急倾斜中厚煤层综采工作面矿压在线监测技术.pdf

2020 年 26 期技术创新 科技创新与应用 Technology Innovation and Application 急倾斜中厚煤层综采工作面矿压在线监测技术 周忠国， 程长勇， 张孟军 （四川省华蓥山煤业股份有限公司绿水洞煤矿， 四川 华蓥 638601） 绿水洞煤矿综采工作面矿压观测传统方法为 一是在 工作面每间隔 10 架综采液压支架安装一个综采支架压力 连续记录仪， 对顶板压力进行监测， 每 5 天由矿压工采集 一次数据并绘制双测点综采支护压力变化曲线直方图 进行分析， 出现压力不足现象及时安排调整泵压， 确保支 护强度； 二是在机、 风巷距工作面 100m 各安装一台顶板离 层仪， 对机、 风巷顶板位移量进行观测， 每隔 5 天对数据进 行观测和统计， 并进行分析处理； 三是采用 “十” 字布点法 在机、 风巷设置巷道变形收敛观测站， 每隔 10 天进行数据 观测和统计， 并将观测数据进行分析处理， 若巷道出现明 显变形或数据变化较大时，立即汇报及时采取措施处理。 矿井采煤工作面顶板矿压观测较为传统， 压力连续记录仪 常因出现故障未及时得到维护而造成无法采集数据，机、 风巷安设的顶板离层仪因安设质量差或在运输过程中受 碰撞损坏时， 造成顶板离层数据监测不连续， 对后期数据 分析不利， 而采用设立矿压观测站的方式布置测点， 实施 人工监测， 产生的误差较大， 且对矿压观测站的保护要求 比较严格， 一旦测站被破坏则导致数据监测中断， 就失去 监测意义， 达不到预期的效果。为进一步提升矿井顶板管 理水平， 及时掌握矿压显现， 提高顶板灾害防治能力和实 现超前预警， 再加之矿压监测是矿井安全生产标准化建设 和生产技术管理的一项十分重要的基础工作， 是促进煤矿 安全生产的重要手段， 对优化采煤工作面支护设计、 搞好 顶板控制、 减少顶板事故具有重要意义， 因此， 在综采工作 面实施矿压在线观测尤为必要。 1 监测方案 1.1 工作面顶板压力监测 采煤工作面每隔 5 架布置一个监测点， 每架液压支架 监测左右柱两个压力测点。压力监测分站均匀布置， 分机 固定安装在液压支架顶梁下面， 工作面通讯电缆采用吊挂 式安装，压力分机的 1、 2 压力通道采用 KJ10 高压油管与 综采支架的左右立柱连接， 第 3 通道与支架平衡千斤顶或 前探梁油缸连接。通讯分站通过一条防护式电缆与工作面 压力监测分机连接， 工作面推进时通讯分站及电源、 电缆 一起移动。 1.2 工作面巷道顶板离层监测 在采煤工作面机巷、风巷各选三个监测站进行监测， 对矿压显现不明显地段采用普通方式人工监测， 离层传感 器安装在巷道顶板中央， 每个围岩移动传感器有两个位移 基点 （深浅基点监测范围 0耀20m， 具体安装深度需根据现 场地质及支护条件确定） ， 实时监测巷道顶板离层情况。数 据通讯分站连接巷道各顶板传感器和锚杆、 锚索应力传感 器， 构成二级总线上下位监测关系， 离层传感器与锚杆应 力传感器共用一条总线连接， 每个传感器有唯一的地址编 码， 通讯分站控制巡测每个传感器的数据， 分站显示和存 储数据并将数据发送到上位监测主站。 1.3 锚杆 （索） 应力监测 锚杆锚索传感器安装在巷道顶板中央， 实时监测顶板 锚杆 （索） 载荷， 锚杆 （索） 应力传感器与变送器一体化设 计， 设备可随时回收使用， 继续往推进方向安装， 保证锚杆 锚索传感器与离层传感器交错布置。机巷布置 3 个监测 点， 风巷布置 3 个监测点， 共需 12 个锚杆 （索） 传感器。锚 杆 （索） 传感器配套总线变送器工作， 固定设置变送器编 码。传感器输出标准的电压信号， 变送器由 CPU 控制监测 摘要 针对原矿压观测存在的问题， 通过在急倾斜中厚煤层综采工作面实施矿压在线观测和分析， 提高工作效率， 增强矿压监测 真实性和连续性， 通过对矿压在线观测各项数据与工作面瓦斯涌出量进行综合对比分析， 初步掌握了工作面顶板动态压力变化与瓦斯 涌出量变化关系， 为提升矿井顶板灾害防治能力和实现顶板灾害超前预警具有重要意义。 