復(fù)雜條件下光纖頂板智能化監(jiān)測控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

文/韓玉忠 劉 勇 崔保國

山東能源新礦集團(tuán)孫村煤礦作為全國開采最深的礦井之一，冒頂、圍巖坍塌等頂板災(zāi)害嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。針對孫村煤礦深井、高壓力、支護(hù)困難的現(xiàn)狀，在埋深超千米的21121工作面及2223工作面推廣使用注漿錨索支護(hù)，為驗(yàn)證注漿錨索支護(hù)效果，對回采工作面超前支護(hù)段采用注漿錨索加強(qiáng)支護(hù)，逐步代替單體支柱超前支護(hù)方式。為對頂板及煤巖體應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測，特研發(fā)一種具有高可靠性的頂板離層安全監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對工作面頂板離層、圍巖應(yīng)力的多參數(shù)綜合監(jiān)測和分析，建立了一套能夠?yàn)榘踩a(chǎn)決策提供支持的預(yù)警及信息發(fā)布系統(tǒng)，為沖擊地壓防治工作提供技術(shù)支撐。

一、項(xiàng)目基本情況

孫村煤礦21121工作面、2223工作面位于-1100水平二采區(qū)，最大埋深1303米，巷道埋深大，斷層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，在高應(yīng)力的作用下頂板圍巖破碎，支護(hù)困難，在保證安全的前提下，通過試驗(yàn)注漿錨索加強(qiáng)支護(hù)，將工作面超前單體支柱由兩排減少為一排，排距由0.8米擴(kuò)大到1.6米，直至完全由注漿錨索超前支護(hù)取代單體支柱，不僅實(shí)現(xiàn)了工作面兩巷的干凈利索、寬敞明亮，還減少了兩巷的超前支柱支護(hù)工作量，降低了職工的勞動強(qiáng)度，改善了工作環(huán)境。

在試驗(yàn)注漿錨索超前支護(hù)過程中，為了能夠同時(shí)滿足高安全性、高測量精度、使用方便、實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測的要求，孫村煤礦與山東科學(xué)院、山東道寬智能科技有限公司合作進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，合作研發(fā)出一種高可靠性的光纖頂板安全監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對工作面頂板壓力、圍巖應(yīng)力的綜合監(jiān)測，對多參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合分析，為頂板支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供技術(shù)支撐，建立起一套完整的安全生產(chǎn)決策及信息發(fā)布系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)的性能及應(yīng)用情況

1.錨注支護(hù)光纖智能化監(jiān)測控制系統(tǒng)性能及優(yōu)勢

目前，煤礦頂板災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)水平與安全生產(chǎn)要求之間存在著較大差距，主要表現(xiàn)在：監(jiān)測技術(shù)落后，傳感器可靠性差、維護(hù)工作量大，監(jiān)控系統(tǒng)在信號采集及傳輸線路中受電磁場干擾嚴(yán)重。此外，由于現(xiàn)在的傳感器都需要供電，具有一定的安全隱患。

相比較于傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)控及災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，光纖傳感技術(shù)以光作為信息載體，用光纖作為傳輸工具，具有傳輸距離遠(yuǎn)、不帶電、本質(zhì)安全、長期可靠等獨(dú)特優(yōu)勢，在煤礦安全監(jiān)測技術(shù)的本質(zhì)安全性、多功能等方面實(shí)現(xiàn)了重要突破，也將成為煤礦安全隱患的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測的重要技術(shù)手段，極大地促進(jìn)本質(zhì)安全型煤礦建設(shè)和實(shí)現(xiàn)頂板安全。

光纖煤礦頂板安全綜合監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析與控制三大部分構(gòu)成，傳感器是制約系統(tǒng)整體水平的技術(shù)瓶頸。研發(fā)新一代適合煤礦安全領(lǐng)域應(yīng)用的先進(jìn)傳感器并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建新型光纖煤礦頂板安全綜合監(jiān)測系統(tǒng)，消除當(dāng)前的監(jiān)控盲區(qū)，提升系統(tǒng)的可靠性和應(yīng)急狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測能力，對于實(shí)現(xiàn)煤礦安全發(fā)展具有十分重要的意義。

2.錨注支護(hù)光纖智能化監(jiān)測控制系統(tǒng)的應(yīng)用

孫村煤礦分別在埋深超千米的21121工作面、2223工作面等不同地質(zhì)條件下的回采工作面進(jìn)行錨注支護(hù)智能化監(jiān)測控制實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行頂板離層、煤體應(yīng)力觀測，使用窺視儀對頂板裂隙發(fā)育進(jìn)行錄像對比，為支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，通過成功實(shí)踐，礦井全面推廣注漿錨索，取代架棚支護(hù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果制定了注漿錨索在各類復(fù)雜頂板條件下的使用標(biāo)準(zhǔn)及支護(hù)方式。

