巷道顶板离层在线监测系统应用研究

韩升辉

（晋能控股煤业集团赵庄煤业，山西 长治 048000）

顶板离层监测是巷道矿压观测主要手段之一，直接关系着顶板安全。机械式离层仪人工观测存在数据不连续、数据处理不及时等问题，对于顶板短期突发离层缺少实时监测和预警功能。顶板离层在线监测系统近年来逐渐应用到井下，通过环网将监测数据实时传输到地面，无需人工采集，且能对数据及时处理分析，大大提高了观测效率。本文以赵庄煤业二号井1309 工作面安装的顶板离层在线监测系统为研究对象，介绍其构成和功能，对观测数据进行分析[1-3]。

1 工程背景

赵庄煤业二号井1309 综放煤工作面位于井田东部一采区，开采3#煤层，平均厚度4.3 m，平均倾角为8°，设计走向长度950 m，倾向长度为159 m，煤层普氏硬度f =0.4～1.32。老顶为粉砂岩，平均厚度为5.28 m；直接顶为泥岩，平均厚度为0.9 m。

工作面布置13091 和13092 两条回采巷道，13091 巷为进风巷，13092 巷为回风巷，均沿煤层顶板掘进。巷道高度3 m，宽度5 m，采用锚网索联合支护，锚杆长度2.4 m，锚索长度7.4 m。在两条顺槽安装顶板离层在线监测系统。

在线监测系统布置：两条巷道各布置15 个测点，其中切眼前方90 m范围各布置3个测点，间距30 m，切眼前方90 m 以外的12 个测点间距均为60 m，在巷口布置监测分站，分站和传感器之间采用无线连接。最后通过井下环网电缆将数据传输到井上。每个监测点传感器包括两个基点，深度分为2 m、8 m。测点布置如图1。

图1 在线监测点布置示意图（m）

机械离层仪布置：为了验证顶板离层在线监测系统监测数据是否准确，在每个在线监测点0.5 m范围内顶板再安装一组机械离层仪，两个基点深度分别为2 m、8 m，人工观测，每7 d 观测一次，形成数据对照，同时布置表面位移测点监测顶板下沉情况。

2 顶板离层在线监测系统

2.1 系统构成

顶板离层在线监测系统将计算机检测技术、数据通讯技术和传感器技术融为一体，实现了复杂环境条件下对煤矿顶板的自动监测和分析。

系统由6部分组成：（1）计算机及数据处理软件；（2）KJ216-J 矿用数据通讯接口；（3）KJ216-Z 矿用监测主站；（4）KJ653-F1 矿用本安型数据通讯分站；（5）GUD300W 煤矿本安型顶板位移传感器；（6）本安型供电电源。另外还有电缆、接线盒、转接器等本质安全型部件。如图2。

图2 顶板位移传感器外观

2.2 监测网络布置

整个监测网络由地面部分和井下部分组成，通过井下环网连接沟通，连接关系如图3。

图3 监测网络布置示意图

顶板位移传感器采集顶板的离层信号，通过无线通讯模块发送到通信分站，分站汇总所有节点的数据通过RS485 总线传到通讯主站，将RS485 信号转换为以太网，和井下变电所的环网交换机连接，通过工业以太环网上传到地面交换机，通过监测分析软件进行数据分析和处理。

2.3 系统主要功能

除了基本的信息录入、图纸信息显示和编辑功能外，系统还具备数据收集、数据传输、数据存储、数据显示、监测报表输出、数据处理、监测曲线输出功能，另外可以设置报警阈值，实现报警功能。

最关键的是数据处理功能，数据处理采用了智能预警分析方法，该分析方法主要包括：（1）利用时间序列建模、BP 算法进行数据的预处理，将原有参数转化为可处理分析的参数；（2）通过IGANARBP 优化算法对两种建模方法的综合和优化设计，提高系统的智能化程度和稳定性；（3）在推理机中，以计算机编程语言实现模型对数据的预测功能，经过对测点数据的测试，对编程算法进行优化修正，在保证预测精度的基础上，提高预测效果。

3 在线监测系统数据分析

3.1 数据分析

数据采集传输频率设计为30 min 一次，即每30 min 记录一个数据，按照一定的时间阶段，对各个监测点报表进行输出。

以6#传感器为例，截取输出测点在工作面前方0～156 m 范围时间段的数据进行统计，2 m 浅基点以下离层量66 mm，8 m 深基点以下离层量85 mm，2～8 m 之间离层量19 mm。6#传感器基点位移变化曲线如图4。

