KJ21矿山压力监测系统应用研究

1 矿压监测必要性
1.1 相关规定
顶板事故是煤矿生产过程中发生的“五大灾害”之一，也是煤矿生产建设中较常见、较易发生的事故。

1988年至2003年，顶板事故占煤矿各类事故总数的60%以上，伤亡人数占各类事故死亡总数的40%左右。

近年来，随着煤矿综合机械化水平的提高，安全形势虽然得到改善，但顶板事故依然很严峻。

2005年全国煤矿共发生顶板事故1805起，占煤矿事故的55%，居第一位，死亡2058人，占全国煤矿死亡总数的34.7%，仅次于瓦斯灾害，居第二位。

顶板事故防治始终是煤矿安全开采必须攻克的难题之一。

加强矿压观测，总结矿压显现规律，预测预报顶板来压，能够有效降低预防顶板事故，降低顶板事故造成的损失。

煤矿各级监督管理部门已经认识到矿压观测的重要性。

1987年8月原煤炭工业部颁发的《煤矿生产技术管理工作的若干规定》第二章“现场管理”第九条四款中规定：“每个采掘工作面要根据本煤层和邻近采区的地质测量资料和矿压观测资料，包括顶板来压规律、下沉量、下沉速度、压力值等，确定采掘工作面的顶板控制方式、支护方式，作为编制采、掘作业规程的依据。

凡是没有顶板观测资料而制定的作业规程，不得审批，新投产矿井、新开采煤层应在生产中逐步积累矿压观测资料”。

2009年4月22日颁布的《煤矿安全规程》第六十七条明确规定：采用综合机械化采煤时，必须根据矿井各个生产环节、煤层地质条件、煤层厚度、煤层倾角、瓦斯涌出量、自然发火倾向和矿山压力等因素，编制设计（包括设备选型、选点）。

《煤矿安全质量标准化标准及考核评级办法》也明确要求支架立柱，平衡千斤顶、所有巷道必需采用矿压监测系统，对矿压数据进行详细的分析和处理。

以上这些相关规定充分说明了矿山压力观测的必要性及在煤矿生产中的地位。

1.2 生产实践的需要
2 矿压观测目的
（1）掌握采煤工作面上覆岩层运动规律，围岩与支架的相互作用关系，并进行顶板来压的预测预报；
（2）对采煤工作面直接顶进行分类、老顶进行分级和底板进行分类，为工作面架型选择和合理支护参数的确定提供依据；
（3）对采煤工作面所使用的支护设备及采煤设备的可靠性和适应性进行评定，以便生产厂家改进、更新、设计更加可靠的支护设备和采煤机械；
（4）确定采动影响范围及支承压力分布变化规律。

例如：煤柱尺寸，巷道支护参数及超前支护距离的确定等都需要该方面的观测结果。

2 矿压监测内容
上覆岩层移动和破坏过程
支架工作阻力
立柱下缩量、顶板下沉量
顶板下沉速度
片帮冒顶
底板比压。

掘进工作面矿压观测：巷道围岩移动观测、
支护体受力观测。

KJ21矿压监测系统特点
3 矿压监测数据分析
3.1 实测曲线分析
支架工作阻力三种工作状态
支架正常工作曲线
支架安全阀卸压时压力达到42Mpa，持续时间为130分钟。

支架安全阀开启时压力达到44Mpa，持续时间为85分钟。

峙峰山矿4215工作面40号支架安全阀连续三个采煤循环开启，长达6小时，开启后顶板压力明显降低。

峙峰山矿4215工作面40号支架安全阀连续开启长达8小时
支架不正常工作曲线
4215综放工作面前后柱受力不均，红色为前柱，黑色为后柱。

初采期间支架工作阻力呈降阻状态
3.2 初撑力及末阻力分析
初撑力及末阻力概念：煤矿井下综采工作面每完成一个采煤循环总是伴随着液压支架的一次移架，一次移架先后包括三个步骤，即降、移、升。

支架在移架过程中，其工作阻力将首先降低，然后又迅速升高，直至初撑状态，此时的工作阻力为初撑力；随着采煤时间的增加，顶板下沉，支架工作阻力逐渐增加，直至下一次移架前支架的工作阻力称为循环末阻力，一个采煤循环只有一个初撑力和一个末阻力。

初撑力及末阻力分析思路：以高精度传感器为基础，精确记录支架降架过程中的压力
变化特征，判定支架初撑力及末阻力。

推进度分析思路：在初撑力分析的基础上，计算整个时间段内的初撑力或循环末阻力的个数，乘以相应的进尺而得到。

实践证明，本方法分析推进度的精度高达2%，即工作面实际推进100m时，采用软件分析所得推进度在98~102m之间；用户可以通过人工输入进尺，对推进度进行精确调整，为更加精确地进行周期来压步距分析提供基础。

3.3 来压步距及来压强度分析
来压步距分析：在推进度分析的基础上，以实测每日支架最大工作阻力为纵坐标，日期及推进度为横坐标，绘制循环末阻力和推进度关系曲线；以循环末阻力平均值加一倍均方差为周期来压判据，得出来压时间及来压步距。

动载系数：以来压时的循环末阻力平均值与未来压前循环末阻力平均值比值作为动载
系数。

安全阀开启时间比率：在一次采煤循环过程中，安全阀开启持续时间占循环时间的比值；反应老顶来压强度。

来压强度包括：动载系数，安全阀开启率
3.4 支架工作状态评价
（1
支架作力点后移
支架合力作用点前移
支架合力作用点前移，
3.5 合理支架工作阻力确定
小结：
（1）矿压观测必不可少，矿压观测能为煤矿相关设计提供依据，最大程度避免顶板事故；
（2）矿压观测应具有针对性，测点布置不能千篇一律，重点观测条件变化对矿压显现强度的影响，总结困难条件下的矿压显现规律；
（3）矿压数据处理不是简单的数据罗列，而是总结数据背后的矿压显现规律，提出改进建议，为后续开采和类似矿井设计提供依据；
（4）矿压观测数据需要长时间的积累，煤矿井下地质条件变化莫测，短期的矿压观测数据是片面的、局部的，不能全面的揭示矿压显现规律，很难为后续工作面回采设计提供足够依据。

3.6 直接顶、老顶厚度确定
3.7 分类及分级
（1）支架工作阻力数据分析（详细分析，加曲线图的分析）
（2）立柱下缩量数据分析
（3）上覆盖岩层移动和破坏过程分析
（4）片帮冒顶数据分析
（5）底板比压数据分析
4 矿压数据应用
（2）顶板来压预测预报
（3）片帮冒顶防治措施。