浅谈顶板在线监测系统在河东煤矿的应用

张海荣

(汾西矿业集团 河东煤矿，山西 灵石 031300)

矿井采煤、掘进、巷修工作面顶板(片帮)事故较多，伤亡量大，严重影响煤炭生产持续和健康的发展。为了加强顶板管理，防止冒顶事故，保障职工安全作业，促进煤矿正常生产，提高经济效益，汾西矿业集团河东煤矿在普采向综采技改的同时就首先在综采工作面引进了KJ216 综采液压支架顶板在线监测系统，随后在掘进顺槽和开切眼时先后引入了围岩移动和顶板压力在线监测系统［1］。

该系统在河东煤矿应用之初，由于工人认识不足，加之系统适应煤矿恶略环境能力较差，导致设备故障较多，未能起到最佳的监测效果;之后随着国家对矿山顶板安全隐患排查力度的不断加大，工人的认识和设备的改进都上了一个新台阶，这套监测系统也真正为河东矿的生产安全起到了保驾护航的作用。本文综合多年来KJ216 顶板在线监测系统在河东煤矿的应用状况，探索出了一系列适用于煤矿生产的安装技巧，同时摸索出了一套系统的管理办法，并根据现场实践提出了诸多对设备优化的方案。

1 应用实践

河东煤矿现有两个综采工作面和2 个掘进工作面，针对不同的支架型号和断面尺寸分别安装有2套综采工作面顶板在线监测系统和3套围岩移动、应力在线监测系统，并在31008 大采高首采工作面安装了一套超前应力在线监测系统。

1.1 安装方案

根据汾西集团公司要求并结合该矿实际情况，在一采区31006 综采工作面和四采区41001 综采工作面均每隔8 个支架安装1 个KJ216 综采液压支架在线监测压力表，实时监测采煤过程中顶板的活动情况。

由于二采区31008工作面是集团公司首个双层煤联合一次采全高的大采高综采工作面，两顺槽断面尺寸宽度均大于5 m，切眼断面更是达到了9.2 m。为了能更详细精确地掌握掘进、回采期间顶板的活动规律，为后续的联合开采积累经验，经研究决定两顺槽内从停采线位置开始每隔30 m 安装1 组锚杆应力传感器和围岩移动传感器，切眼里每隔10 m 安装1组，通过2 个仪器相互配合，更实时详尽地掌握掘进、回采期间顶板的活动规律。为了实时监测初采期间煤壁及煤柱内应力的分布情况，为超前支护的设计提供具体的技术参数，在该首采工作面还安装了1套煤体超前应力在线监测系统［2］。

二采区31009工作面与31008工作面不同，由于地质条件影响，巷道走向仅有400 余m。综合考虑后决定仍沿用先前的只采10#煤层的方案，巷道断面宽度为4.2 m，因此，根据规定并结合实际情况决定从停采线位置开始每隔50 m 安装1 组顶板离层仪和锚杆应力传感器。

以上是各掘进、回采工作面初步的安装方案，如遇地质构造变化，应根据实际情况加密传感器和加长离层仪的安装深度。

1.2 安装要求

传感器必须严格按照厂家提供的安装要求实施安装，具体安装要求如下［3－4］:

1)顶板离层仪。

必须用专用安装杆安装顶板离层仪，不得用锚索或钻杆等代替安装杆，且安装杆必须用专用杆头连接钢丝绳锚爪头;安装前，首先用安装杆按要求深度探入孔内查看深基点深度是否符合要求，孔深符合要求时再进行下一步安装;顶板离层仪深基点爪头用安装杆捅到底，深基点深度必须大于正常锚索眼深度0.5 m以上;浅基点捅入2.5 m(刚进入9#煤层顶板);传感器固定杆全部进入安装孔内，离层仪器外盒必须紧贴顶板，离层仪外盒和顶板中间的金属网必须剪掉，钢丝绳必须拉紧;离层仪外盒上部紧固钢丝绳的螺钉必须拧紧，把多余的钢丝线剩下30 cm 左右后剪断;离层仪孔深不符合要求或者安装过程中锚爪遇障碍未捅到底且不可取出时，必须重新打孔安装。

2)锚杆应力计。

安装锚杆应力计的锚杆施工时，外露长度必须在120～150 mm;锚杆端头先加垫1 片锚索托板，锚杆应力计平整端面紧贴锚索托板，带凹槽的端面必须放入垫圈后用螺母拧紧，锚杆外露长度不符合要求必须重新补打安装;为了更好地发挥锚杆主动支护的效果，锚杆必须用风动扳手紧固，预紧力至少达到20 kN 以上(即显示窗口数值为20)。

