沙曲矿矿山压力在线监测系统研究与应用∗

刘建高杜学领姜耀东

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 2.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京市海淀区,100083)

沙曲矿矿山压力在线监测系统研究与应用∗

刘建高1杜学领1姜耀东2

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 2.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京市海淀区,100083)

针对传统矿山压力监测存在以点代面、效率不高的问题,结合华晋焦煤沙曲矿的开采条件,介绍了新型矿山压力在线监测系统的原理及应用情况。该系统由地面和井下两部分组成,包括传统的监测设备、传感器、线缆、存储端、计算机软硬件等。对沙曲矿工作面液压支架的工作阻力、两巷的顶板离层量、锚杆锚索受力进行了监测,监测结果表明新型矿山压力在线监测系统能够及时准确地反映采场及巷道的矿压情况,煤矿可根据实际情况及时调整支护系统。

采煤工作面 回采巷道 矿山压力 在线监测 矿压控制

矿山压力控制主要是研究采场及巷道内由于采掘活动引起的应力、变形及稳定性控制等问题。由于天然煤岩体几何参数及理化参数都是随机变量,煤岩体具有不连续、非均质、各向异性的特征,导致理论推导的计算式适应性受限、数值模拟及相似模拟的结果与实践存在差距。因此,实测矿山压力研究是保障煤矿安全生产的重要手段。传统的矿山压力监测采用人工现场计数的方式,工人劳动强度大、安全性差,而且容易出现虚假数据,不利于煤矿的安全生产。本文结合华晋焦煤沙曲矿的具体条件,介绍了矿山压力在线监测系统的原理及应用情况。

1 矿山压力在线监测系统的原理

1.1 系统原理

华晋焦煤沙曲矿采用KJ327系列矿山压力在线监测系统,系统原理如图1所示。

图1 矿山压力在线监测系统原理图

矿山压力在线监测系统依靠传统的监测设备(如工作面液压支架工作阻力监测仪、顶板离层仪、锚杆受力计、锚索受力计等)直接获得矿山压力显现数据,每一台监测设备都配有相应的传感器,传感器将获得的物理力学数据转换为数字信号并存储在分站当中,分站按照设定的时间步长定期向监测主站传输数据。主站具有更大的存储能力,汇总各监测分站的信息并定期将数据上传至地面工作站。地面工作站的计算机装有专门的矿山压力分析软件,可根据设定的具体信息判别井下各分站情况是否异常。当数据超过设置极限值时,软件自动报警,此时工作人员按照相关规定,及时处理井下异常情况,避免因井下矿山压力剧烈显现而造成不可挽回的损失。矿山压力在线监测系统获得的数据可以同时在多台计算机终端共享,大大提高了不同科室人员对矿压数据的获取速率。

监测分站与主站之间的信号传输可分为有线传输和无线传输。有线传输的优点是抗干扰能力强、可远距离布置分站,缺点是井巷中的传输线容易被冒落的矸石、煤切断,加大了检修难度。无线传输的优点是减少了线缆的布置,提高了安装速度,缺点是无线传输难以实现远距离传输,当因地质条件等因素造成监测分站间距离加大时,数据传输的稳定性下降。

1.2 设备组成

按照不同设备安装位置的不同,矿山压力在线监测系统的设备主要包括地面和井下两部分,地面设备主要由计算机硬件、监测分析软件及相应的线缆组成;井下设备主要包括KJ327－Z矿山压力监测系统监测主站、KDW－0.4/127型隔爆兼本安直流电源、矿用抗拉数据通讯插接件、KJ327－Z型顶板离层监测主站、KJ327－F型顶板离层监测分站、KJ327－Z型矿山压力监测通讯主站、KZC12型以太网转换器、KJ327型拉线式位移传感器、KJ327型载荷传感器、JHH－2型接线盒、JH H－3型接线盒、MHYV型通讯电缆等。

2 沙曲矿矿山压力在线监测系统布置方案

华晋焦煤沙曲矿属于高瓦斯矿井,24305试验工作面为北三采区第5个沿煤层走向布置的倾斜长壁式回采工作面。煤层埋深440～550 m,煤厚3.4～4.2 m,平均厚度为4.02 m。24305工作面采用倾斜长壁后退式跟顶跟底综采一次采全高的采煤方法,采空区采用全部垮落法管理顶板。工作面运输巷道采用混合料充填进行沿空留巷,工作面为“四六”制作业,两班出煤、一班检修、一班充填。根据工作面的范围及两巷的长度,监测主要针对回采工作面及工作面两巷,选取的分析指标为工作面液压支架的工作阻力、两巷的顶板离层量、锚杆锚索受力。

24305工作面共有支架132架,8个监测分站分别安装在5＃、22＃、40＃、58＃、74＃、92＃、109＃、128＃液压支架上,采用吊挂式安装在支架掩护梁下方,将高压油管连接至监测分站的压力传感器接口上,另一端接支架的前后立柱。两巷的监测系统包含27台监测站,其中2台主站,25台分站,间隔约50 m设一个监测断面,监测断面的布置如图2所示。每个监测断面顶板中部施工两个锚索孔,孔深6.3 m,孔径不小于27 mm;一个安装顶板离层仪,一个安装锚索。顶板离层监测点设深基点和浅基点各一个,深度分别为6.3 m、3 m。每个监测断面靠近工作面煤帮一侧打一个2 m的锚杆孔,安装锚杆传感器,并将传感器上的线缆固定于煤壁上,便于接入监测分站。轨道巷监测主站安装在轨道巷口,第一分站位于70 m处,共12台分站;运输巷监测主站安装在120 m处,第一分站位于160 m处,共13台分站。