关键词 急倾斜； 矿压； 在线 中图分类号院TD326文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2020冤26-0146-03 Abstract In view of the problems existing in the original ore pressure observation, we implemented online observation and anal鄄 ysis of rock pressure in fully mechanized mining face of steeply inclined medium-thick coal seam, therefore the work efficiency was improved, and the authenticity and continuity of rock pressure monitoring were enhanced. The comprehensive comparison and analysis of the data and the gas emission of the working face has initially grasped the relationship between the dynamic pressure change of the roof of the working face and the change of gas emission, which is of great significance for improving the ability of mine roof disaster prevention and achieving the disaster early warning of mine roof. Keywords steeply inclined; mine pressure; online 作者简介 周忠国 （1985-） ， 男， 本科 （管理学学士） ， 采矿工程师， 生产技术科副科长， 研究方向 采矿、 科技管理和项目管理。 146-- 2020 年 26 期技术创新 科技创新与应用 Technology Innovation and Application 传感器输出信号。传感器内置总线接口连接到 RS-485 总 线， 传感器收到总线请求发送数据指令时， 自动将数据发 送到总线。锚杆监测传感器、 变送器上位连接到综合数据 通讯分站， 每台综合数据通讯分站最大可连接 128 台传感 器， 每台变送器有唯一的地址编码， 通讯分站按地址编码 顺序巡测各锚杆传感器变送器的数据， 循环显示各测点的 数据。通讯分站可诊断并显示下位锚杆应力监测传感器、 变送器的工作状态 （正常/故障） 。 1.4 围岩应力监测 在采煤工作面机、风巷各选三个监测站进行监测， 在 机巷中间位置， 设置一个围岩应力测站， 按照每隔 5m 布置 安装孔深为 6m、 8m、 10m 的 4 个围岩应力传感器；在风巷 中间位置， 设置一个围岩应力测站， 按照每隔 5m 布置安装 孔深为 6m、 8m、 10m 的 4 个围岩应力传感器，实时监测采 动影响范围及超前、 侧向支承压力演化特征。 1.5 工作面瓦斯浓度监测 在工作面回风巷距采煤工作面煤壁臆10m 处设置 CH4 传感器 T1；在工作面回风巷距回风汇风点 10耀15m 处设置 CH4传感器 T2； 在工作面上隅角设置 CH4传感器 T0、 在三 站进风侧 3耀5m 处设置 CH4传感器；在工作面避难硐室内 安设 CH4传感器； 在工作面进风侧距工作面煤壁臆10m 处 设置 CH4传感器 T3； 采煤机设置车载式 CH4断电仪或便携 式 CH4检测报警仪； 监控分站安装在大巷、 变电所内， 并对 向该采煤工作面供电的电源开关进行闭锁， 分站电源取自 被控开关的电源侧， 严禁接在被控开关的负荷侧； 被控开 关的负荷侧安设馈电传感器， 对被控开关供电状态进行监 测。 2 试验地点概况 在绿水洞煤矿 3251 南采煤工作面开展工业性试验。 3251 南工作面位于田湾向斜西翼350m 水平 325 采区， 为 一单斜构造区域， 工作面上部为 5633 工作面 （2003 年已回 采结束） ， 下部为尚未开拓， 北边为 3251 北工作面 （已回采 结束） ， 南面为 350 东大巷， 工作面机巷走向长度 913m、 风 巷走向长度约 900m，倾斜长度 148.0m耀208.4m，斜面积 109602.14m2， 地质储量 55.43 万吨， 可采储量 52.65 万吨， 工作面机巷标高370.2耀380.7m，风巷标高485.5耀 525.6m。