现场矿压观测方案设计.pdf

第 l 3卷 第 l期 总第 8 0期 2 0 0 8年 2月 煤 矿 开 采 Co a l Mi n i ng Te c hn o l o g y Vo 1 ． 1 3 No ． 1 S e r i e s N o ． 8 0 F e br u a r y 20 08 现场 矿 压 观 测方 案 设计 汤建泉 ，粟才全 ，李英德 1 ，山东科技大学 ，山东 泰安 2 7 1 0 1 9 ；2 林东矿业集团公司 ，贵州 贵 阳 5 5 0 0 0 ；3 ．L 【 J 东科技大学 资环学 院，山东 青 岛 2 6 6 5 1 0 [ } 商 要] 传统的矿压观测技术同现代电子技术结合，利用科学的观测方案 、先进 的观测仪器 仪表和计算机管理 系统对采煤工作面和巷道进行矿压观测，能极大地提升工作效率和观测结果的准确 性、科学性，具有广阔的应用前景。先后分析了矿压研究基本方法、观测 目的要求，观测方案、观测 的组织工作等内容，较为系统地介绍了现代电子观测技术的应用。 [ 关键词] 矿压观测；观测方案；仪器仪表 [ 中图分类号]T D 3 2 6 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 6 ． 6 2 2 5 2 0 0 8 0 l - 0 0 7 1 0 4 On t he s po t 0bs e r v a t i o n De s i g n f o r Und e r g r o u nd Pr e s s ur e 矿山压力现场观测研究法是直接面对生产现场 对矿压显现的宏观现象进行观测和记录，同时利用 各种仪表 、工具观测采场 围岩变形 、位移 、顶底板 破坏 、 支架受载及压缩等。然后从动态分析研究中 得出对采场矿压显现有 明显影 响的岩层运 动的条 件 、时间和方向以及采场周围支承压力的分布变化 状况 ，为解决现场矿压控制问题 ，例如 ，工作面顶 底板状态 、来压 “ 预测预报 ” 、支护设计 和支架选 型 ，巷道位置选择 ，开采程序安排等提供依据。 由于现场观测获得的资料反映的是多种 因素综 合作用下动压与支护间的互动作用 ，故利用这种资 料论证分析问题较为可靠 ，收效显著 ，越来越为生 产现场认可和采用。此外 ，这种模式有利于工程技 术管理人员直接接触和参与矿压研究工作。 1 现场矿压观测研究的 目的和内容 1 ． 1 现场矿压观测研究的目的 1 了解各特定开采方式下 的采场上覆岩层 运动范围、条件 和时间，加强工作面顶板控制。其 中包括 了解 工作 面顶 底 板状 况 破 碎、离 层 、 局部冒落等 ；进行工作面来压预测预报 ；了解采 场矿压控制对 象的范 围，工作 面支柱实 际支撑能 力 ，支柱支架对顶板 的相互作 用及合理 支护强度 密度的确定；实行顶板科学管理 ，掌握好 支架 在峰压值来临之前的及时推移前进 ，实现安全高效 生产 ；支架运行工况的可靠性 ，发现和了解支架密 封性能 、漏串液 、倾斜 、空顶等隐患 的存在；了解 锚网索对采空区顶板垮落的影响情况。 2 预测采场巷道在开采动压作用下顶底板 [ 收稿 日期 ]2 0 0 7 0 91 8 [ 作者简介 ]汤建泉 1 9 7 0一 ，男 ，湖北武汉人 ，工程师。 和内外帮变形位移规律，进行合理的巷道矿压控制 和支护设计。