锡矿井下地压在线监测系统的设计与应用

张楠楠， 江 波， 陈云祥， 张小华， 卢泰宏(云南锡业研究院有限公司， 云南 个旧 661000)

1 前言

个旧锡矿某矿区位于云南省个旧市城区178°方向，直线距离约14km处。矿区北起蒙子庙断裂，南至白龙断裂，西靠卡房大沟，东至甲界山断裂南延，属岩溶侵蚀高原中- 低山丘陵地貌，地势北部高南部低。

矿区经数十年的开采，井下形成大量采空区，且有部分空区已陷落并贯通地表，周围尚有需要保护的重要设施。因此，开展井下在线地压监测系统研究与构建是井下生产的迫切需求。该矿区井下在线地压监测系统研究与构建，重点是为了解决生产区域内重点工程、重要设施、采空区等区域的地压活动而开展的。监测对象主要选择矿山主要生产区(采场)地压活动明显的区域、现生产主要运输巷道及新区开拓主要工程(人行、材料、通风、安全通道等工程)、存在安全隐患及暴露面积较大的采空区、生产区域内设置的永久矿柱等[1]。构建完善、可靠的井下地压远程在线监测与预警系统，正确把握地压活动特征及其发展变化趋势，实现开采过程中危险有害因素变化状态的实时监测，对灾变进行及时的预警，为采矿工作的安全、经济和高效进行提供技术保障[2]。

2 监测区域与监测点布置

根据对矿区重点监测区域的地压活动规律、采空区情况、工程地质、监测点布置条件、周边工程及井下设备运行情况等调查研究，并结合矿区各生产区域的实际情况，地压监测系统共分为5个监测区，共布置13个监测点。监测区周围大多存在暴露面积较大、较高的采空区，造成了不同程度的应力集中现象。地压监测系统监测点位置如图1所示，监测点布置如图2所示(1#监测点)。

图1 地压监测系统监测点位置图

图2 监测点布置图

3 地压监测系统设计

整个地压在线监测系统由传感器、发送端设备、RS485总线、接收端设备、双绞线以太网、光纤交换机、光纤以太网、地表计算机监控中心等组成[3-4]。其中，各监测点发送端监控箱布置在监测点附近便于安装的地方，各监测点接收端监控箱布置在对应井下工业环网交换机附近便于安装的地方。地压监测系统工作原理如图3所示。

图3 地压监测系统工作原理示意图

3.1 传感器

矿山井下开采过程中，形成了大量的采空区，并且回采作业均在采场大暴露面积顶板下进行，矿柱的变形、开裂、顶板的下沉等是常见的安全性问题。针对上述问题现象，在重点监测区域地压活动规律的调查研究基础上，确定每个监测点布置位移、应力传感器，分别安装2.5m长单点位移计、1.5m长单点位移计、钻孔应力计及钢筋应力计。地压监测系统在4个生产区5个监测区段共布置了28个单点位移计，监测矿柱、顶板岩层不同深度内部位移变化；安装14个钻孔应力计和14个钢筋计，监测采场周边矿柱(点柱)的应力变化。单点位移计根据不同岩层确定打孔深度，钻孔应力计根据现场矿柱的大小确定安装深度。钻孔应力计、单点位移计安装孔径42mm，钢筋计安装孔径55mm。监测点传感器安装如图4、图5、图6、图7所示。

图4 单点位移计

图5 钻孔应力计

图6 钢筋应力计

图7 安装完成的传感器

3.2 网络设备

网络设备主要由发送端设备、RS485总线、接收端设备、双绞线以太网、光纤以太网、光纤交换机、电缆、地表计算机等部分组成。其中，发送端、接收端设备包括防水接线盒和防水监控箱。防水接线盒采用铝合金材质，防护等级IP66，接线端子在盒内采用导轨式安装；防水监控箱采用碳钢喷塑材质，防护等级IP66，防水监控箱内的设备包括串口联网服务器、光端交换机、直流电源及各种电气元件。串口联网服务器、光端交换机、直流电源在监控箱内均采用导轨式安装[5]。

3.3 线缆敷设及连接

监测点传感器安装完成后，将各传感器电缆理顺敷设至发送端防水接线盒位置，并接入防水接线盒内；通讯电缆(RS485总线)从接线盒内引出，串联敷设至发送端防水监控箱位置；光缆通过熔接工序从发送端防水监控箱中接出，敷设至接收端防水监控箱位置，并接入接收端监控箱中的光缆终端盒；通过熔接工序连接至接收端监控箱内的光端交换机光纤端口，最后通过以太网双绞线与井下环网交换机连接，通过井下工业环网将各监测点传感器的监测数据上传至地表中控室。各监测点光缆敷设长度见表1，接线盒接线如图8所示，监控箱接线如图9所示，接收端井下环网交换机接线如图10所示。

表1 各监测点光缆敷设长度

图8 接线盒接线图

图9 监控箱接线图

图10 接收端井下环网交换机接线图

3.4 系统调试运行

结合各监测点的分布情况及客户端需要实现的功能，对整个地压监测系统网络客户端进行了研发。根据设计、图纸、传感器安装编号记录表配置系统参数，并结合突变理论，构建了以位移、应力为失稳判据的预警预报模型，实现了网络用户访问模式在线动态监测、联网打印、数据库数据信息共享、监测数据综合分析及地压安全评估分析、预警预报、监测日报、网上报表等功能。地压监测系统总貌图如图11所示。

图11 地压监测系统总貌

4 结论

在项目实施中主要采用井下复杂条件数据采集技术、数据远程传输与通讯技术、预测预报理论技术、地压分析与控制技术等国内外先进的地压监测理论与技术手段，并选用适合该矿区的产品设备，设计构建了完善、可靠的井下地压远程在线监测与预警系统，实现井下地压灾害的远程在线监测与预报。目前，该监测系统运行平稳，监测数据准确可靠，应用效果较好，为该锡矿区开采过程中控制或消除安全隐患提供了可靠的技术支撑。