该工作面煤层为半暗半亮型焦煤、 焦肥煤， 呈玻璃 光泽， 硬度系数 4耀5， 煤层平均厚度约 2.6m。 3251 南采煤工 作面共有 106 架液压支架，每隔 5 架布置一个监测点， 每 架液压支架监测左右柱两个压力测点，共监测 21 架液压 支架的 42 个压力测点。 3 实施效果 （1） 采用顶板动态监测系统， 利用矿区已建立的计算 机网络平台， 将工作面顶板动态监测系统中的液压支架工 作阻力监测系统、 顶板离层监测系统、 锚杆 （索） 应力监测 系统等各项子系统集成在一个界面上， 方便查看及统计分 析。 （2） 顶板动态监测系统建成后， 可 24 小时不间断将监 测数据实时传输到地面监控信息平台上， 通过信息平台综 采液压支架的压力曲线数据、 顶板离层曲线、 锚杆 （索） 应 力曲线等显示， 能及时掌握和分析工作面顶板在开采过程 中受力变化运动的规律， 以及及时解决现场存在的问题。 （3） 通过矿压在线监测系统中综采液压支架的压力监 测数据分上、 中、 下三段进行对比分析， 并结合现场实际情 况， 通过观测某一个周期来压后， 进行数据分析， 预测了下 次和再下次的周期来压， 周期来压步距与实际误差仅为 2耀 3m， 基本能得出工作面周期来压步距在 25耀35m， 周期来压 时， 工作面持续距离为 5耀8m。通过对数据及曲线分布图分 析， 工作面周期来压步距的大小和矿压显现程度与工作面 的采高、 推进速度、 上覆基岩厚度有很大的关系。周期来压 具有分布的不均衡性和来压的不同步性。工作面中上部周 期来压显现较为明显，工作面 30液压支架以下周期来压 显现不明显， 工作面周期来压不同步， 有的区域先来压， 有 的区域后来压， 但来压的持续距离大致相等。通过对机风 巷顶板离层仪和锚杆 （索） 支护应力监测数据分析， 工作面 顶板下沉速度及顶底板移近量变化较小，顶板离层量小， 最大为 20mm/周， 随着工作面的推进， 压力逐渐前移， 工作 面上出口向前 20m 范围内压力最大， 底鼓较大， 平均底鼓 量为 300mm/周，以至于造成工作面风巷超前和上出口范 围巷道变形量大。 （4） 工作面出现周期来压期间， 在工作面上隅角设置 CH4传感器 T0的数据存在增大的现象，平均增大在 0.1耀 0.2，在工作面回风巷距采煤工作面煤壁臆10m 处设置 CH4传感器 T1的数据在周期来压前后也不同程度的增大， 平均增大在 0.2左右， 而距工作面煤壁较远， 在工作面回 风巷距回风汇风点 10耀15m 处设置 CH4传感器 T2传感器 数据变化不大。 （5） 通过将 3251 南采煤工作面顶板动态监测数据曲 线图与工作面瓦斯动态监测数据曲线图进行实时性节点 性的观察和对比分析， 工作面出现周期来压期间， 工作面 瓦斯浓度稍有提高， 瓦斯浓度的增幅不大， 瓦斯浓度增大 趋势时间略滞后于工作面综采支架压力增大趋势时间， 因 此， 在工作面周期来压前后一两天， 适当调增工作面配风 量、 增大工作面综采液压支架初撑力以及降低工作面割煤 速度等， 实现瓦斯不超限报警。 4 结束语 （1） 综采工作面液压支架在推移过程中难免要降架， 线 缆与压力监测分站连接处易松动造成接触不好，架间容易 掉矸砸伤监测线缆， 特别是上下出口段， 需要对通信线缆和 设备设施进行保护， 该穿管的必须穿管予以保护， 日常必须 加强压力监测分站连接位置牢固性检查。 （2） 采用两立柱液压支架的综采工作面可采用压力监 测分站无线传输方式， 减少工作面线缆多易被砸伤及影响 现场标准化的问题，由于两立柱液压支架后腔空间较大， 压力监测分站不易受到干扰， 信号传输较易实现， 可间隔 5耀7 架液压支架安设压力监测分站。 渊下转 149 页冤 147-- 2020 年 26 期技术创新 科技创新与应用 Technology Innovation and Application 参考文献院 [1]张德亮， 王飞飞， 李兵， 等.浅谈矿压在线监测技术的应用[J].世 界有色金属， 2018 （05） 269271. 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[8]王冬生， 潘玮炜， 张克.