其 中包括 开采动压峰值诱发顶板锚 杆索载荷分布变化规律 ，以及锚网索构成的组合拱 在经受动压作用后而发生的动压反应 ，使拱 的作用 逐渐变弱 ，甚至转变为悬 吊梁变化过程的现象 、规 律 相关参数 ；峰值动压对底板的作用与传播规 律及有关参数 ；在搞清支承压力分布变化规律的基 础上 ，为合理的进行工作面超前维护，确定巷道开 掘位置和时间，护巷煤柱尺寸的留设及开采程序等 控制设计提供依据 ；工作面开采动压的动力影响范 围，如工作面距离与顶板沉 降离层之 间的关系 函数关 系 ；了解 由掘进 引起 的 围 岩松 动 深度 范围及特征。 1 ． 2 现场矿压观测研 究的手段和 内容 现场矿压观测的主要 目的是了解 由采动动力引 起的采场上覆岩层运动所导致的矿压现象 ，其观测 手段应包括除了人的经验视觉观测外 ，主要利用先 进的矿压测试仪表进行观测。 仪器观测能够对矿压现象进行定量的描述 ，从 而更深刻直接地揭示和记录矿压现象的规律。矿压 仪器主要包括监测位移 、变形 和监测压力两大类。 监测过程是在采场推进状态下获得 的矿压显现参 数 ，依据这些参数 ，作为分析研究问题的基础 随 采场推进超前巷道不同位置处的顶底板相对移近量 和移近速度 ，以及距工作面距离 与矿压显现参数 之间的位置关系或函数关系；工作面顶板下沉量、 下沉速度与工作 面距离 之间的关 系；支架支柱荷 载量与顶板周期来压之间关系，以及与采空区顶板 垮落之间的关系。 71 维普资讯 总第8 0期 煤 矿 开 采 2 0 0 8年第 1期 2 现 场 矿 压 观 测 研 究 工 作 的 组 织 般 应 j 芙 2 ． 1 测前准备 宜。测工应经过适当的培训教育，学习矿压理论知 1 制定观测计划 在熟悉 和了解工作 面地 识和矿压观测方法 ；明确矿压观测的 目的、任务及 质资料和生产技术条件的基础上， 分析预计观测工 观测的要求；熟悉仪器的构造、 性能、工作原理和 作中可能遇到的问题，制定具体的观测计划，做好 安装方法，能正确地操作使用、读数和迅速排除故 监测仪表的使用安装与记录的准备工作 ， 包括观测 障。 目的、内容和方法、观测要求 、测区布置 、工具和 3 常用矿压测试仪器 、仪表如表 1 。 操作、人员配备和组织领导等。 4 常用数据分析处理软件如表 2 。 表 1 矿压观测常用测试 仪 仪器名称 用 途 顶 板 离 层 仪 薷 霉 被 蔷 喜 霍 室 嚣 罕 移 量 的 专 业 监 测 仪 器 ， 主 要 适 用 于 采 用 锚 杆 支 护 的 巷 道 顶 板 以 及 测力锚杆 配二次仪表 监测井 F巷道围岩 、工作煤体 内部应力变化 ，分析岩体 、煤体 内部应力作用的有效检测手段 。 多 点 位 移 计 墨 覆 翟 罱 竿 发 生 位 移 量 的 专 用 仪 器 主 要 适 用 于 采 用 锚 杆 、 锚 索 支 护 的 巷 道 顶 板 以 及 需 测 单体支柱压力检测仪 压力盒 单体液压支柱维修后的性能检测，井下支柱、棚架等各种压力检测。 液压支架测力仪 机YH 械Y 嚣 ； ； 毒 用 于 检 测 支 架 、 单 体 支 柱 的 工 作 阻 力 ’ 实 时 检 测 并 显 示 当 前 压 力 ’ 是 替 代 矿用手持 采集 器 井下红外采集液压 支架测力仪 的数据 ，并带至地面传给上位机进行处理。 顶底板比压仪 测量巷道 、工作面底板抗拉强度 。 顶 板 动 态 测 量 仪 篥 翥 曩 惹 藿 鲁 作 面 内 受 采 动 影 响 发 生 的 顶 底 板 移 近 量 、 移 近 速 度 ’ 进 行 采 场 锚杆 索 应力测力计 监测锚杆 、锚索外端受力 拉张力 情况 ，对支护质量进行监控。 快速锚杆拉力计 测定锚杆锚固力，体积小、重量轻、携带方便， 操作简单、安全。 