KJ21型顶板动态监测系统在恒晋煤业顶板管理中的应用

KJ21型顶板动态监测系统在恒晋煤业顶板管理中的应用

程东营

（皖北煤电集团临汾天煜能源发展有限公司恒晋煤业 山西临汾 041000 ）

【摘要】 矿压监测是煤矿顶板安全管理的重要手段之一，有助于矿井顶板安全隐患的发现，预防顶板事故发生，保障矿工身体安全健康。早期的矿压监测多为人工采用仪器仪表现场测量观测，但随着矿井开采水平的不断延伸、采面不断延长，存在着测量人员劳动强度大、测量数值不准确、测量周期不稳定、数据采集和整理占用大量时间等诸多问题。矿压在线监测是一种利用科学手段对井下岩层压力变化进行实时监测、监控、数据分析和预警的技术，在煤矿顶板的安全管理中起到着举足轻重的作用。

【关键词】 矿压在线监测；顶板管理；安全管理；顶板压力监测

0引言

随着科学技术的不断进步和煤矿对于安全生产水平要求的不断提高，矿山压力监测渐渐从早期的人工测量观测向实时在线监测不断演化，又从采煤工作面的支架压力实时监测向巷道的矿压实时监测不断延伸。本文以恒晋煤业所使用的KJ21型煤矿顶板动态监测系统为工程背景，通过对动态监测系统的原理和构成、布置设计和再利用、应用效果和发展前景等方面，分析动态监测系统在煤矿顶板安全管理中的应用效果。

1  概况

恒晋煤业是皖北煤电集团下属子公司天煜能源发展有限公司生产矿井，矿井采用立井开拓方式，共设置3处立井，分别为主立井、副立井、回风立井。当前开采水平为+980m水平9+10#煤层，9+10#煤层直接顶、老顶为浅海相石灰岩，深灰色～黑灰色，钙质胶结结构，致密坚硬，岩石以K2石灰岩为主，中下部含泥岩薄层，平均厚11.69m，该层石灰岩抗压强度较大，其抗压强度平均29.6MPa，抗拉强度平均1.3MPa，抗剪内摩擦角35°20′，凝聚力系数3.9，普氏硬度系数9.63，坚硬程度属较硬岩，为难冒落、稳定型顶板。直接底为泥岩，黑色，粉砂质胶结，含大量植物根部化石，厚2.81m。老底主要为11#煤层、泥岩、铝质泥岩、石灰岩、铝质泥岩。

全井田共划分三个采区，为西一采区、西二采区、东一采区，西一采区和西二采区均已回采结束，目前回采的E9105综放工作面位于东一采区东翼，准备的E9104综放工作面位于东一采区准备巷道南翼，一号煤柱综放工作面为掘进工作面，位于西二采区与东一采区之间。2019年，我矿引进了天地科技股份有限公司所生产的KJ21型煤矿顶板动态监测系统，主要布置在主大巷、掘进工作面、回采工作面和准备工作面。当前在主轨道巷、主运输巷、东一轨道上山、东一运输上山、一号煤柱综放工作面、E9105综放工作面、E9104综放工作面布置。

2  煤矿顶板动态监测系统的原理与构成

煤矿顶板动态监测系统的基本原理是利用物理传感技术对矿山内部的压力变化进行监测分析。通过实时、在线监测液压支架工作阻力、超前支承压力、煤柱体应力、锚杆（索）工作载荷、巷道变形量等变化，记录和分析顶板来压规律，预测、预报顶板来压情况，有利于矿井及时采取有效措施，防患于未然。

煤矿顶板动态监测系统主要由传感器、监测分站、信号转换器、网络交换机、地面监测终端几个方面构成，如图1所示。传感器主要包含有支架记录仪、围岩移动传感器、锚杆测力计、锚索测力计等。

图1KJ21型煤矿顶板动态监测系统结构示意图

监测分站和它所连接的各类传感器可以构成独立的子系统。传感器在采集压力数据处理后，将数据通过二级CAN总线传输至监测分站，由监测分站将汇总后的数据通过一级CAN总线传输至信号转换器，信号转换器在对数据处理后通过光纤将信号传送至网络交换机，最后经工业以太环网传导至地面监测终端的后台采集软件，最终在终端上预警平台中显示后再通过Internet网络上传到上级公司，如图2所示，监测数据通过计算机、手机APP等方式查阅。

