煤矿综采工作面顶板压力在线监测应用及发展趋势

煤矿综采工作面顶板压力在线监测应用及发展趋势（共2篇）

篇1：煤矿综采工作面顶板压力在线监测应用及发展趋势

煤矿综采工作面顶板压力在线监测应用及发展趋势

摘要：在通常情况下，矿压显现会给井下采煤和掘进工作带来不同程度的危害。为了使矿压显现不影响正常的生产工作，必须采用各种技术措施加以控制，因此而进行矿压的监测及管理就显得具有重要意义。此外对矿压的在线实时监测和管理不仅在于消除和减轻矿压显现对井下工作的不良影响，而且可以利用矿压为开采服务。

关键词：综采工作面 矿压 顶板压力在线监测 光纤光栅 1.绪论

煤炭是我国重要的战略资源，研究煤与围岩的压力关系具有重要的实践意义，不仅可以保证井下各项工作顺利进行，而且可以为井下顶板事故的发生进行预警，具有十分重要的安全和经济效益。这篇文章主要是介绍中厚煤层综采工作面上覆岩层移动及矿压显现，以及现阶段该煤矿所采用的矿压监测方法和对未来矿压监测方法的建议。2.采煤工作面上覆岩层移动规律

在煤岩体体内形成回采工作空间（巷道）将引起围岩破碎，其上方岩体的部分重量则由此空间内的支护物来承担，从而形成了对支架的压力（有时是由于围岩变形而形成对支架的压力）。由于这些原因对支架造成的压力，不同于岩体内的矿山压力，可称它为围岩压力或顶板压力。

煤层上方的岩层在开采的影响下，一般在回采工作面前方30~40米处就开始变形。其特点是水平移动较为剧烈，但垂直移动则甚微。回采工作面推过切眼4~8米后，垂直位移急剧增加，但各层位移不尽相同，其特点使越向上越缓慢。当已断裂的岩层重新受到已冒落矸石支撑时，变形曲线又趋于缓和，在此区域内个岩层移动速度的特点是邻近煤层的岩层，其运动速度要缓于上覆岩层。

因此，根据上述特点，如下图，可将裂缝带岩层中相当于A区的部分成为煤壁支撑影响区；而B区则称为离层区，C区则为重新压实区。

ABCA-煤壁支撑区 ；B-离层区 ；C-重新压实区Ⅰ-冒罗带 ；Ⅱ-裂缝带 ；Ⅲ-弯曲下沉带

3.采煤工作面矿压显现规律 采煤工作面的矿压特征主要为初次来压和周期来压。当老顶达到极限跨距而且断裂形成三铰拱式的平衡，随着工作面继续推进，可能形成不同数量岩块的咬合平衡直至其咬合关系不能满足平衡干系为止，此时老顶的失稳将对工作面带来严重的矿山压力显现，这种矿山压力显现称为初次来压。

初次来压之后，回采工作面继续推进，上覆岩层形成的裂隙体梁将遵循着“稳定—失稳—再稳定”这一规律形成有周期性的矿山压力显现，称之为周期来压。在周期来压期间，老顶的作用力使通过直接顶作用到支架上。

因此，在支架上安装矿山压力计对于观测和控制矿山压力显现具有着重要作用。4.矿山压力实时在线监测系统的组成及不足

回采工作面矿山压力显现监测所用的矿山压力计，从早期的机械式圆图仪，到本安型的电子压力计，直至与计算机组成网络系统的矿山压力实时在线监测系统。使得矿山压力的监测和控制得到了非常大的提升。下面将重点介绍一下矿山压力实时在线监测系统的构成与运行原理。

4.1矿山压力实时在线监测系统的组成

现今在市场上存在多种型号的实时在线监测系统，但其组成原理基本相同。本文将以KJ385矿山压力监测系统为例，介绍其系统构成。KJ385矿山压力监测系统构成示意图：

工业计算机KJ385-J矿用本安型信息传输接口KDW28-18矿用隔爆兼本安不间断电源KJ385-F1矿用本安型压力监测主站KJ385-F2矿用本安型压力监测分站（1）KJ385-F2矿用本安型压力监测分站（2）KJ385-F2矿用本安型压力监测分站（3）KJ385-F2矿用本安型压力监测分站（4）KJ385-G矿用本安型压力传感器

由图可见，其整体网络布置为总线式和星形布置相结合，一台KJ385-F1矿用本安型压力监测主站可连接4台KJ385-F2矿用本安型压力监测分站，每台KJ385-F2矿用本安型压力监测分站最多可连接16台KJ385-G矿用本安型压力传感器。主站与分站，分站与传感器之间通过电话线传输信号，主站与传输接口之间可用光纤和电话线传输。整个在线监测系统可对综采工作面液压支架的初撑力和工作阻力进行不间断的实时监测，通过处理软件对所采集的数据进行记、整理、分析。

