礦壓監(jiān)測系統(tǒng)搭建方式及技術(shù)淺析

樊 君

（寧夏煤礦設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750021）

煤礦作為國家能源產(chǎn)業(yè)的支柱，煤炭開采過程是一個與大自然搏斗的艱難過程，面臨著水、火、瓦斯、煤塵、頂板等自然災(zāi)害的威脅。特別是隨著煤炭開采深度的不斷延深，頂板事故成為煤礦開采的重大危險源，沖擊地壓及頂板災(zāi)害防治是煤炭行業(yè)和煤炭企業(yè)一直關(guān)注和著力解決的重大安全問題。

特別是近幾年國家應(yīng)急管理部、煤礦安監(jiān)局相繼出臺了一系列的法規(guī)政策用于預(yù)防沖擊地壓事故的發(fā)生[1]。本論文圍繞礦壓監(jiān)測的內(nèi)容及監(jiān)測方式，對礦壓監(jiān)測系統(tǒng)搭建方式及設(shè)備布置方式術(shù)進(jìn)行論述。

1 系統(tǒng)監(jiān)測內(nèi)容

（1）監(jiān)測液壓支架初撐力水平、安全閥開啟、支架保壓情況、立柱受力平衡情況、支架工作阻力分布等數(shù)據(jù)[2]，對液壓支架工作阻力和適應(yīng)性進(jìn)行評價，對今后工作面液壓支架選型提供指導(dǎo)意見。

（2）監(jiān)測頂板巖層離層情況[3]，顯示錨（索）桿長度范圍內(nèi)和錨（索）桿同范圍外的頂板巖層的離層情況。為煤礦工程技術(shù)人員提供確定錨（索）桿的長度，了解所使用的錨（索）桿的合理性、經(jīng)濟(jì)性而需要的科學(xué)依據(jù)，對巷道頂板發(fā)生離層顯現(xiàn)進(jìn)行預(yù)警，從而有效的防止頂板事故的發(fā)生，確保煤礦安全生產(chǎn)。

（3）監(jiān)測圍巖（鉆孔）應(yīng)力水平[4]，顯示煤巖體支撐應(yīng)力變化，分析應(yīng)力場作用的范圍、強度和運動方向，為沖擊地壓的卸壓措施實施提供依據(jù)。

（4）監(jiān)測錨桿（索）應(yīng)力水平[5]，顯示應(yīng)力變化，為錨桿（索）的參數(shù)選擇和布置數(shù)量提供依據(jù)。

（5）監(jiān)測微震及電磁輻射數(shù)據(jù)[6]，對礦井沖擊地壓進(jìn)行監(jiān)測，同時利用該數(shù)據(jù)可反映井下應(yīng)力集中區(qū)，可對該區(qū)域進(jìn)行頂板巖層離層、圍巖（鉆孔）應(yīng)力、錨桿（索）應(yīng)力進(jìn)行重點監(jiān)測。

2 系統(tǒng)搭建方式

礦壓監(jiān)測系統(tǒng)可分為三個層面進(jìn)行搭建，即數(shù)據(jù)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)儲存與管理層與基礎(chǔ)設(shè)備層。

2.1 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

數(shù)據(jù)應(yīng)用層由礦壓監(jiān)測信息網(wǎng)絡(luò)集成平臺構(gòu)成，通過開發(fā)各類專用算法及預(yù)警模型，實現(xiàn)實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警、及預(yù)測預(yù)報等功能。礦壓監(jiān)測信息網(wǎng)絡(luò)集成平臺需站在全集團(tuán)礦井礦壓監(jiān)測的高度上進(jìn)行搭建，平臺監(jiān)測數(shù)據(jù)前期可以某一個礦井?dāng)?shù)據(jù)為主，后期礦壓監(jiān)測系統(tǒng)在集團(tuán)各礦井推廣后，各礦數(shù)據(jù)可直接集成至該平臺。平臺為純軟件系統(tǒng)，為充分利用已有硬件及網(wǎng)絡(luò)資源，可直接部署在集團(tuán)機(jī)房已有服務(wù)器或私有云平臺上，由信息中心統(tǒng)一維護(hù)及管理，也可以新增機(jī)柜及服務(wù)器用以部署該平臺，考慮到網(wǎng)絡(luò)及信息安全，不建議將平臺部署在第三方云平臺上。在集團(tuán)調(diào)度室增設(shè)1臺工程師站，用于系統(tǒng)維護(hù)及操作及顯示，如有需要可直接利用調(diào)度室已有大屏系統(tǒng)進(jìn)行顯示。