1.3 监控管理

该系统在该矿应用之初，由于没有实践经验，监控管理力度不够，导致数据传输不正常或不真实，不能发挥仪器的最佳效果来服务生产。随着时间的推移及国家对顶板隐患事故排查力度的加大，该矿不仅通过实践磨练出了不少专业人才，而且还积累了丰富的实践经验，并撰写出了详尽的顶板管理制度，通过多次的严格考核，该矿的监控管理逐渐步入了正轨，并在实践过程中为厂家提出了许多适用于矿山环境操作的设备优化方面的建议。

2 设备优化

随着国家对煤矿安全事故监控力度的不断加大，市场上涌现出多种顶板在线监控仪器，传感器有油压式、电阻式、仪表式、电子式等;传输方式有采集式、在线式的，有无线传输的，也有有线传输的，但工作原理都大同小异。

随着顶板在线监测仪器的不断更新，该矿在仪器使用方面也积累了宝贵的经验，不仅根据井下实际情况做了相应的调整，而且还通过实践经验为厂家提出了许多适用于矿山环境操作的设备优化方面的建议。针对该矿目前应用的山东尤洛卡生产的KJ216 顶板在线监测系统提出了如下建议:

1)传输方式须改成无线传输，但必须能经受住井下变频仪器的考验，既要保证线路通畅，而且还需确保数据准确。

2)如不能实现畅通、准确的无线传输，须在现有有线传输的基础上把线路连接方式改成卡口连接，既避免了连接线路时的繁琐，又避免了因接头松动导致的传输中断。

3)须把显示窗和传感器分离，显示窗悬挂在帮上，既便于维护，也便于现场观察。

4)顶板离层仪预紧螺丝须改装在仪器下面，并改成人工旋钮式的，既方便操作，也避免了因忘带工具或工具损坏时而无法安装。

5)仪器设备须按照煤矿常用工具型号设计，如型号较为特别，须配套专用的安装工具。

6)地面分析软件根据该矿要求改进后既简洁明了，而且还便于操作。

3 应用效果

通过分析监测数据，该矿在多处有顶板安全隐患处及时采取了加强支护措施，多次把事故消灭在萌芽状态，取得了较好的支护效果。31008 大采高工作面顺槽及切眼内发生的几起顶板隐患因及时支护而避免安全事故的事件均较为典型:

1)31008工作面切眼掘进过程中，随着掘进迎头的前移，切眼口25 m 位置锚杆测力计的数值持续增大。根据该现象，该矿立即采取加密补打粗锚索的方案加强支护，然而，就在方案制定的同时，靠近该测点处的2 根锚索相继被拉断，安排队组及时补打，排除了安全隐患，该锚杆应力计测点数值开始趋于稳定，变化速率明显减小。

2)31008工作面材料顺槽1 600 m 处测点数值变化速率较大，增长幅度也较高，顶板离层仪数值变化也较为明显，下井实地勘察发现该位置前后20 m范围内的压力显现十分明显，锚索托板变形较为严重，多数呈现“倒扣状锅”的形态，且多处W 钢带被撕裂，究其原因主要是邻近的31005 采空区形成时间较短，活动仍相当频繁。经研究决定采取补打长粗锚索的方案，加强支护后，变化速率趋于缓慢，但增幅仍较大，随后在该段采取架棚支护措施联合加强支护，效果较为明显。

3)在线监测实时提供的数值变化规律与实地勘察结果较为吻合，31008工作面多处位置根据监测结论均采取了补打锚索的加强支护措施，截止目前加强支护效果十分明显。

4 结论

河东煤矿自顶板在线监测系统应用以来，通过技术人员不断地实践和探索，该套系统在河东煤矿的应用逐步走向了成熟，多次成功发现顶板安全隐患，确保了该矿的安全生产，切实有效地履行了其“顶板守护神”的使命。具体成效如下:

1)通过实践制定并完善了《河东煤矿顶板在线监测管理考核制度》，使监测方案的执行有规可依、有章可循。

2)培养了一批素质较高的技术人才，不断通过实践优化并完善了在线监测方案。

3)通过几次成功有效地事故排查，逐步扭转了员工对顶板在线监测系统陈旧的抵触情绪，使河东矿的全体员工对顶板在线监测系统的认识上了一个新台阶。

4)及时、有效地解决了顶板潜在的安全隐患，确保了生产的安全运行，为煤矿带来了巨大的经济效益。

［1］王鸿建，冯小龙，张剑英，等.基于PIC的煤矿液压支架压力监测系统设计［J］.煤炭工程，2009(10):13－15.

［2］任丰原，黄海宁，林 闯.无线传感器网络［J］.软件学报，2003(07):23－25.

［3］赵洪磊，王英龙，张先毅.基于无线传感器网络的矿井监控系统［J］.山东轻工业学院学报(自然科学版)，2008(04):56－58.

［4］赵智民，崔建明.智能式顶板压力监测系统［J］.自动化与仪器仪表，2009(02):17－19.