深部巷道圍巖穩(wěn)定性遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用

摘要：本文介紹了巷道掘進(jìn)過程中頂板離層及壓力在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效控制巷道頂板變化，克服人為因素的不確定性，保證掘進(jìn)安全。

關(guān)鍵詞：巷道掘進(jìn) 頂板離層及壓力 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

1 基本情況

峰峰集團(tuán)九龍礦已經(jīng)進(jìn)入深部開采階段，九龍礦最大開采深度已達(dá)到1000米。隨著煤炭開采的逐步向下延深，深部巷道支護(hù)問題越來越突出。近年來片幫、冒頂事故逐漸增多，亟待開展深部開采巷道圍巖持續(xù)流變與破壞機(jī)理，圍巖控制技術(shù)及穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)等方面研究工作。

九龍礦巷道工程普遍處于“三高”(即高地應(yīng)力、高地溫和高巖溶水壓)的復(fù)雜環(huán)境。對(duì)于深部的采準(zhǔn)巷道及部分開拓巷道圍巖來說，除受“三高”影響外，還受“一擾動(dòng)”(即強(qiáng)烈的采掘擾動(dòng))影響，使其圍巖巖體的結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)行為更加復(fù)雜，表現(xiàn)出大變形、大地壓、難支護(hù)等非線性軟巖力學(xué)特性，進(jìn)而導(dǎo)致深部巷道災(zāi)害事故增加、作業(yè)環(huán)境惡化和生產(chǎn)成本急劇增加等一系列問題，這為深部開采提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

深部開采條件下采場(chǎng)與巷道圍巖的控制問題，隨著采深的增加更進(jìn)一步突顯了其嚴(yán)重性。對(duì)于深部巷道圍巖持續(xù)流變與破壞特征、圍巖擴(kuò)容與不連續(xù)變形的監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)，過去缺乏系統(tǒng)、針對(duì)性的研究，再加上深部開采的特殊性，使得深部開采條件下圍巖穩(wěn)定性控制問題沒有得到解決，片幫、頂板的離層垮冒、采場(chǎng)端面冒漏仍沒有從根本上消除。

我們?cè)?5228s上下巷及切眼實(shí)施了圍巖穩(wěn)定性遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過頂板在線監(jiān)測(cè)，從而為深部巷道支護(hù)設(shè)計(jì)提供合理參數(shù)；建立巷道圍巖穩(wěn)定性與頂板安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)深部巷道穩(wěn)定性多因素模式識(shí)別預(yù)測(cè)及危險(xiǎn)區(qū)域動(dòng)態(tài)識(shí)別，有效預(yù)測(cè)頂板垮落、片幫事故，合理控制深部巷道圍巖變形。

2 監(jiān)測(cè)原理及系統(tǒng)組成

2.1在九龍礦建立深部開采采動(dòng)應(yīng)力及頂板位移在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，建立起700米監(jiān)測(cè)巷道；該系統(tǒng)包括監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)采集與分析軟件，壓力與位移傳感器及傳輸電纜等。

2.1.1井下采用了本安型多向壓力傳感器和本安型位移監(jiān)測(cè)儀。

2.1.2地面系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)共享，提供多用戶數(shù)據(jù)訪問，便于相關(guān)科室進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)觀測(cè)與歷史數(shù)據(jù)的查詢。

2.1.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)更新并顯示各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)及變化曲線；建立空間與時(shí)間上巷道變化趨勢(shì)。

2.1.4基于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)頂板大面積垮落在線預(yù)測(cè)；為提前支護(hù)提供最佳時(shí)機(jī)，杜絕冒頂事故的發(fā)生。

2.1.5基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)開采過程中的采動(dòng)應(yīng)力變化規(guī)律及頂板位移規(guī)律，提出深部開采圍巖穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則：建立基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移的反分析法，與數(shù)值模擬相結(jié)合進(jìn)一步分析采動(dòng)應(yīng)力變化規(guī)律及頂板位移規(guī)律，對(duì)九龍礦巷道的支護(hù)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)性建議。