通过软件记录分析后得出各个支架前柱、后柱、前探梁实时受力分析，如下图表：

根据以上图表，可以查看每个支架的前后柱的当前和历史受力情况，以及初撑力的大小；同时还可以根据图表中的内容进行分析和整理，得出工作面整体的矿山压力分布情况、当班移驾次数以及初次来压步距和周期来压步距等相关内容。

可见，矿压的实时观测对综采工作面的采煤工艺有着监督和指导性作用，不仅对工作面压力的实时分布起到了连续监测，起到了及时预警的作用；同时还可通过分析和整理出来的数据更好地指导采煤工艺和流程。

4.2矿山压力实时在线监测系统的不足和整改方案 4.2.1矿山压力实时在线监测系统的不足

矿山压力实时在线监测系统虽然可以连续地获得综采工作面的矿山压力分布情况，但是此系统的网络多为总线式布置，导致所需传输线路过多。一个长壁倾斜综采工作面长度如果按150米计算，按照KJ385系统的要求，则需要KJ385-G矿用本安型压力传感器100台，KJ385-F2矿用本安型压力监测分站若干台，它们之间所需的信号电缆过于繁复。相对于综采工作面复杂的地质条件而言，对其进行维护和管理将耗费大量的人力和物力，这将是极不经济的行为。

4.2.2矿山压力实时在线监测系统的整改方案 方案一：

鉴于整个工作面全部支架安装实时在线监测系统的可操作性低，可以根据现行条件将现用的本安型电子压力计与实时在线监测系统相结合。在工作面的每条观测线上的支架安装实时在线监测系统，以供提供综采工作面的矿山压力分布变化情况；在其余支架上安装本安型的电子压力计，以便当班工作人员及时观测支架工况和工作面压力情况。方案二：

改进现有的实时在线监测系统，使其网络在传输分站以下部分采用无线通讯方式。只需要在工作面头尾顺槽布置少量的进行无线传输的监测分站，再采用安全的信号波段进行传输，即可满足整个综采工作面每个支架上安装的矿山压力传感器的数据传输问题。5.矿山压力实时在线监测系统的发展趋势

随着近年来光栅技术的发展和应用，光纤传感技术以其特有的优势迅速发展成为一种新兴的光学技术广泛应用于矿山安全监测领域当中。光栅技术是利用外界因素使光在光纤中传播时光强、相位、偏振态以及波长等特征参量发生变化，从而对外界因素进行检测和信号传输的技术。

它与传统传感器相比有着体积小、灵敏度高、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰、可远距离传输等优点，特别是在地质条件复杂的环境下工作安全可靠。而且相对于电子压力传感器，光纤传感器的成本较低，适合组建矿山压力监测网，监测和收集整个盘区和井田的地应力的变化，及时作出分析，更好地为矿井的安全生产提供理论支持。

6、结论

矿山压力的存在是煤炭开采工作中面临的重要问题，在生产过程中应用多种矿压监测方法是收集、分析矿压数据的有效手段。矿压实时在线监测系统与传统的电子压力计相比，做到了对工作面矿压的不间断监测，更好地为煤矿生产提供了技术保障，是现阶段应用最为广泛的监测手段。但是，随着光纤技术的发展和成熟，光栅监测技术在不久的将来将会更多地应用到煤矿安全生产监测当中。

参考文献：

[1] 周诗建.《矿山压力观测与控制》.重庆大学出版社，2010.3.01 [2] 张志鹏，Gammblin W A.光纤传感器原理[M]，北京：中国计量出版社，1991.

篇2：煤矿综采工作面顶板压力在线监测应用及发展趋势

我矿7205工作面位于七尺二区南翼西部。东部为7204工作面 (已采) , 北部为采区大巷, 西部为辅助准备巷, 南部为三矿井田。该面可采走向长度1020 m, 倾斜长度158 m, 本工作面开采3#煤, 属于稳定煤层, 煤层结构简单, 煤层总厚度为2.30 m。

该工作面分别布置进风巷、回风巷、尾巷、切巷, 均沿3#煤层底板布置, 巷道采用锚杆、锚索、网、铁棚等联合支护形式。回风巷超前支护20 m, 进风巷超前支护100 m, 采用托梁加强支护。采用走向长壁式综合机械化采煤法, MG-300/700-WD3型双滚筒采煤机割煤、装煤;ZZ4200-1.5/3.2型液压支架管理顶板, 采用SGZ-764/400型生产溜完成运煤工作。顶板管理采用全部垮落法, 即随着工作面向前推进, 拉移液压支架, 机头 (尾) 落山回柱放顶, 使顶板自行垮落。