3.2 顶板离层量统计

对30 个顶板离层在线监测传感器测点数据进行统计，所有测点数据连续完整，未丢失数据，离层量统计分析：

顶板正常区：2 m 基点平均离层值57 mm，8 m基点平均离层值71 mm。

顶板破碎区：结合顶板总下沉量数据，2 m 基点平均离层值170 mm，8 m 基点平均离层值241 mm，2～8 m 之间平均离层值71 mm，最大97 mm，最小39 mm；8 m 以上平均离层值39 mm，最大52 mm，最小29 mm。

（1）顶板破碎区离层值相对较大，其中2 m基点平均离层值是顶板正常区的3 倍；8 m 基点平均离层值是顶板正常区的3.4 倍。

（2）顶板正常区0～2 m 离层量占比79%，2～8 m 离层量占比21%；顶板破碎区0～2 m 离层量占比61%，2～8 m 离层量占比25%，8 m 以上离层量占比14%。说明顶板破碎区顶板发生了整体下沉。

3.3 顶板离层规律分析

30 个测点顶板加速离层界点呈现相似的规律，在工作面前方平均23.3 m 位置顶板离层开始加速。

对各个测点加速离层界点前后的离层量占比进行统计，加速界点以内（工作面前方0～23.3 m），顶板离层量平均占比74%，加速界点以外顶板离层量占比26%。说明主要的离层发生在工作面前方23.3 m 范围内，工作面前方30 m 范围应当加强支护，防止离层加速扩大。

4 关键问题分析

4.1 数据可靠性

传感器数据具有连续、完整的特点，而机械离层仪数据为人工现场观测，具备真实性，可以验证传感器数据的准确性。对顶板位移传感器和机械离层仪数据进行对比。

对13091 巷和13092 巷共30 个测点的离层值进行分析，在线监测系统传感器与机械离层仪数据差别微小，2 m 基点离层值平均偏差0.4 mm，8 m基点离层值平均偏差0.1 mm，2～8 m 之间离层值平均偏差0.3 mm，可以忽略不计。因此可以判断，在线监测系统传感器数据比较准确可靠，可以作为顶板离层数据来源。

4.2 预警值确定

理论计算方法只能针对特定的顶板条件进行计算，不具有代表性，本次计划根据现场实测分析的方法进行预警值确定。

现场表明，顶板8 m 以上出现离层，超出锚索支护范围，顶板将会出现整体下沉，危害较大。因此，顶板预警的离层值设定标准应满足顶板8 m 以上不得出现离层。

结合顶板下沉、离层观测数据和现场顶板下沉实际情况：

（1）13091 巷 的5#、8#，13092 巷 的18#、22#、26#测点顶板8 m 以上出现了离层，5 个测点顶板2～8 m 之间的离层量分别达到59 mm、80 mm、95 mm、72 mm、75 mm，说明保证顶板8 m以上不出现离层的必要条件是2～8 m 之间的离层至少在59 mm 以下。

（2）13091 巷其余测点2～8 m 之间离层值最大为2#测点的43 mm，13092 巷其余测点2～8 m 之间离层值最大为3#测点的21 mm，说明顶板2～8 m 之间离层值小于43 mm 时，8 m 以上不出现离层。

（3）取一定的安全系数，设置当顶板2～8 m之间离层值大于30 mm 时系统进行报警，对该区域采取顶板锚索补强措施，防止离层进一步扩大。

（4）实际过程中还应配合人工观测，进一步调整预警值，避免特殊情况发生。

5 结论

（1）顶板在线监测预警系统包括地面部分和井下部分，通过工业光纤以太网传输数据，能够实现实时监测和数据传输，不丢失数据。

（2）通过数据分析得到了顶板离层规律，在工作面前方平均23.3 m 位置顶板离层开始加速，加速界点以内顶板离层量平均占比74%，加速界点以外顶板离层量占比26%，应对工作面前方30 m 范围加强支护。

（3）对在线监测传感器数据可靠性进行了分析，与机械离层仪对比，各区间误差均较小，数据可靠，同时分析确定2～8 m 之间离层达到30 mm 时，为预警界限。