2.2系統(tǒng)組成

2.2.1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架(以太網(wǎng)—總站—分站—分站)如圖1。

2.2.2我們利用已有的礦用安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)KJ2000進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。其組成主要有：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)器，瓦斯監(jiān)控分站，ZCW-Z(B)位移采集儀，GWG200(C)本安型位移監(jiān)測(cè)儀，GYG50／50(A)本安型壓力傳感器，本安電源，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2。

3 監(jiān)測(cè)方案

九龍礦15228(S)工作面西部為15226(S)采空區(qū)，東部為南翼二水平上部；南部為F4斷層；北部為南二采區(qū)的三條上山下部。巷道斷面為斜矩形，工作面面長(zhǎng)132米，走向長(zhǎng)640米，采用錨網(wǎng)梁加錨索支護(hù)。

九龍礦現(xiàn)用的KJ2000煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，為充分利用現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)監(jiān)控線路，拓展其功用，節(jié)省成本，利用KJ2000系統(tǒng)將礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。通過專用軟件提取監(jiān)測(cè)儀的測(cè)量數(shù)據(jù)。利用局域網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。

3.1地面監(jiān)測(cè)2000煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)上傳至地面監(jiān)控中心，利用系統(tǒng)所生成的上報(bào)數(shù)據(jù)文本“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)txt”，提取相應(yīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值，由專用軟件將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)并顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送至局域網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)器，以供相關(guān)科室可以訪問。數(shù)據(jù)顯示界面如圖2。

3.2井下布線監(jiān)測(cè)儀采集位移信息，監(jiān)測(cè)儀主機(jī)接收傳感器的數(shù)據(jù)，傳送至井下瓦斯監(jiān)控分站，再由監(jiān)控分站傳輸至地面控制中心。一個(gè)主機(jī)可以接15個(gè)傳感器，采用主干式布線方式。井下布線如圖3。電源在巷道內(nèi)采用660V接入，盡可能就近供電，以避免線路上的損耗。

瓦斯監(jiān)控分站及電源設(shè)置15228S巷已掘進(jìn)40—50米，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際距離從監(jiān)測(cè)分站布設(shè)四芯數(shù)據(jù)電纜至第一個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝位置，在以后測(cè)點(diǎn)接線通過三通進(jìn)行，形成總線結(jié)構(gòu)。由于一個(gè)監(jiān)測(cè)主機(jī)可接15—18個(gè)監(jiān)測(cè)儀，當(dāng)監(jiān)測(cè)儀數(shù)目超過一個(gè)主機(jī)的容量時(shí)，需布設(shè)第二路礦用四芯數(shù)據(jù)電纜。

ZCW-Z(B)位移采集儀與瓦斯監(jiān)控分站接線示意圖3

3.3測(cè)點(diǎn)設(shè)置

3.3.1頂板離層監(jiān)測(cè)頂板離層是指巷道淺部圍巖與深部圍巖間的變形速度出現(xiàn)臺(tái)階式躍變，當(dāng)離層達(dá)到一定值時(shí)，頂板有可能發(fā)生破壞和冒落。頂板離層是巷道圍巖失穩(wěn)的前兆。

離層監(jiān)測(cè)采用GWG200(C)位移監(jiān)測(cè)儀，其包括一個(gè)深部基點(diǎn)和一個(gè)淺部基點(diǎn)，分別測(cè)試巷道表面與淺部基點(diǎn)之間，巷道表面與深部基點(diǎn)間的相對(duì)位移。監(jiān)測(cè)儀每30米布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，頂板打孔深7m，孔徑φ30。安裝時(shí)深測(cè)點(diǎn)至7m處，淺測(cè)點(diǎn)為2.0m與錨桿長(zhǎng)度相當(dāng)。預(yù)布設(shè)距離700m。為了避免炮掘時(shí)，由于振動(dòng)使傳感器產(chǎn)生附加位移值，每個(gè)待安裝測(cè)點(diǎn)距掘進(jìn)面距離大于30米，按隨掘隨布進(jìn)行。