基于振弦式传感器的矿压在线检测系统 的研究[J].煤炭工程， 2009 （04） 110-112. 施工前期的勘察过程为后期的施工设计提供基础依据， 会进行基坑土体取样分析， 但是现阶段的深层基坑施工土体 取样存在的问题是 取样具有较强的随机性和片面性， 因此 在实际的施工设计过程中相关数据的参考性低， 导致在实际 施工过程中会因为土体取样的问题发生施工问题， 延误工期 的同时给工程质量的保持带来了较大的负面影响。 2.2 对于空间效应的影响计算不明确 深基坑开挖是深基坑施工主要的施工流程之一， 通过对 实际案例的研究分析可知，在深基坑开挖后周围的地质结构 会随着时间的推移产生一定的变化，常见的变化有四周向中 间的位置位移， 这样的行为会造成中间大两边小的状况。 深基 坑在施工过程中居中位置发生变化不仅会对周围的边坡产生 一定的负面影响， 而且会对建筑工程的稳定性造成影响。 2.3 受力计算与实际需求有较大的差异 基坑施工设计过程中，前期的勘察数据使用过程中的 计算取值过程中主要的参照是理论性较强的平衡理论， 实 际的施工过程中基坑支护结构的受力计算取值与理论取值 之间存在着一定的差异。因为在设计过程中所使用的极限 平衡理论取值的基础计算前提是完全安全的状态下进行 的，但是实际的深基坑支护施工过程中会受到各种外力因 素的影响，这也是形成设计取值与实际取值存在较大差异 的主要原因之一[2]。 3 深基坑地下连续墙支护施工的质量控制要点 深基坑地下连续墙施工在实际的施工过程中因为施工 环境的复杂性和施工流程的复杂性导致在施工过程中任何 环节性的失误都会对后期的施工质量造成一定的负面影响， 影响建筑工程稳定性和安全性的同时， 给施工企业带来较大 的负面影响， 不利于企业的健康可持续发展。因此施工单位 在认识到深基坑施工重要性和施工质量不合格的危害后通 过各种措施来强化施工过程中的质量控制， 保证施工质量的 同时为企业的健康可持续发展提供基础保障， 以下是常见的 质量控制要点分析 3.1 开挖土方的质量控制要点 深基坑支护的施工过程中， 基坑开挖是技术的前期施工 流程， 在施工过程中基坑开挖不仅会造成原状施工环境中的 平衡被破坏， 而且在施工过程中不当的开挖行为增加施工风 险的同时会导致安全施工的发生率提升。 因此在深基坑的开 挖过程中要遵循 “开槽支撑， 先撑后挖， 分层开挖， 严禁超挖” 的基础施工原则， 深基坑的开挖过程中采用分层开挖的方式 不仅能够减少每一步开挖后基坑的暴露时间， 而且可以降低 因为暴露时间过长各种不良安全事故的发生率， 为深基坑的 施工安全提供基础保障[3]。 3.2 地下连续墙的质量控制要点 地下连续墙作为现阶段在深基坑施工过程中被广泛应 用的基础施工技术， 施工过程中要注意以下施工要点 （1） 选择挖槽方案的过程中以地质条件作为基础的选择 依据。 （2） 合理的划分槽段， 降低墙体位移和变形等不良事故 的发生率。 （3） 钢筋笼吊装要保证钢筋笼的整体刚度， 科学的 编制吊装方案， 应在钢筋笼内布置 2-4 道纵向钢筋桁架及主 筋平面的斜向拉筋。 3.3 深基坑的监测要点 深基坑作为地下施工， 各项施工流程对于周围的地质变 化有着直接影响， 因此在实际的施工过程中要加强对施工现 场的检测， 降低施工过程中周围地质变化对施工流程造成影 响等不良事件的发生。 很多施工企业在认识到基坑施工重要 性的同时对于施工检测还存在着重要性认知不明确的现象， 企业在加强对深基坑施工检测重要性认知的同时要加大对 相关工作的投入， 让科学的检测数据成为施工安全的基础保 障。 3.4 基坑降水的控制要点 基坑降水是指在开挖基坑时，地下水位高于开挖底面， 地下水会不断渗入坑内，为保证基坑能在干燥条件下施工， 防止边坡失稳、 基础流砂、 坑底隆起、 坑底管涌和地基承载力 下降而做的降水工作。 基坑降水常用的控制方式有明沟加集 水井降水、 轻型井点降水、 喷射井点降水、 电渗井点降水、 深 井井点降水等方式， 施工过程中需要基坑降水现象要根据实 际情况进行控制方式选择。 参考文献院 [1]王扶平.建筑工程深基坑支护施工技术案例的思考[J].住宅与房地 产， 2019 （33） 183. 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