2.2 數(shù)據(jù)儲存與管理層

數(shù)據(jù)儲存與管理層主要由服務(wù)器、工程師站等設(shè)備組成。在一號井機(jī)房內(nèi)布置兩臺服務(wù)器，1臺作為應(yīng)用服務(wù)器、1臺作為數(shù)據(jù)庫及WEB服務(wù)器，搭建羊場灣礦壓監(jiān)測系統(tǒng)集成平臺，開發(fā)簡潔、可靠、全面的數(shù)據(jù)庫及列表，將各礦壓監(jiān)測子系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整合并存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)備份管理、數(shù)據(jù)初步分析等功能，同時為上層數(shù)據(jù)應(yīng)用層統(tǒng)一數(shù)據(jù)訪問接口。

2.3 基礎(chǔ)設(shè)備層

基礎(chǔ)設(shè)備層主要由工作面壓力監(jiān)測系統(tǒng)、頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)、鉆孔應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)、錨桿（索）應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)及沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)組成。各系統(tǒng)主要由礦用有線或無線傳感器、礦用監(jiān)測分站、礦用監(jiān)測主站等設(shè)備組成。傳感器將監(jiān)測數(shù)據(jù)以無線或有線傳輸?shù)姆绞絺鬏斨帘O(jiān)控分站，而后監(jiān)控分站已總線傳輸?shù)姆绞綄?shù)據(jù)傳輸至監(jiān)測主站，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理及協(xié)議轉(zhuǎn)換后，利用礦井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)儲存與管理層。

3 礦壓監(jiān)測信息集成平臺軟件構(gòu)架

3.1 系統(tǒng)概述

目前，隨著各礦業(yè)集團(tuán)煤礦煤炭生產(chǎn)能力的提高、開采強度的增大和向深部開采轉(zhuǎn)移，頂板安全問題越來越凸現(xiàn)?，F(xiàn)各煤礦的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)已經(jīng)基本完善，各種監(jiān)測分析系統(tǒng)也相對來說比較成熟，生產(chǎn)管理方面也有一部分系統(tǒng)進(jìn)行支撐。由于這些系統(tǒng)從不同的出發(fā)點開展研究，都有自己的鮮明的特色，同時也存在自己的不足，目前存在以下問題：

（1）現(xiàn)有系統(tǒng)間缺少整合，數(shù)據(jù)不能共享，集團(tuán)公司不能實時有效的了解各分礦的礦壓監(jiān)測情況。

（2）業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)不完善，主要還是以口頭或書面的形式匯報礦壓監(jiān)測情況，有時上下級管理信息不對稱，無法進(jìn)行有效的分析，不能很好地支撐領(lǐng)導(dǎo)管理決策。

（3）實時監(jiān)測系統(tǒng)的信息處理手段相對落后。缺乏對礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效分析。

（4）集團(tuán)公司管理數(shù)據(jù)和各部門的監(jiān)測數(shù)據(jù)評估數(shù)據(jù)等各方面信息不能實現(xiàn)有效集成。

因此，為了從系統(tǒng)工程的角度整體上對集團(tuán)公司及下屬各煤礦進(jìn)行統(tǒng)一的監(jiān)控管理，防止″信息孤島″現(xiàn)象，需要建立統(tǒng)一的礦壓監(jiān)測信息網(wǎng)絡(luò)集成平臺，對各礦業(yè)集團(tuán)的可持續(xù)發(fā)展及開展預(yù)防煤礦頂板工作具有十分重要的意義。

3.2 實現(xiàn)目標(biāo)

（1）建立數(shù)據(jù)中心：建立統(tǒng)一、集中的實時數(shù)據(jù)庫平臺，采用多種通訊手段，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的采集和存儲，為事故分析提供可靠的依據(jù)。