矿山压力活动规律对工作面回采的工艺和支护安全产生很大影响, 是确保安全高效生产和预防顶板事故发生的重要依据。而该面地质条件复杂, 经常遇到断层、褶曲、无碳柱等构造, 构造区域煤层松软, 极易发生片帮塌顶现象;瓦斯涌出量大, 极易发生煤与瓦斯突出现象。

为加强回采工作面顶板管理, 实现对采煤工作面的支架工作阻力的实时监测, 保证回采工作面顶板控制的可靠性和安全性。按照集团公司有关文件要求, 我矿在7205工作面试验KJ232煤矿工作面状态连续监测与分析系统, 于1月初调试通过并投入使用。

2 应用目的

1) 监测和分析回采工作面顶板岩层运动和发展规律、移动概况与支架支护的效果及相互关系, 提出合理的顶板管理措施。2) 对在7205回采的采煤方法、回采工艺比较分析, 在矿压规律总结和治理上对生产提供技术支持。3) 工作面支护质量进行监测, 在保证顶板安全的前提下充分发挥综采液压支架的优势。

3 使用方法

1) 顶板在线监测系统设备的安装。在综采工作面3#、13#、23#、33#、43#、53#、63#、73#、83#、93#、103#液压支架上, 每个支架上分别安装1台KJ232-F2采集分站, 共计11台液压支架上安装11台采集分站, 在设备列车上安装1台KJ232-F1矿用本安型传输分站与1台KDW660/12矿用隔爆兼本安型稳压电源, 所有的设备由KDW660/12矿用隔爆兼本安型稳压电源供电, 所有安装、配接均采用一条矿用抗拉型快速连接装置, 简化安装流程。在设备列车架上安设127 V交流电源接口, 并接到井上监控室的光纤环网专线。每10 s传输一次数据, 实时监测支架前柱和后柱的压力数据。一旦出现压力显现异常, 该系统可以自动报警提示, 为安全生产提供保证。

2) 工作面矿压参数见表1。

4 观测情况

正常运行期间, 队组通过检修班安排专人维护该系统;强调割煤期间必须带压拉架;泵站压力必须达到30MPa以上等一系列措施, 发现矿压表损坏、支架立柱窜液、支架操作阀损坏、安全阀漏液等情况及时处理;确保数据能真实反映支架的压力显现。队组每天都指派专人输入进度, 整理出矿压监测日报表, 报表中记录了设计采长、剩余采长、支架型号、额定初撑力、面长、设计采高、设计端面距、日进尺、额定工作阻力等数据, 更重要的是记录了主要实测指标统计表。

从监测表中可以直观地看出当天支架的工作状态, 并可根据每天支架压力情况推算出该面的周期来压步距、时间、强度等, 为顶板管理提供理论依据。

4) 数据分析。日报表中最直观地反映出的问题, 就是工作面支架不达初撑力。经实践统计, 其原因主要有:矿压表损坏、支架立柱窜液、支架操作阀损坏、安全阀漏液等。队组必须每天安排人员检修维护, 以保证数据能切实反映出支架的工作阻力。但由于设备老化、检修质量等问题, 支架问题多且经常反复, 维护工作量大, 但效果却不尽如人意。系统能根据采集上来的数据自动推算出其周期来压步距、强度、时间等, 1月份该区域共计来压6次, 周期来压时间在4~6 d, 来压步距8~12 m, 来压系数1.23。我们由此就可推断出该区域下次来压的时间、步距、强度, 为顶板管理提供出理论依据。

5 效果分析

顶板在线监测系统实现了综采工作面的自动监测和分析, 实时监测工作面支架工作阻力情况, 通过矿压数据自动分析出来压规律, 大大减少了人力投入, 可有效对采煤工作面的支架状态进行实时监测, 保证了回采工作面顶板控制的可靠性和安全性。

该系统运行以来, 其主要问题如下:1) 该系统线路长、环节多、维护工程量大, 且一旦出现问题必须等厂家来处理, 连续性传输数据难度较大。2) 该系统所反映的数据为支架的工作阻力, 而支架本身由于矿压表损坏、支架立柱窜液、支架操作阀损坏、安全阀漏液等一系列问题, 造成传输上的数据失真, 不能真正地反映出工作面顶板的压力变化。3) 矿技术力量薄弱, 对该系统周期来压的计算过程及依据掌握不足, 不能很好地融会贯通、去伪存真、分析总结, 无法对预测预报提供科学依据。

6 结论

1) 通过数据筛选、分析、总结, 确定该面周期来压步距为8~12 m, 工作面来压呈现局部性, 且在来压期间并无压力增大的显著特征, 支架能够满足支护要求。2) 只要我们加强系统维护、支架检修、技术培训等一系列工作, 该系统肯定具有广阔的应用前景和推广价值。

参考文献

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[9] .69 9.701.42 1.40直接顶初次垮落步距/m 30 3035 35

[372] .4 440.0300 300不明显不明显14 12