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。

A-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：

KJ385-J矿用本安

型信息传输接口

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KDW28-18矿用隔爆兼

本安不间断电源

工业计算机

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