礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在巷道頂?shù)装骞芾碇械膽?yīng)用

王曉皓

（山西蘭花沁裕煤礦有限公司，山西晉城048212）

井下巷道頂板的安全管理對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)有著極其重要的作用。同時(shí)頂板壓力大小、頂板動(dòng)態(tài)特征離不開對(duì)礦壓監(jiān)測(cè)的應(yīng)用。但根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)行的綜采工作體系中，產(chǎn)能較小的煤礦尤其是民營(yíng)煤礦，普遍采用單體液壓支架和工字梁的支護(hù)方式對(duì)頂板進(jìn)行管理，缺乏對(duì)頂板壓力特征的全面了解。頂板下沉便難以避免，甚至出現(xiàn)局部冒落問題，對(duì)安全生產(chǎn)有著嚴(yán)重影響[1]。

礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前我國(guó)針對(duì)頂?shù)装骞芾砉ぷ鲝V泛推廣的系統(tǒng)，結(jié)合先進(jìn)的軟硬件技術(shù)，可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道頂板壓力參數(shù)、應(yīng)力分布、來壓特征等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[2]。從而協(xié)助安全技術(shù)人員準(zhǔn)確地了解頂板所處狀況，為合理制定管理措施提供指導(dǎo)意義。

1 礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要用于對(duì)綜采工作面的頂板礦壓情況進(jìn)行揭示，為爆破泄壓、頂板管理、生產(chǎn)調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。如圖1所示，系統(tǒng)主要由數(shù)字壓力計(jì)、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)所構(gòu)成。在應(yīng)用過程中，將在工作面頂板進(jìn)行布線、布點(diǎn)工作，再將傳感器安裝于單體支柱上對(duì)壓力進(jìn)行記錄。定期記錄的礦壓數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中生成“礦壓監(jiān)測(cè)記錄表”，該表將包含工作阻力、頂板下沉量、初始支撐力等內(nèi)容。

1.1 我國(guó)煤礦井下礦壓綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展

圖1 礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

國(guó)外煤礦監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前已發(fā)展到第四代分布式監(jiān)控技術(shù)。我國(guó)在對(duì)礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)上，相較于歐美等多起步較晚，在20 世紀(jì)80 年代，大部分仍依靠引進(jìn)為主，例如陽(yáng)煤集團(tuán)某礦引進(jìn)法國(guó)所生產(chǎn)的CTT63/40 系統(tǒng)和撫順某礦引進(jìn)的CMM20 系統(tǒng)。但隨著煤炭科研院所的研究工作的深入，重慶煤科院的和煤科院常州自動(dòng)化研究所先后開發(fā)出了KJ90 系統(tǒng)和KJ95 系統(tǒng)。雖然國(guó)產(chǎn)礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍有通用性不足、智能化較低等問題，但也可以對(duì)巷道壓力、作業(yè)環(huán)境、瓦斯?jié)舛鹊确矫孢M(jìn)行全方位的監(jiān)測(cè)。

1.2 煤礦頂板管理中礦壓監(jiān)測(cè)的作用

礦壓監(jiān)測(cè)是煤礦頂板管理中重要的組成部分之一，可以為后期頂板支護(hù)提供重要依據(jù)[3]，此外根據(jù)以往煤礦生產(chǎn)過程中礦壓監(jiān)測(cè)的研究，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)的作用主要集中在以下三方面：

（1）調(diào)整采高、控制采長(zhǎng)。采高的規(guī)劃和礦壓大小有最直接的關(guān)系，如果對(duì)礦壓分析不準(zhǔn)確，當(dāng)采高過大時(shí)，會(huì)對(duì)支護(hù)量的大小產(chǎn)生誤判，冒頂事故的發(fā)生概率也會(huì)增加；而當(dāng)采高過低時(shí)，會(huì)造成單體支護(hù)支架受力較大。因此采高的調(diào)整需要根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行[4-5]。同時(shí)，在生產(chǎn)的過程中，也需根據(jù)礦壓來協(xié)調(diào)工作面循環(huán)速度，若采長(zhǎng)過長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致工作面的更新、循環(huán)間隔加大和中間架會(huì)伴隨時(shí)間的延長(zhǎng)，煤壁的受力進(jìn)而增加。準(zhǔn)確掌握礦壓變化對(duì)合理控制采長(zhǎng)、提高工作面推進(jìn)速度進(jìn)而減輕支架壓力，對(duì)巷道圍巖控制有著積極的作用[6-7]。