（2）打通數(shù)據(jù)通道，消除“信息孤島”：打通集團(tuán)與分礦的縱向數(shù)據(jù)通道，消除信息孤島。

（3）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分級共享和監(jiān)測：通過完善的用戶管理機(jī)制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分級共享和監(jiān)測。

（4）提高數(shù)據(jù)分析的能力：通過數(shù)據(jù)分析工具，采用多樣化的數(shù)據(jù)展示方式對煤礦安全生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和智能化應(yīng)用，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)的統(tǒng)計、分析，為領(lǐng)導(dǎo)的決策提供科學(xué)的支持。

（5）建設(shè)礦壓監(jiān)測的信息化整合平臺：為了便于管理人員及時了解生產(chǎn)狀況，配置了一套可縮放的、可擴(kuò)展的信息門戶。

（6）根據(jù)礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，對巷道錨桿（索）參數(shù)設(shè)計提供指導(dǎo)意見。

（7）根據(jù)液壓支架的受力情況，對液壓支架工作阻力和適應(yīng)性進(jìn)行評價，并對今后綜放工作面液壓支架選型提供指導(dǎo)意見。

（8）根據(jù)綜合參數(shù)分析，實現(xiàn)工作面初次來壓、周期來壓、沖擊地壓等事件的提前預(yù)警，并通過手機(jī)APP消息推送及短信通知的方式告知相關(guān)人員。

3.3 軟件平臺架構(gòu)

平臺架構(gòu)主要分為三層：決策支持層、生產(chǎn)執(zhí)行層及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層。

（1）決策支持層部署在集團(tuán)公司，采用B/S架構(gòu)方式，通過已有信息化網(wǎng)絡(luò)，集成各煤礦現(xiàn)有或即將建立的監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)一的信息門戶建設(shè)，最終實現(xiàn)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)整合、界面整合，從而為企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)提供綜合礦壓監(jiān)測信息門戶。平臺主要用于集團(tuán)公司對所轄各礦的礦壓監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)管、資源共享和科學(xué)管理。監(jiān)管部門能通過該系統(tǒng)平臺及時掌握所轄煤礦的礦壓及沖擊地壓狀況，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，跟蹤隱患的整改和處理情況，同時對監(jiān)測信息進(jìn)行綜合性動態(tài)分析，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供依據(jù)，將事故消滅在萌芽狀態(tài)，達(dá)到安全損失的最小化。

（2）生產(chǎn)執(zhí)行層部署在礦端服務(wù)器，采用B/S+C/S架構(gòu)方式，通過礦已有信息化網(wǎng)絡(luò)，集成各礦壓監(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及信息，并將各礦壓監(jiān)測子系統(tǒng)從功能上加以區(qū)分，硬件結(jié)構(gòu)使用統(tǒng)一的地址編碼，系統(tǒng)的實際布置上傳感器可以混合排列，監(jiān)測服務(wù)器通過通訊協(xié)議區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類型。服務(wù)器（計算機(jī)）可接入礦區(qū)局域網(wǎng)絡(luò)，支持網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測和信息共享。

（3）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層由各礦壓監(jiān)測子系統(tǒng)及沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)成，為平臺主要數(shù)據(jù)來源，各子系統(tǒng)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)通過專用無線網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測分站、礦已有工業(yè)環(huán)網(wǎng)上傳至礦端礦壓監(jiān)測系統(tǒng)集成平臺。

3.4 平臺主要功能

3.4.1 工作面運動規(guī)律分析

通過輸入鉆孔數(shù)據(jù)、采集液壓支架相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)直接頂厚度推斷、直接頂初次來壓步距推斷、直接頂跨落方式判斷、直接頂懸頂距確定、直接頂分類、基本頂厚度推斷、基本頂來壓步距推理、基本頂分級、液壓支架合理支護(hù)強度計算等功能。

3.4.2 巷道礦壓觀測分析

通過采集各礦壓監(jiān)測子系統(tǒng)及沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)巷道表面位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、頂板離層監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、巷道深部位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、錨桿（索）托錨力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析等，繪制出頂?shù)装搴蛢蓭鸵平壳€圖、巷道圍巖移近速度圖、頂板離層隨時間（或工作面推進(jìn)）變化曲線圖、頂板和兩幫錨桿（索）載荷隨觀測時間的變化曲線圖等。