光纖頂板離層監(jiān)測傳感器有兩個(gè)錨固端，分別對應(yīng)深基點(diǎn)和淺基點(diǎn)，根據(jù)21121工作面頂板巖層的柱狀圖可知，頂板為厚度8～10m的灰色粉砂巖，光纖頂板離層監(jiān)測傳感器從距切眼30m開始，按照間距20m一組布置，第一組安裝深基點(diǎn)孔深6m，淺基點(diǎn)孔深3m，第二組安裝深基點(diǎn)孔深8m，淺基點(diǎn)孔深3m，以此類推，間隔放置，當(dāng)工作面推采至距離傳感器5m時(shí)拆除。頂板離層傳感器安裝示意圖如圖1所示。

3.錨注支護(hù)光纖智能化監(jiān)測控制需要達(dá)到的效果

一是實(shí)現(xiàn)頂板離層的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀測；二是注漿錨索支護(hù)穩(wěn)定性的評估及潛在危險(xiǎn)性預(yù)測；三是監(jiān)測超前支撐壓力影響范圍、壓力的前移速度等。光纖頂板監(jiān)測系統(tǒng)采用先進(jìn)的光纖傳感技術(shù)，對頂板上述關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行長期動態(tài)監(jiān)測，對離層量超標(biāo)預(yù)警提示，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了可靠的保障。

圖1 頂板離層傳感器安裝示意圖

4.錨注支護(hù)光纖智能化預(yù)警流程

（1）預(yù)警值設(shè)置。一級預(yù)警：50mm；二級預(yù)警：100mm。

（2）預(yù)警流程。頂板離層預(yù)警按照以下流程進(jìn)行。

①當(dāng)離層超過50mm時(shí)，一級預(yù)警，發(fā)短信、聲光報(bào)警→編制一級預(yù)警通知單報(bào)送調(diào)度室、安監(jiān)處、生產(chǎn)技術(shù)部、采掘單位→生產(chǎn)技術(shù)部制定加強(qiáng)支護(hù)方案，采掘單位補(bǔ)打錨索，安監(jiān)處監(jiān)督整改。

②當(dāng)離層超過100mm時(shí)，二級預(yù)警，發(fā)短信、聲光報(bào)警→編制二級預(yù)警通知單報(bào)送調(diào)度室、安監(jiān)處、生產(chǎn)技術(shù)部、采掘單位→生產(chǎn)技術(shù)部制定加強(qiáng)支護(hù)方案，采掘單位復(fù)棚加固，安監(jiān)處監(jiān)督整改。

三、頂板離層傳感器的優(yōu)化改造

21121工作面安裝頂板離層儀后，經(jīng)過一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)十一層破碎頂板雖然補(bǔ)打了注漿錨索加強(qiáng)了支護(hù)強(qiáng)度，但在斷層、地質(zhì)構(gòu)造附近的頂板離層量甚至達(dá)到200mm以上，頂板離層傳感器離層量程已經(jīng)不能滿足需要，通過與山東道寬智能科技有限公司合作，研發(fā)量程達(dá)到500mm的新型大量程頂板離層傳感器，避免了離層量超過傳感器量程造成的傳感器損壞現(xiàn)象，同時(shí)在傳感器上能夠現(xiàn)場觀測離層數(shù)據(jù)，保證了設(shè)備的正常使用。

四、實(shí)施效果

孫村煤礦通過研發(fā)應(yīng)用高可靠性的光纖頂板安全監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)，取得了良好實(shí)效，促進(jìn)了安全生產(chǎn)。

1.在煤礦綜采工作面生產(chǎn)中，對工作面兩巷頂板進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，優(yōu)化了巷道變形監(jiān)測手段，簡化了監(jiān)測流程，減少了人員數(shù)量，提高了生產(chǎn)效率。

2.建立起多工作面頂板數(shù)據(jù)管理預(yù)警體系，實(shí)現(xiàn)頂板離層的自動預(yù)警，對離層地點(diǎn)采取技術(shù)措施進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，避免頂板事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)礦井的安全生產(chǎn)。

3.通過對注漿錨索支護(hù)的監(jiān)測，改革了工作面超前支護(hù)形式，采用注漿錨索代替液壓支柱超前支護(hù)方式，減輕了工人勞動強(qiáng)度，提高了勞動效率，為礦井單班百人下井目標(biāo)打下堅(jiān)定基礎(chǔ)。