锚杆 索 全程测力 与测 力锚杆 索 配套使 用 ．连续记 录 、存 储岩 层不同应 力变化 ．计 算机数 据分析 ．曲线、报表输 自动记 录仪 出、打印等 。 矿压观测数据处理系统 顶板离层数据处理系统 顶底板移近量数据处理系统 综采支架压力检测数据管理系统 处理 由红外采集器采集到的 Y H Y- 6 0型测力仪存储一段时 间内支架 、支柱的工作 阻力 ，红外采 集器直接通过 2 3 2接 口与计算机通讯 。 绘制顶板离层动态变化曲线 ，分析 覆岩层离层运动情况。 绘带 JJ 顶底板移近量动态变化曲线，分析上覆岩层运动 、来压情况 。 支架工况监测 ；压力分布直方图；支架受力分析 、曲线报表输 出。 2 ． 2现场 观 测 一 般情况下采面矿压观测有长期连续性观测和 专题研究性观测。长期连续性观测是从开切眼起 ， 对工作面矿压显现进行连续观测 ，期间要经历初次 来压和周期来压。长期连续性观测一般用于对采场 上覆岩层运动和矿压显现规律的全面了解或顶板来 压对安全生产 的威胁 ，而必须坚持来压预测预报。 专题矿压观测往往是为了查明影响工作面矿压显现 的因素或研究 某个单项 问题 ，往往需进行专题 观 测。如采用新的采煤方法、新水平的首采工作面 等，要搞清工作面推进速度对工作面矿压显现的影 响；割煤 、回柱移架对顶底板移近速度的影响；了 解采场支架 柱 的实际工作状况 如 支架柱 的 工作阻力 、初撑 力以及支架柱 的 自身液压系统情 况 ，支架失稳及顶板破碎 ，台阶下沉以及 冒落的 7 2 原因或进行采场来压 “ 预测预报”等。 2 ． 3 观测成果的应用 矿压观测 的过程也就是成果应用的过程。在矿 压观测过程中，要及时整理资料并进行分析研究， 总结矿压显现的变化规律 ，及时 向有关部 门 如 调度室、总工程师、工区等提供 “ 信息” ，要建 立矿压检测资料简报编写制度 ， 使矿压观测成果及 时转化为生产力，为安全生产提供支持与保障。 3矿压观测方案 综采 面一般需要进行以下几方面的矿压观测 工作面矿压显现参数 支架 柱阻力、来压步 距 、强度 ；巷道超前支承压力 ；巷道顶板离层观 测 ；巷道两帮变形量与顶底板移近量 ；巷道锚杆受 力状况监测 。下面以综采面为例说明矿压观测的一 维普资讯 汤建泉等 现场矿压观 测方案设 计 2 0 0 8年 第 1期 般方案。 某工作面煤层倾角为 l 3～2 3 。 ，平均倾角 1 8 。 ， 主采 3煤 ，条带状 ，块状结构 ，参差状断 口，性脆 易碎 ，内生裂隙较发育。煤层厚度 6 ． 5 8 ． 3 m，平 均厚 7 ． 5 m，属稳定 的厚 煤层。硬度系数 f1 ． 5 ， 属于中硬煤层。煤层顶底板情况见表 3 。 表 3 煤层顶底板特征 3 ． 1测区布置 根据实际需要 ，现在 回采工作面及运输巷共布 置 5类矿压测区，测区布置图如图 1 。 图 1 综采面石 厂 压观测测 区布置 1 工作面支架工作 阻力测区 I 分别在 工作面两端头和中部设 3个测区 ，支架上安装红外 传输压力监测记录仪。为了提高综采支架工作阻力 监测 自动化程度 ，采用山东科技大学中天电子有限 公司生产的已有成熟的技术和产品 Y H Y 一 6 0型液压 支架测力仪及相应 的计算机监测系统 ，硬件部分主 要包括监测主机 、压力分站、采集器 、通讯适配器 等组成。系统可对支架阻力进行连续监测及数据存 贮 ，通过红外通讯适配器将数据传送到计算机 ，实 现对支架工作阻力的 自动整理和分析 ，形成工作面 压力图表。 