图2顶板灾害监测预警平台

顶板灾害预警平台具备区域设置、传感器设置、预警值设置、数据图形显示、列表显示、在线分析等功能，如图2所示，具备历史数据查询及报表输出等功能，报表中含有压力云图、压力柱状图、压力分布图、传感器工况分析、整体评判和顶板管理建议等内容，可以对各巷道、工作面压力变化进行科学、系统的分析，如图3所示。

图3E9105工作面支架压力工作阻力简报

3  监测系统的布置设计和再利用

为提高监测系统各地点监测分站数据处理的效率，确保区域监测数据的独立性，防止数据流间的相互侵扰，在各工作面的回风顺槽和运输顺槽口均安设有监测分站，用以串联顺槽内各台传感器；回采工作面内支架压力记录仪则采用单独线路直接进入信号转换器。同时，为了提高数据上传的稳定性，我们根据+980m水平采面布置情况将当前回采的东一采区划分为两个区段，各布置两台信号转换器（一台2019版、一台2021版），采取就近连接原则并联各子系统，不仅有效的缩短了两者间传输距离，而且在安装期间降低人员的劳动强度，为后期运行时的故障排查和处理提供方便。

测点的布置是进行矿压监测工作的前提和高精度监测数据的基础保证，科学合理的监测点布置能够让监测活动更佳高效的获取到准确的监测数据，进而掌握顶板的活动规律，从而更佳精准地制定出防护措施。因此在测点布置时，还需要对测量区域的实际条件进行分析，制定出一条合理的监测路线，复杂条件下还需增设多处测点，确保监测数据的可靠性。为此，对于回采工作面的支架压力监测，我们采用了每隔7架一台传感器的方式布设，如图4所示，辅助每架一台的数显式压力表对工作面支架压力进行日常性观测。顺槽巷道内子系统测点则采用多种传感器交错布置的方式分布，每50m布置一台，如遇巷道口、岔路、转弯和断层、陷落柱等地质异常区则采用加密布置，再辅助机械式矿压监测设施对巷道内岩层压力变化情况进行观测，有效的实现了周期性现场观测和在线日常监测的数据双印证，做到顶板安全管理双预控。

图4 E9105综放工作面及巷道矿压监测示意图

为了更好的实现传感器的重复利用，我们摒弃了围岩移动传感器的原有安装方式，在不影响数据采集的情况下将原先的垂孔直装方式调整为短距离错孔安装，错孔距离一般控制在30mm-60mm，用以将锚爪上连接传感器的钢绞线外露出来，方便日常检查的同时，便于故障件的更换与回收。传感器在经过井下长周期的使用后，会造成一定的损耗，直接报废会造成不必要的浪费，为此我们将确认损坏不能复用的传感器进行拆解，拼装完好部件和主板，在通电调试正常后可以再次投入井下安装使用。

4  应用效果分析

在煤矿顶板动态监测系统的长期运行中，我们多次抽调传感器采集的数值，和临近的机械式监测设施数值相比较，确认两者间的数值变化量基本一致，从而印证了传感器数据采集的准确性，平台系统生成的分析结果能够有效得出数据采集区域的顶板活动规律，为顶板的安全管理工作提供充足的数据支撑。

当然，系统在长周期的运行过程中也会暴露出不足之处。比如，受地表温差变化影响井下环境潮湿，尤其是在夏季容易形成水雾，会对传感器、监测分站等设备的电路板、电子元件会造成侵蚀损坏，从而影响传感器数据的正常采集和监测分站的传输处理；还有，由于子系统内传感器采用无线传输的方式点对点传输，当其中一台传感器出现故障时，容易导致下一级和之后的传感器无法继续向上传输信号，传感器本身会自动加密搜索频次，从而导致电池损耗加剧；诸如此类，如传感器程序丢失、数据传输不畅、预警平台数据处理较慢等问题也在不断与生产厂研发部门的沟通过程中逐步改进和完善。

5  结束语

顶板动态监测系统是将计算机监测技术、数据通讯技术和传感器技术融为一体，实现了在复杂环境下对煤矿顶板压力变化自动监测和分析、预警，同时极大的降低了矿压观测的工作量，提高了观测数据的准确性、连续性和长期性，此外它还具有安全、低能耗、安装便捷和可重复利用等特点，其实用性和可靠性在现场实践过程中得到了广泛的认可，具有广阔应用前景和推广价值。

参考文献：

[1]SHU Lichun.煤矿顶板动态在线监测系统.煤矿安全, 43(10).

[2]白小宗.顶板动态监测系统在煤矿生产管理中的应用.山西焦煤科技 B08(2014):3.

[3]刘豪.矿压监测系统在煤矿安全管理中的应用.机电信息 27(2014):2.