圍巖移動傳感器在巷道圍巖監(jiān)測中的應用

康曉波

（陽煤集團壽陽開元礦業(yè)有限責任公司，山西 晉中 045400）

目前我國煤礦巷道支護主要以錨桿、 錨索聯(lián)合支護技術為主，該支護技術在煤礦及部分非煤礦山回采巷道中得到廣泛應用。 由于錨桿、錨索聯(lián)合支護屬于主動支護，支護材料大部分位于巷道的圍巖深部，其活動狀況具有一定的隱蔽性，巷道頂板離層和失穩(wěn)破壞的征兆不明顯，難以被察覺，因而可能導致零星的頂板冒落傷人事故或突發(fā)性大面積冒頂事故。

因此，人們非常重視錨桿錨索支護巷道的礦壓監(jiān)測工作，通過多種礦壓儀器儀表對巷道收斂和錨桿（索）受力、兩幫壓力和頂板離層等關鍵性指標進行實時監(jiān)測監(jiān)控，能有效反映巷道支護效果，及時準確地對巷道頂板離層和垮落進行預測預報。

作為層狀結構的巷道頂板，其離層被認為是巷道圍巖失穩(wěn)破壞的先兆，頂板離層監(jiān)測也成為巷道礦壓監(jiān)測的主要內容之一[1]。 所以，巷道圍巖位移檢測儀器的研究對于優(yōu)化巷道頂板支護設計、減少冒頂事故發(fā)生、保護礦工人身安全具有重要的理論意義和實用價值。

近年來，國內外對頂板離層指示儀的研究有多項成果，而我國現(xiàn)在普遍用于煤礦頂板監(jiān)測的離層指示儀主要是使用鋼絲繩連接刻度尺產(chǎn)生相對滑動的原理，人為完成讀數(shù)。 這種監(jiān)測裝置結構雖然簡單，但安裝需要錨索鉆機人工打鉆，精度及基點安裝誤差較大，采集數(shù)據(jù)靠人工讀數(shù)，雖刻度精確至毫米，但人工觀測精確度低、誤差大，不能及時發(fā)現(xiàn)頂板巖層離層情況[2]。

針對機械式頂板離層指示儀的不足，開元公司引進了山東思科賽德礦業(yè)安全工程有限公司研制的GUD-240 圍巖移動傳感器。 作為一款多基點頂板離層指示儀，它可隨時測量記錄巖體內不同深度處的位移情況，能夠觀測圍巖破壞范圍的發(fā)展過程，為巷道支護提供良好的技術支持[3]，為煤礦井下安全生產(chǎn)提供可靠的保障。

1 工作面概況

開元公司井田位于沁水煤田壽陽區(qū)氧化帶邊界，地表屬黃土丘陵地貌，主采煤層為3#、9#、15#、15#下。 9402 工作面屬9 號煤中西部四采區(qū)，煤層賦存穩(wěn)定，以9#煤為主，回風側局部存在9#煤合并區(qū)。 據(jù)巷道實掘資料，9#煤層厚度3.3～4.1 m，平均3.82 m，煤層埋藏深度287～363 m。 地面位于米家莊風井工業(yè)廣場以北，上峪村西部，307 國道及龍門河以南，放馬溝村（已搬遷）以東，地勢相對平坦，以耕地為主，局部有少量林地。 井下位于集中膠帶大巷西部，9403 工作面（已采）北部，原放馬溝村保護煤柱東部，307 國道保護煤柱南部。 工作面采用“U+L”型布置方式，工作面走向長648 m，面長190 m。 工作面整體地勢北高南低，位于放馬溝向斜構造東北翼，煤層東西走向呈起伏變化，煤層傾角一般為7°～20°，平均15°。 切巷靠回風側局部最大傾角26°，兩巷高差37～65 m。 初采煤層傾角18°～26°，為緩傾斜煤層到傾斜煤層，由于傾角較大，回采期間將造成煤幫及頂板壓力增大，應加強頂板及煤壁的維護工作。9402 工作面煤層頂?shù)装鍘r性及綜合柱狀如圖1 所示。

圖1 9402 工作面頂?shù)装逯鶢顖D

2 GUD-240 圍巖移動傳感器簡介

2.1 系統(tǒng)結構組成

GUD-240 圍巖移動傳感器作為機械式頂板離層儀的升級換代產(chǎn)品，是一種新型的智能型數(shù)字顯示傳感器，具有光控數(shù)顯、紅外數(shù)據(jù)通信、自動采集上傳等先進功能，而且體積較小，配合伸縮桿采集器，操作非常方便，采集數(shù)據(jù)及時、準確、可靠。 它具有與FCH64/2 礦用本安手持采集器進行紅外通信的功能，可與多臺圍巖傳感器、礦用本安型數(shù)字壓力計、礦用本安型錨桿（索）應力傳感器配合使用，組成可靠性和安全性都兼顧的礦井巷道圍巖離層監(jiān)測系統(tǒng)，且能夠在井下長期使用[4]。

GUD-240 圍巖移動傳感器跟蹤檢測系統(tǒng)主要分為兩套子系統(tǒng)，一套是由圍巖傳感器、采集器和井上計算機組成的紅外離層數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)；另一套是由圍巖傳感器與井上計算機之間通過采集器進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏斚到y(tǒng)，如圖2 所示。