2 工作面巷道超前支承压力测 区 Ⅱ 对 轨道巷超前支护支柱，采用红外传输 Y H Y 一 6 0 B型 液压支柱测力仪 ，检测单体支柱工作阻力。超前工 作 面 3 5 m，7 0 m，1 0 5 m处支柱安设 3台仪器 ，该 3 台仪器安装在中间两路的单体支柱上。 3 巷道顶板 离层观测 区 Ⅲ 在工作面轨 道巷超前工作面 3 5 m，7 0 m，1 0 5 m处设 3个 观测 站 ，分别在顶板安装顶板离层指示仪 ，检测顶板离 层量。 4 巷道 两帮变形量与顶底板移近量观 测 区 Ⅳ 在工作面轨道巷 内布置 2个巷道表面位移 测站，监测工作面前方 7 0 m，1 0 5 m处受超前采动 压力影响时巷道的变形破坏特征 ，为工作面超前支 护及煤巷锚杆 设计提供依 据。采用 十字布点 法观 测 ，安装测力计和顶板动态仪。 5 巷道锚杆受力状况监测 区 V 在工作 面轨道巷超前工作面 7 0 m，1 0 5 m处设巷道锚杆受 力状况监测区，在巷道顶板锚杆和两帮锚杆上都安 装锚杆测力计 ，实施检测锚 杆受力状况及 变化规 律。 3 ． 2 数据采集、处理和分析 3 ． 2 ． 1 数 据 采集 、处理 1 液压支架工作 阻力 采用手持式红外数 据采集器采集数据 ，之后将数据传送到计算机中 ， 通过相应的软件 自动处理后，计算机 自动输出工作 面支架工作阻力变化图表。 2 工作 面超 前 支承 压 力 采 用 红 外传 输 Y H Y． 6 0 B型液压支柱测力 仪 ，检测支柱支撑压力 ， 采用手持式红外数据采集器采集数据，之后将数据 传送到计算机中，通过相应的软件 自动处理后 ，计 算机 自动输 出工作面支架工作阻力变化图表。了解 工作 面超 前 支 承 压力 的变化 规 律。如 果 不使 用 Y HY ． 6 0 B型液压支柱测力 仪，则需要手工将观测 数据记人表 4中，然后再进行处理。 3 巷道顶 板 离层观 测 采用在顶板安装顶 板离层指示仪检测顶板离层量及其变化 ，每 日读取 一 次数据 ，从而分析顶板离层变化情况 。如果使用 顶板离层数据处理系统 ，则需要将数据直接输入计 算机中，系统将自动处理数据并绘制顶板离层位移 曲线 图。 4 巷道 两帮 变形量 与顶底板 移近量观测 使用顶板动态仪进行观测 ，使用顶底板移近量数据 处理系统 ，则需要将数据直接输入计算机中，系统 将 自动处理数据并绘制移近量曲线图。 3 ． 2 ． 2 数据分析 通过此工作 面开采过程 中进行常规的矿压监 测，包括支架工作阻力、顶板冒落特征、巷道表面 7 维普资讯 总第8 0期 煤 矿 开 采 2 0 0 8年第 1期 位移观测等 ，得到了工作面顶板运动规律及矿压显 现特点 ，对支架适应性进行评价。 1 需控岩层 范围 直接顶厚 1 0 ． 2 5 m，主要 由粉砂岩和细砂岩组成 ；基本顶 由 1 个岩梁构成 ， 岩层厚 1 2 ． 9 8 m，由坚硬的中砂岩组成。 2 顶板运动规律 在工作面煤岩赋存条件 下 ，直接顶初垮步距为 1 6 m，基本顶初次来压步距 3 0 ． 2 m，周期来压步距平均 为 1 9 ． 2 m；由工作 面上 部 至下部来压步距基本依次减小 ；工作面各部位来 压不同步，上部来压较晚，下部较早，存在明显的 分段初次来压现象；对采场顶板进行了分类，工作 面顶板属中等稳定顶板，基本顶为 Ⅱ级，来压明 显；采高对顶板沿厚度方 向的组成也有一定影响 ， 采高加大后 ，直接顶 冒落厚度加大 ，基本顶处于更 高的层位上。