（2）優(yōu)化支護(hù)參數(shù)。液壓支架、錨桿、錨網(wǎng)是煤礦頂板管理工作中最常用的設(shè)備，只有充分了解礦壓數(shù)據(jù)，才能充分發(fā)揮支護(hù)設(shè)備所起到的作用，有效避免采掘過程中出現(xiàn)的冒頂、壓架等問題，提升了對(duì)煤礦運(yùn)行安全管理的難度。

（3）降低事故隱患概率。在煤礦頂板管理工作中，礦壓監(jiān)測(cè)可以及時(shí)地針對(duì)壓力變化過程中關(guān)鍵拐點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，從而發(fā)現(xiàn)隱患問題并對(duì)技術(shù)人員做出提示。

2 煤礦頂板管理中礦壓監(jiān)測(cè)的應(yīng)用

山西蘭花沁裕煤礦有限公司（以下簡(jiǎn)稱“沁裕礦”），目前開采2號(hào)和15號(hào)煤層，生產(chǎn)能力0.9Mt/a。

2.1 頂?shù)装鍘r石條件

在目前沁裕礦所開采的15 號(hào)煤層中，該煤層的直接頂為平均厚度12.5m 的灰?guī)r，平均天然抗壓強(qiáng)度為65.3MPa、平均抗拉強(qiáng)度為4.3MPa，平均抗切強(qiáng)度為8.98MPa。根據(jù)鉆探巖芯資料顯示RQD值為75%左右，巖體質(zhì)量較好。該煤層底板為泥巖，細(xì)分為鋁土質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖，根據(jù)巖樣測(cè)試報(bào)告顯示，底板泥巖吸水性較強(qiáng)，因此在開采的過程中易受地下水的影響造成巖石軟化現(xiàn)象，甚至可能產(chǎn)生“底鼓”現(xiàn)象。

2.2 巷道礦壓監(jiān)測(cè)情況

針對(duì)沁裕礦的地質(zhì)條件，加強(qiáng)礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用可以有效了解錨桿支護(hù)順槽在掘進(jìn)前、掘進(jìn)后的圍巖活動(dòng)規(guī)律，并對(duì)工作面采動(dòng)期間圍巖應(yīng)力特征進(jìn)行分析。據(jù)此可以為巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，確保巷道安全可靠。有關(guān)巷道礦壓監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容、目的及手段，沁裕礦提出了“四位一體”監(jiān)測(cè)方案，具體見表1。

表1 巷道圍巖監(jiān)測(cè)內(nèi)容、目的及設(shè)備

根據(jù)表1，將在巷道內(nèi)安設(shè)2 個(gè)監(jiān)測(cè)站：第一個(gè)監(jiān)測(cè)站安設(shè)于巷道掘進(jìn)后的80m 位置處，第二個(gè)監(jiān)測(cè)站安設(shè)于巷道掘進(jìn)后的250m 位置處，具體測(cè)量?jī)?nèi)容如下：

（1）巷道表面位移。巷道表面的位移采用十字布點(diǎn)法對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如圖1所示，在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭退椒较虼蜚@孔深為400mm的鉆孔，同時(shí)打入同尺寸的木樁。再選用彎形測(cè)釘和平頭測(cè)釘分別安設(shè)在頂板和底板加以固定，沿巷道軸向每間隔0.5m進(jìn)行觀測(cè)。觀測(cè)方法采用尺讀法，即在拉緊測(cè)繩C-D時(shí)，記錄AO和AB值；在拉緊測(cè)繩A-B時(shí)，記錄CO-CD值。要求測(cè)量精度不低于5mm，掘進(jìn)期間巷道變形穩(wěn)定之前，每天觀測(cè)至少1次。