3.3.2兩幫壓力監(jiān)測(cè)壓力傳感器主要測(cè)取掘進(jìn)與回采時(shí)兩邦壓力的變化規(guī)律，并與頂板離層相結(jié)合分析巷道穩(wěn)定性。傳感器每100米在上下幫分別布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，要求孔深7m，孔徑60mm。在安裝壓力傳感器的斷面，測(cè)量巷道的收斂變形。

3.3.3巷道收斂監(jiān)測(cè)主要測(cè)取巷道開挖后一定時(shí)間內(nèi)巷道頂?shù)装搴蛢蓭偷南鄬?duì)位移量，總結(jié)巷道表面位移隨巷道圍巖暴露時(shí)間的變化規(guī)律，從中找出巷道圍巖位移與生產(chǎn)地質(zhì)條件、錨索、錨桿網(wǎng)支護(hù)形式及參數(shù)之間的關(guān)系，為進(jìn)行合理的錨索、錨桿支護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確評(píng)估支護(hù)效果提供量化指標(biāo)。

每100米布置一個(gè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站3個(gè)觀測(cè)截面，每個(gè)截面采用十字布點(diǎn)法(如圖示)，視現(xiàn)場(chǎng)情況也可采用網(wǎng)狀布點(diǎn)法，截面間距2～3m。測(cè)點(diǎn)必須在開挖后12h內(nèi)埋好，距掘進(jìn)工作面0～10m范圍內(nèi)，每天觀測(cè)2次，11～20m范圍內(nèi)，每天觀測(cè)1次，21～50范圍內(nèi)，每3天觀測(cè)1次。

3.3.4錨桿(索)受力錨桿(索)受力監(jiān)測(cè)有兩種形式，一種是測(cè)量端部錨固錨桿(索)工作阻力的錨桿測(cè)力計(jì)，另一種是測(cè)量加長(zhǎng)錨固、全長(zhǎng)錨固錨桿受力分布的測(cè)力錨桿。

每100米布置一個(gè)測(cè)站，與壓力監(jiān)測(cè)、巷道收斂監(jiān)測(cè)的測(cè)站相結(jié)合。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)初步分析

位移傳感器

1#測(cè)站位于上巷與聯(lián)絡(luò)巷交接處，由于安裝時(shí)聯(lián)絡(luò)巷已經(jīng)掘進(jìn)完畢，安裝初期位移變化不大，中期由于上巷的掘進(jìn)，有一次較明顯的變化，而后隨著上巷掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，對(duì)1#的影響減小，位移值趨于穩(wěn)定。2#測(cè)站位于聯(lián)絡(luò)巷中部，安裝時(shí)距離工作面也較遠(yuǎn)，所受影響較小，錨固區(qū)沒有產(chǎn)生位移，除前期受到少許影響外，隨著離工作面的距離增加，位移值基本沒有變化。3#測(cè)站位于聯(lián)絡(luò)巷與下巷的交界處，安裝時(shí)距離工作面30m，受工作面的影響，前期變化較大。隨工作面的推進(jìn)，影響變小，位移值漸漸平穩(wěn)。4#、5#、6#傳感器位于下巷45m處，其中4#位于頂板中部，5#、6#分別位于上下兩幫，隨著工作面推進(jìn)，位移變化趨勢(shì)也是逐漸變小，現(xiàn)在已基本趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)論

由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)可以看出，通過監(jiān)測(cè)保證了巷道支護(hù)的效果，為以后的巷道支護(hù)提供了數(shù)據(jù)支持，對(duì)巷道的變形實(shí)施了不間斷的監(jiān)測(cè)，減少了人為因素的不準(zhǔn)確性，從而保證了巷道掘進(jìn)的安全性。