由于直接顶垮落后形成的厚松散垫层 的作用 ，基本顶运动对工作面矿压显现影响程度减 轻 ，这可从 支架阻力 分布规 律上 明显 的 “ 感 觉” 出来。 3 支架阻力分布及运行特征 通过 对支架 前后柱 、整架阻力频率分布规律分析 ，支架与顶板 适应性并不理想。后柱阻力偏低 ，经常出现后柱不 受力 ，这对顶板控制是十分不利 的，其原因是多方 面的有顶煤的力学性质 ，支架架型、操作及管理 等多方面的原因。研究发现，前柱支架阻力总体上 呈近似的正态分 布，初撑力在 2 0～3 0 MP a之间 占 5 8 ． 3 ％ ，大于额定初撑力的 占2 ． 4 ％ ，支架初撑力 稍偏低。工作阻力在 2 0～ 3 5 MP a之间的占7 3 ． 5 ％ ， 3 5 MP a以上只有 2 ． 5 ％。但后柱支撑力偏低 ，并且 不均匀 ，前后阻力相差较大。 据实测资料统 计分析 ，现行支架 工作 阻力 为 6 2 0 0 k N能满足生产需要。 4 巷道超前压力显现规律 对工作 面胶运 巷进行 了表面位移观测 ，巷道总体变形量小 ，两帮 变形量大于顶底 板变形量 ；巷道在 2 5 m处 已经受 到采动影响，但在 1 5 m以外采动影 响的程度很小 ， 显著影响范围在 1 0 m左右，巷道压力峰值在 4～ 5 m处 ，因此工作面超前 3 0 m加强支护是合理的。 4 矿压技术管理总结 矿压观测工作通常是在一个阶段或时期 内完成 的，因此矿压观测工作结束后应及时写出矿压技术 管理总结报告，报告形式可详、可简，对于日常进 行的矿压观测工作，在全面分析观测资料的基础 上，简明扼要地列出存在的问题及几条结论和改进 建议就可以，也可以以季度为时间单位，以工作篱 报为写作形式提交总结报告。矿压观测报告需要包 括以下几部分内容观测的内容、目的和方法 测 区地质和生产技术条件；测区布置；观测结果分 析；结论和建议。矿压观测与研究报告的写作形式 是多样的， 详与简的形式取决于写出的总结规测研 究报告的用途， 但要体现出问题、结论、 建议。 矿压观测报告要有严密的科学性和明确的针对 性，同时对新发现的问题可以进行大胆探讨，阐明 自己的见解和学术观点。所谓科学性 ，就是对所获 得的全部观测数据用概率论和数理统计的方法进行 处理 ，不得随意取舍或按错误的方法整理分析 所 谓针对性，就是要根据本次观测的具体内容、目的 和所使用的仪器，对取得的成果进行实事求是地总 结 ，得出本工作面或巷道所特有 的矿压特征和顶板 控制方法及改善途径 。 5结束语 矿压观测技术在煤炭生产中具有重要的作用。 对采煤工作面和井巷进 行矿压观测 ，根据岩层 性 质 、 顶板压力、顶板下沉量和下沉速度、 放顶步 距 、周期来压等数据 ，逐 步摸清本矿 区的矿压规 律 ，制定本矿区的顶板分类标准 ，为采 区设计 、巷 道布置、设备选型、支护设计、顶板控制提供依 据。 利用现代电子技术和产品进行矿压观测 ，可以 及时准确地收集到需要的数据，同时应用计算机软 件进行相应的数据处理，能极大地提高工作效率和 分析结果的准确性。因此 ，应该在大力推广矿压观 测的同时，也要推广现代矿压检测技术，促进煤炭 生产的安全高效 。 [ 参考文献] [ I ]钱鸣高，石平五 ． 矿山压力与岩层控制 [ M]． 徐州中国矿 业 大学 出版社 ，2 0 0 3 ． [ 2 ]蒋福兴，等 ． 矿压控制设计 [ M]． 徐州中国矿业 学班版 社 ．1 9 9 6 ． 【 3 ]宋振骐 ．实用矿山压力控制 [ M]．徐州 中国矿业 太学出版 社，1 9 8 8 ． [ 责任编辑邹正立】 7 4 维普资讯