3.4.3 巷道錨桿（索）參數(shù)設(shè)計

通過采集各礦壓監(jiān)測子系統(tǒng)及沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)，可進(jìn)行巷道頂板和兩幫破壞深度的計算、錨桿（索）支護(hù)參數(shù)設(shè)計，包括：錨桿（索）桿體材料和錨固力、錨桿（索）長度、錨桿桿體直徑、錨桿鉆孔孔徑、錨桿排距、每排錨桿個數(shù)、錨桿支護(hù)形式、傾斜錨桿傾角、傾斜錨桿長度、鋼帶排距等。

3.4.4 礦壓分析報告

系統(tǒng)內(nèi)置各類工作面礦壓分析報表，并可根據(jù)實際需要定制報表。各類文檔模板包括：工作面地質(zhì)與采礦技術(shù)條件、工作面支架支護(hù)阻力及支護(hù)強度的評價、工作面礦壓規(guī)律分析及評價、工作面底板比壓分析與評價、工作面礦壓規(guī)律及支架適應(yīng)性分析與評價（總報告）等。

3.4.5 實時報警

對于數(shù)據(jù)超限等異常情況，系統(tǒng)能以告警聲音、顏色改變和界面聯(lián)動等多種方式進(jìn)行實時報警處理，可大大提高對生產(chǎn)現(xiàn)場問題的響應(yīng)速度，有利于安全生產(chǎn)的指揮和調(diào)度，提高各級管理者的管理效率，杜絕下級對上級的超限漏報、瞞報等現(xiàn)象。

3.4.6 沖擊地壓監(jiān)測

（1）微震監(jiān)測：實時顯頂板及上覆巖層活動，主要監(jiān)測頂板斷裂位置和能量大小，以及反演頂板斷裂形態(tài)和應(yīng)力集中情況。

（2）電磁輻射監(jiān)測：實時顯示聲發(fā)射頻度（脈沖數(shù)量）、一定時間內(nèi)脈沖能量的總和、電磁輻射強度、電磁輻射脈沖數(shù)等信息將硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)傳至系統(tǒng)中，供分析使用。

4 傳感器數(shù)據(jù)傳輸方式

4.1 有線傳輸（CAN或RS485總線） [7]

優(yōu)點：數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，傳感器價格較低。

缺點：井下作業(yè)環(huán)境惡劣，數(shù)據(jù)傳輸線易破損、斷線；數(shù)據(jù)傳輸線纜及接線盒較多，不易管理及維護(hù)；若數(shù)據(jù)傳輸線斷線，難以找到斷點，且后續(xù)傳感器數(shù)據(jù)均無法傳輸。

4.2 無線傳輸（433M或2.4G無線網(wǎng)絡(luò)）[8]

優(yōu)點：無須布線，多個傳感器自行組成無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，可跳過斷線的傳感器傳輸數(shù)據(jù)；安裝便捷、靈活。

缺點：數(shù)據(jù)傳輸受距離限制，超過傳輸距離或巷道變坡需要增加中繼器；無線傳輸較有線傳輸信號穩(wěn)定性底；無線傳輸較有線傳輸價格較高。

綜合上述傳輸方式優(yōu)缺點比較，如果點位布置較少，優(yōu)先考慮無線傳輸方式，如果點位布置多且工作面較長，可優(yōu)先考慮有線傳輸方式。

5 井下監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置

5.1 工作面頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)

如礦井工作面使用電液控系統(tǒng)對液壓支架進(jìn)行控制，則可直接利用該系統(tǒng)監(jiān)測的頂板壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如未使用電液控系統(tǒng)，則在工作面液壓支架安裝頂板壓力無線傳感器，建議每5臺支架布置1臺傳感器，監(jiān)測主站及無線監(jiān)測分站每個工作面各布置1臺。該系統(tǒng)主要對液壓支架的初撐力、末阻力、活柱縮量進(jìn)行監(jiān)測。

5.2 頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)