（2）圍巖深部位移。采掘巷道形成后，圍巖受擾動(dòng)應(yīng)力的影響，會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷演化。因此準(zhǔn)確記錄圍巖深部位移可以在一定程度上反映巖體的受損狀態(tài)。針對(duì)15號(hào)煤層將在巷道支護(hù)過程中，對(duì)錨桿—錨桿間、錨桿—空隙間布置NL4200A 型多點(diǎn)位移計(jì)，每個(gè)斷面左右對(duì)稱共布置6個(gè)位移計(jì)，分別對(duì)巷道錨網(wǎng)支護(hù)斷面的直墻拱、起拱及三心拱處的變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖2 巷道表面位移監(jiān)測(cè)斷面布置圖

（3）頂板離層。對(duì)頂板巖層錨固范圍的巖層位移采用頂板離層指示儀進(jìn)行測(cè)試，在安裝指示儀時(shí)應(yīng)注意安裝位置與迎頭的距離不超過1.5m，從而可以更準(zhǔn)確地捕捉頂板離層全過程。安裝工作完成后，應(yīng)保證指示儀的兩個(gè)刻度墜均處于自由懸垂?fàn)顟B(tài)，不可出現(xiàn)卡阻情況。頂板離層指示儀除作綜合監(jiān)測(cè)外，還可以在日常監(jiān)測(cè)中發(fā)揮作用。巷道每隔50m，安設(shè)一個(gè)頂板指示儀，但離層松動(dòng)情況有增劇的趨勢(shì)發(fā)生，可以及時(shí)應(yīng)對(duì)。

（4）巷道破壞狀況統(tǒng)計(jì)。巷道在施工開拓時(shí)，會(huì)難以避免地對(duì)圍巖造成破壞。巖石分析儀可以對(duì)巷道破壞的程度進(jìn)行分析。在此過程中需安排技術(shù)人員及時(shí)對(duì)巷道做支護(hù)施工，而技術(shù)人員在抽測(cè)錨桿預(yù)緊力矩的同時(shí)，對(duì)預(yù)緊力進(jìn)行校驗(yàn)，如果不合格（不足200kN）須重新張拉至設(shè)計(jì)預(yù)緊力250kN。

2.3 礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與反饋

礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)參數(shù)的驗(yàn)證及修正提供了理論依據(jù)，有效地反映了施工質(zhì)量和巷道的使用狀況。具體來看，離層值方面：當(dāng)發(fā)現(xiàn)頂板離層儀的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大于50mm 時(shí)要停止掘進(jìn)，對(duì)設(shè)計(jì)和施工重新進(jìn)行布置；當(dāng)離層值大于100mm 時(shí)，必須立即撤出人員，及時(shí)進(jìn)行防護(hù)處理。支護(hù)方面：當(dāng)錨桿受力達(dá)到其屈服載荷的80%、錨索受力達(dá)到其破斷載荷80%時(shí)，均應(yīng)在其周邊補(bǔ)打同型號(hào)錨索，并對(duì)巷道圍巖應(yīng)力重新計(jì)算，分析原因采取措施進(jìn)行處理。施工過程中應(yīng)保證預(yù)緊力、預(yù)緊力矩、錨固力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)于達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的要重新補(bǔ)打。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在我國(guó)煤礦頂板管理工作中的推廣，其所帶來的積極作用也愈發(fā)的受到煤礦頂板技術(shù)人員的重視。沁裕礦所提出的“四位一體”礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅可以幫助礦方更好地了解內(nèi)部礦壓情況，還可以將圍巖的變形特征及時(shí)地傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)儀上，對(duì)于巷道的設(shè)計(jì)和施工極為有益，進(jìn)而提高企業(yè)的生產(chǎn)安全。