圖2 圍巖傳感器結構

2.2 安裝及操作說明

為了準確反映巷道頂板離層變化情況，圍巖傳感器要及時在掘進工作面迎頭安裝。 根據(jù)9402進風順槽頂板巖性，其巷道支護方式如圖3所示。

圖3 9402 工作面進風順槽支護斷面

圍巖傳感器的安裝方法：首先確定傳感器深、淺基點安設位置，確定位置后剪開鐵絲網(wǎng)確保傳感器直接與巷道頂板相接觸；用錨索鉆機φ32 鉆頭打7.5 m 深的孔用于安裝深部基點，用安裝桿將深部基點錨固器推入孔中，直至孔底，抽出安裝桿后，手拉一下鋼絲繩，確認錨固器已卡住，深部基點應固定在頂板錨索支護端頭附近。 其次安裝淺部基點，用安裝桿推入淺部基點錨固器至2～2.2 m處，抽出安裝桿后用手拉一下鋼絲繩，確認錨固器已固定住。 最后將連接管插入安裝孔，使圍巖傳感器托盤緊貼巷道頂板。 安裝過程中必須將深、淺基點鋼絲繩手動拉緊繃直，固定好圍巖傳感器后，操作按鍵面板，進行初始化操作，依次實現(xiàn)顯示、遠程改號、遠程清零、離層預警值等設置，并將圍巖傳感器顯示界面清零[5]。

2.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集前先將手持采集器本地校時，使手持采集器顯示時間與存儲數(shù)據(jù)電腦時間一致，將手持采集器本地清空，清除手持采集器內部存儲。手持采集器首先移動到采集選項，然后將傳感器光控喚醒，使數(shù)碼管正常顯示數(shù)值時確認采集，直至手持采集器顯示采集成功后結束。 數(shù)據(jù)采集成功后將傳感器進行遠程清空，目的是清除傳感器內存，避免下次采集時數(shù)據(jù)重疊及內存滿后數(shù)據(jù)無法正常記錄。

數(shù)據(jù)采集注意事項：

（1）錨桿（索）傳感器每5 分鐘采集一次數(shù)據(jù)并存儲，內部大約可以存儲7 天的數(shù)據(jù)量。

（2）采集器一周至少采集一次錨桿（索）傳感器數(shù)據(jù)，采集完成后遠程清空錨桿（索）傳感器內存。

（3）采集器采集錨桿（索）傳感器數(shù)據(jù)之前，必須本地清空采集器內數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)采集時手持采集器紅外收發(fā)管必須正對傳感器顯示視窗且距離不超過2 m。

（5）數(shù)碼管正常顯示時對數(shù)據(jù)采集才有效，否則無效。

（6）傳感器顯示通訊窗口應保持清潔，積聚煤塵應清除，否則光控不能喚醒影響正常數(shù)據(jù)采集。

3 工作面進風順槽位移監(jiān)測

3.1 測點布置

在9402 工作面進風順槽設置位移監(jiān)測站，監(jiān)測站沿9 號煤層掘進巷道頂板布置，間距不大于100 m，當圍巖地質和生產(chǎn)條件發(fā)生顯著變化時，應增減測站數(shù)目。 在試驗前，對檢測站進行編號，由切巷至順槽口依次布置1#、2#……6#共6 個觀測站，具體位置如圖4 所示。

圖4 9402 工作面進風順槽測站布置

3.2 監(jiān)測結果及分析

在9402 工作面測站布置完成后，對9402 進風順槽在工作面回采過程中的頂板離層情況進行長期連續(xù)在線監(jiān)測。 以工作面推進到150 m 時1#和2#測站的監(jiān)測結果為例進行分析，詳細數(shù)據(jù)如表1、表2 所示。

表1 1#站觀測數(shù)據(jù)

從表1 中可以看出，9402 進風順槽隨著工作面的推進，1#測站附近巷道圍巖受采動超前支承壓力的影響，出現(xiàn)圍巖移動、離層現(xiàn)象。 工作面推進至60 m 處淺部巖層開始出現(xiàn)較大離層；推進至20 m 處，深、淺基點巖層離層幾乎都達到最大值，其中，淺基點達到45 mm，深基點達到20 mm；之后至開采結束無較大變化。 表2 中2#測站圍巖變化規(guī)律跟1#測站相同，但離層變形量更小。 由上述數(shù)據(jù)分析可知，隨著工作面的推進，測站距工作面越來越近，由于受采動影響離層量有所增加，但遠小于預警上限[6]。

表2 2#站觀測數(shù)據(jù)

總的來說，9402 工作面開采以來進風順槽巷道頂板離層變化不大，在可控范圍內，基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖離層傳感器也能及時、準確地反應頂板離層情況。

4 結語

針對機械式頂板離層儀使用中存在的不足，結合9402 工作面傾角較大的特點，在進風順槽布設圍巖移動傳感器，對巷道頂板深、淺位置巖層離層位移情況進行了實時監(jiān)測記錄。 通過對采集數(shù)據(jù)的集中處理分析，詳細地得出頂板離層情況，頂板巖層位移量處于安全可控、 且在允許變形范圍內，巷道頂板整體無明顯的離層、 局部跨落等現(xiàn)象，巷道整體上可以滿足安全生產(chǎn)需求。 同時，證明現(xiàn)有的錨桿、 錨索支護方式及支護參數(shù)是合理可靠的，為以后類似巷道支護參數(shù)優(yōu)化的改進提供了重要的依據(jù)。