在主要工作面及掘進(jìn)面布置頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)，頂板離層無線傳感器可根據(jù)礦頂板狀況進(jìn)行布置，如頂板條件不好，建議每隔50m設(shè)置1臺，如頂板條件尚可，建議每隔80m～100m設(shè)置1臺；監(jiān)測主站及無線監(jiān)測分站每個工作面各布置1臺。該系統(tǒng)主要對頂板離層、頂板下沉量進(jìn)行監(jiān)測。

5.3 鉆孔應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

在主要工作面及掘進(jìn)面設(shè)置一個監(jiān)測站，監(jiān)測站設(shè)置在距工作面開切眼500m處。每個測站設(shè)置8個測點（巷道兩幫各4個測點，監(jiān)測煤體和煤柱，若工作面煤柱采取小煤柱或無煤柱等，則煤柱側(cè)不設(shè)測點），測點間距5m，每個測點布置2個鉆孔應(yīng)力傳感器（一個深基點，一個淺基點，間距1m）；監(jiān)測主站及無線監(jiān)測分站每個工作面各布置1臺。該系統(tǒng)主要對鉆孔應(yīng)力、圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測。

5.4 錨桿（索）應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

在主要工作面及掘進(jìn)面布置頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)，錨桿（索）應(yīng)力傳感器可根據(jù)礦巷道變形狀況進(jìn)行布置，如巷道變形嚴(yán)重，建議每隔50m設(shè)置1臺，如巷道變形不嚴(yán)重，則可每隔80m～100m設(shè)置1臺；監(jiān)測主站及無線監(jiān)測分站每個工作面各布置1臺。該系統(tǒng)主要對錨桿（索）受力情況進(jìn)行監(jiān)測。

5.5 沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)

在礦采深較深的工作面（采深超過400m）、主運巷道、輔運巷道設(shè)置微震監(jiān)測系統(tǒng)，每條巷道各設(shè)置1臺微震監(jiān)測分站、2臺拾震器。該系統(tǒng)實時顯頂板及上覆巖層活動，主要監(jiān)測頂板斷裂位置和能量大小，反演頂板斷裂形態(tài)和應(yīng)力集中情況。

在礦采深較深的工作面（采深超過400m）設(shè)置電磁輻射監(jiān)測系統(tǒng)。每條巷道各設(shè)置1臺電磁輻射監(jiān)測分站、2臺煤巖動力災(zāi)害聲電傳感器。該系統(tǒng)實時顯示聲發(fā)射頻度（脈沖數(shù)量）、將一定時間內(nèi)脈沖能量的總和、電磁輻射強度、電磁輻射脈沖數(shù)等信息上傳至服務(wù)器，供分析使用。

6 結(jié)論

雖然國內(nèi)礦壓監(jiān)測系統(tǒng)展開了一系列研究，也取得了很多優(yōu)秀的科研成果。但礦壓監(jiān)測的發(fā)展仍然存在以下幾點問題。

（1）隨著數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各類傳感器的均可做到在線實時傳輸數(shù)據(jù)，但傳感器的監(jiān)測原理及手段沒有過多的技術(shù)突破，例如頂板離層監(jiān)測傳感器，其監(jiān)測原理依然是通過錨爪、鋼絲繩監(jiān)測頂板離層數(shù)據(jù)，未能解決鋼絲繩因銹蝕斷裂導(dǎo)致無法監(jiān)測數(shù)據(jù)的問題。

（2）礦壓監(jiān)測系統(tǒng)建立的成功與否，不僅取決于監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，同時更依賴于礦相關(guān)管理部門對系統(tǒng)的安裝維護(hù)能力。如果設(shè)備安裝不到位或維護(hù)不及時，監(jiān)測數(shù)據(jù)就會不準(zhǔn)確甚至缺失，使礦壓監(jiān)測平臺軟件無法得出正確的分析結(jié)果，久而久之該系統(tǒng)就變成了形同虛設(shè)的擺設(shè)，甚至被廢棄。

（3）礦壓監(jiān)測系統(tǒng)是一個系統(tǒng)工程，尤其是礦壓監(jiān)測平臺的建設(shè)，更是要站在較高的層面上進(jìn)行搭建，這樣可為后期的子系統(tǒng)接入及數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)一提供巨大的便利。隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能技術(shù)的發(fā)展，此類綜合信息監(jiān)測平臺的搭建日后定會成為主流發(fā)展方向。