图2 巷道断面在线监测系统布置示意图

3 矿山压力在线监测结果分析

考虑到轨道巷靠近采空区,该侧的数据具有一定代表性,因此选取靠近轨道巷的8号测站监测的1架四柱式液压支架工作阻力进行分析。由于在线监测系统监测数据量较大,每天监测获得超过几十万个数据,为了便于说明,并考虑到实测过程中部分测站出现故障、数据不连续的情况,下文以部分测站获得的较为完整的数据进行分析,图中的数字代表测站的编号。

3.1 工作面液压支架工作阻力分析

8号测站获得的支架前柱阻力数据如图3所示,可知监测期间前柱最大工作阻力值为32.8 MPa,最小为2.6 MPa,同样也测得后柱最大工作阻力值为33.6 MPa,最小为0 MPa。随着开采活动的进行支架工作阻力呈现动态变化,且不规则达到阶段性峰值点。

图3 支架前柱工作阻力

伴随着液压支架的降架、移架、升架过程,支柱阻力在达到一个峰值后迅速下降,然后逐渐上升。若支架移架升架后支架工作阻力并未上升,说明支架与顶板接触不实,初撑力过低,需要对支架进行调整。当工作面回采时,受采动影响与顶板接触良好的支架工作阻力会逐渐增长。当支架阻力升起后缓慢降低或读数持续较低时,说明支架可能出现漏液、串液等故障,或者该通道监测分站快速接头处密封圈损坏,需在检修班对其进行维修。矿压在线监测系统的应用实现了支架工作阻力的实时获取,淡化了周期来压的概念,能够准确反映支架的受力情况,并能依靠配套软件对支架异常数据进行报警,方便及时调整支架工作状态,有助于实现安全生产。

3.2 轨道巷顶板离层量分析

轨道巷部分监测分站浅基点监测的位移量如图4所示,由图4可知,轨道巷浅基点的位移量基本在－1～5 mm变化,同时监测到深基点的位移量基本也在－1～5 mm变化,说明监测期间内,巷道内大部分煤岩体保持较好的完整性,巷道内的支护系统能够有效控制顶板运动。同时,浅基点测得的位移量表现出大于深基点位移量的趋势,且浅基点的位移一般要先于深基点位移发生,深浅基点位移量在小范围内均表现出波动的特征,并逐渐趋向于相对稳定的波动范围。顶板岩层的运动主要是从下向上发展的,相邻岩块间摩擦、错动,致使岩层位移量动态波动,在有效支护下,该波动范围相对固定。在运输巷的实测中,除设备故障外,在冲刷带附近局部位移量达到近500 mm,说明局部地质异常区的支护系统有失效的风险,需加强支护及管理。

图4 轨道巷顶板浅基点位移

3.3 轨道巷锚杆锚索受力分析

轨道巷煤帮锚杆受力如图5所示,图5显示距离工作面较远的1、2、3号测站内的锚杆受力总体呈现逐渐下降的趋势,可能原因是该部分测站距离护巷煤柱较近,煤体由相对完整的弹性体变为破碎的块体,表现出锚杆受力逐渐下降。4、8、10、12测站内的锚杆受力相对稳定,波动不大,表明这些测站附近的煤岩体完整性较好。靠近工作面一侧的测站锚杆受力还表现出由相对稳定到逐渐上升的趋势,说明采动对工作面煤壁以内的深部煤体施加了压缩的作用,锚杆被煤体夹持而受力增加,在回采时要注意工作面前方的矿压显现。

图5 轨道巷帮锚杆受力情况

由各测站监测数据可知,轨道巷顶锚索受力变化不大,即巷道顶板岩层稳定性较好,这与轨道巷顶板位移量波动不大相一致。

以上矿压数据说明,监测期间内,巷道内的支护系统能够有效地支护顶板,而工作面的液压支架有时会存在初撑力不足、漏液等情况,根据监测的情况及时调整了支架,保证了安全生产。

4 结论

矿山压力在线监测系统实现了矿压的实时监测、预警,有助于获得准确的矿压数据。矿压在线监测系统淡化了周期来压的概念,监测数据能够准确反映采场及巷道的矿压情况,有助于实现安全生产。

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Research and application of the online monitoring system of mine rock pressure in Shaqu Coal Mine

Liu Jiangao1,Du Xueling1,Jiang Yaodong2
(1.School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China)

To solve the problem of unilateral measurement and inefficiency existing in traditional mine rock pressure,principle and application of a new online mine rock pressure monitoring system was introduced combined with the mining conditions in Shaqu Coal Mine,Huajin Coking Coal Co.,Ltd..The monitoring system consisted of two parts of ground and underground, which included traditional monitoring equipment,sensors,cables,memorizers,computer hardware and software,etc.The working resistance of hydraulic supports,roof separation of two roadways,working status of anchor bolts and anchor cables were chose as the monitoring indexes in Shaqu Coal Mine.The monitoring results showed that the new monitoring system could response to the pressure situation of mining fields and roadways timely and accurately,and the coal mine could adjust their support system based on the actual condition.

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TD326

A

刘建高(1962－),男,山西山阴人,博士研究生,主要从事煤矿方面的管理与技术工作。

(责任编辑 张毅玲)

国家重点基础研究发展规划(973)项目(2010CB226801)