數(shù)據(jù)，2 m 基點平均離層值170 mm，8 m 基點平均離層值241 mm，2～8 m 之間平均離層值71 mm，最大97 mm，最小39 mm；8 m 以上平均離層值39 mm，最大52 mm，最小29 mm。

（1）頂板破碎區(qū)離層值相對較大，其中2 m基點平均離層值是頂板正常區(qū)的3 倍；8 m 基點平均離層值是頂板正常區(qū)的3.4 倍。

（2）頂板正常區(qū)0～2 m 離層量占比79%，2～8 m 離層量占比21%；頂板破碎區(qū)0～2 m 離層量占比61%，2～8 m 離層量占比25%，8 m 以上離層量占比14%。說明頂板破碎區(qū)頂板發(fā)生了整體下沉。

3.3 頂板離層規(guī)律分析

30 個測點頂板加速離層界點呈現(xiàn)相似的規(guī)律，在工作面前方平均23.3 m 位置頂板離層開始加速。

對各個測點加速離層界點前后的離層量占比進行統(tǒng)計，加速界點以內(nèi)（工作面前方0～23.3 m），頂板離層量平均占比74%，加速界點以外頂板離層量占比26%。說明主要的離層發(fā)生在工作面前方23.3 m 范圍內(nèi)，工作面前方30 m 范圍應(yīng)當(dāng)加強支護，防止離層加速擴大。

4 關(guān)鍵問題分析

4.1 數(shù)據(jù)可靠性

傳感器數(shù)據(jù)具有連續(xù)、完整的特點，而機械離層儀數(shù)據(jù)為人工現(xiàn)場觀測，具備真實性，可以驗證傳感器數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對頂板位移傳感器和機械離層儀數(shù)據(jù)進行對比。

對13091 巷和13092 巷共30 個測點的離層值進行分析，在線監(jiān)測系統(tǒng)傳感器與機械離層儀數(shù)據(jù)差別微小，2 m 基點離層值平均偏差0.4 mm，8 m基點離層值平均偏差0.1 mm，2～8 m 之間離層值平均偏差0.3 mm，可以忽略不計。因此可以判斷，在線監(jiān)測系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確可靠，可以作為頂板離層數(shù)據(jù)來源。

4.2 預(yù)警值確定

理論計算方法只能針對特定的頂板條件進行計算，不具有代表性，本次計劃根據(jù)現(xiàn)場實測分析的方法進行預(yù)警值確定。

現(xiàn)場表明，頂板8 m 以上出現(xiàn)離層，超出錨索支護范圍，頂板將會出現(xiàn)整體下沉，危害較大。因此，頂板預(yù)警的離層值設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足頂板8 m 以上不得出現(xiàn)離層。

結(jié)合頂板下沉、離層觀測數(shù)據(jù)和現(xiàn)場頂板下沉實際情況：

（1）13091 巷 的5#、8#，13092 巷 的18#、22#、26#測點頂板8 m 以上出現(xiàn)了離層，5 個測點頂板2～8 m 之間的離層量分別達到59 mm、80 mm、95 mm、72 mm、75 mm，說明保證頂板8 m以上不出現(xiàn)離層的必要條件是2～8 m 之間的離層至少在59 mm 以下。

（2）13091 巷其余測點2～8 m 之間離層值最大為2#測點的43 mm，13092 巷其余測點2～8 m 之間離層值最大為3#測點的21 mm，說明頂板2～8 m 之間離層值小于43 mm 時，8 m 以上不出現(xiàn)離層。

（3）取一定的安全系數(shù)，設(shè)置當(dāng)頂板2～8 m之間離層值大于30 mm 時系統(tǒng)進行報警，對該區(qū)域采取頂板錨索補強措施，防止離層進一步擴大。

（4）實際過程中還應(yīng)配合人工觀測，進一步調(diào)整預(yù)警值，避免特殊情況發(fā)生。

5 結(jié)論

（1）頂板在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)包括地面部分和井下部分，通過工業(yè)光纖以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸，不丟失數(shù)據(jù)。

（2）通過數(shù)據(jù)分析得到了頂板離層規(guī)律，在工作面前方平均23.3 m 位置頂板離層開始加速，加速界點以內(nèi)頂板離層量平均占比74%，加速界點以外頂板離層量占比26%，應(yīng)對工作面前方30 m 范圍加強支護。

（3）對在線監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)可靠性進行了分析，與機械離層儀對比，各區(qū)間誤差均較小，數(shù)據(jù)可靠，同時分析確定2～8 m 之間離層達到30 mm 時，為預(yù)警界限。