基于P－t曲線智能實時撲捉的頂板災害壓力監測研究

付東波

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013;2.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京100013)

頂板事故的防治一直是煤礦企業安全管理工作的重點。普通的頂板及礦山壓力監測不能滿足對頂板災害進行預測預警的要求。天地科技股份有限公司開采設計事業部采礦所對我國煤礦頂板災害的監測與防治方面進行了大量的研究［1－4］，提出在煤礦安裝頂板災害監測系統，通過實時監測數據得到預警指標，根據指標是否超限對頂板進行治理。在監測的研究和實踐中，采煤工作面液壓支架工作阻力的監測一直是研究的重點，由于預警的要求需要著重考慮的有:

(1)分析建立支架動作循環的數學模型時，要保證數據的有效性。

(2)由于支架動作過程 (降、移、升)一般約為10～40s，系統的巡檢時間不能以安全監控系統的規定巡檢時間為標準，需要根據移架時間這一具體參數設定可調節巡檢時間，保證不遺漏移架過程的數據，從而保證每一循環支架初撐力的準確性。

(3)有選擇性保存和傳輸監測數據，避免數據過多損失傳輸效率。

根據上述分析，本文從反映支架與圍巖的相互作用關系的移架過程P－t(壓力－時間)曲線的特點、頂板災害壓力監測和現場測試研究等方面對頂板災害監測中的采煤工作面液壓支架工作阻力監測進行研究。

1 支架P－t曲線的特點及對監測的意義

采掘工作面上覆巖層中臨近煤層的基本頂巖層形成的結構由“煤壁－支架－采空區冒落矸石”這一體系所支撐［5］。煤壁與矸石的特性不同，支架受力情況也不同。支架既要能維護頂板，又需要使用最小的支撐力，因此支架性能具有至關重要的作用。在支架參數中重點要確定工作阻力和可縮量。研究發現，工作阻力與頂板下沉量的P－ΔL曲線能夠反映支架與圍巖的相互作用關系。本文研究支架工作阻力隨時間的變化規律即P－t曲線。

P－t曲線能夠反映支架－圍巖從不平衡到平衡的發展過程。大量觀測記錄［6］表明，工作面液壓支架的P－t曲線有以下幾種主要類型:急增阻型，又分為一次急增阻和二次急增阻;微增阻型;微增阻－恒阻型;初撐－降阻－微增阻型。支架圍巖的正常工作狀態一般是支架初撐力略低于平衡所需要的值 (即最小臨界值)。經過頂板下沉，支架下縮而增阻后，支架圍巖進入相對平衡狀態。處于微增阻階段，然后割煤移架時重新出現新的不平衡，出現循環末急增阻。微增阻型和微增阻－恒阻型兩種類型意味著支架實際初撐力偏高，支撐后立即進入相對平衡狀態，也有安全閥不開啟的恒阻型。

急增阻的P－t曲線如圖1所示，較為常見。能夠反映支架的移架循環過程和頂板來壓情況。它的變化規律是升架過程中，當支架撐起頂板時，壓力急速上升，升架結束后的壓力為初撐力;隨后壓力進入緩慢上升階段。當下一次支架移動開始前，由于相鄰支架的移動，導致出現壓力的又一次快速上升階段;支架降架，壓力隨之下降到最低，支架下降前的最高壓力為末阻力。根據P－t曲線，能夠得到支架的初撐力、末阻力，安全閥開啟情況、前后柱受力不平衡情況和立柱不保壓情況，可以計算來壓步距，判斷頂板來壓和預測頂板災害。因此，如果能夠實時撲捉并獲得完整信息的P－t曲線，則能夠提高頂板災害預警的準確性。

圖1 移架過程急增阻型P－t曲線

2 頂板災害監測系統

2.1 系統的構成

頂板災害監測系統工作面液壓支架壓力監測的設備由壓力傳感器、井下監測分站、信號轉換器及網絡交換機構成的光纖以太環網、地面主機等構成。壓力傳感器采集的支架壓力數據由監測分站傳輸至信號轉換器，通過光纖以太環網傳輸至地面主機，由主機進行實時監測和分析處理。

為了能夠準確而有效地撲捉支架壓力，獲得P－t曲線，頂板災害監測系統必須重點考慮以下兩點:一是壓力傳感器的選型和設計必須滿足液壓支架循環壓力沖擊的影響;二是系統的采樣協議設計需要考慮采樣過程必須滿足撲捉壓力變化的全周期的要求，也需過濾微增阻時無效數據。

2.2 壓力傳感器的選型

目前工業級的壓力傳感器種類較多，用于頂板及礦山壓力監測的壓力傳感器主要有粘貼電阻應變片式、振弦式、壓阻式、光纖光柵式等。上述類型傳感器在工作阻力測量中都有應用。由于液壓支架工作阻力的壓力變化屬于高強度循環加壓、卸壓的過程，要求傳感器在高溫高濕的環境中，耐高壓沖擊、可靠性高、長期工作不漂移。實踐證明［7－9］，濺射薄膜壓阻式和硅基壓阻式壓力傳感器適用于工作面的壓力監測。濺射薄膜壓阻式壓力傳感器是在高真空度中，利用磁控技術，將絕緣材料、電阻材料以分子形式淀積在彈性不銹鋼膜片上，形成分子鍵合的絕緣薄膜和電阻材料薄膜，并與彈性不銹鋼膜片融合為一體，再經過光刻、調阻，溫度補償等工序，在彈性不銹鋼膜片表面上形成牢固而穩定的惠斯頓電橋。因此，傳感器的穩定性能和使用的溫度范圍都獲得提升。采用半導體材料制作的壓阻式壓力傳感器種類眾多，半導體硅是常用的一種材料，稱為硅基壓力傳感器，如絕緣體上硅 (SOI)壓力傳感器。它的原理是在硅膜片的背面用機械或化學腐蝕的方法加工成中間很薄的凹狀，稱為硅杯，在它的正面制作壓阻電橋。硅基SOI高溫壓力傳感器提高了壓力傳感器的耐高溫性能，同時具有抗電磁輻射和穩定性好等優點。

另外，壓力監測設備在煤礦井下使用，必須滿足煤礦井下電氣產品使用的防爆要求，必須具有防爆認證和安標認證才能夠下井使用。由于煤礦井下條件的特殊性，系統設備也必須滿足防水、防塵、防磕碰等外殼防護要求，才能保證設備在井下能夠正常使用。

2.3 壓力采樣設計

為了實時撲捉具有完整信息的P－t曲線，同時避免高速采樣占用大量傳輸和存儲資源，提出一種智能化采樣模式，設置壓力閾值p0，設前一個壓力的記錄值為p'，設壓力的變化值為Δp，則

根據被測物理量的變化情況采集數據，設采樣頻率為k，當采樣時間到時，比較Δp和p0。當Δp＞p0，記錄當前壓力值p。數據急劇變化時可以進行毫秒級采樣，閾值p0可以進行調整，保證記錄所有信息。數據緩慢變化時，設定定時記錄當前壓力值p，保證數據在快速變化時不會丟失。采樣的硬件單片機程序設計如圖2所示。

圖2 采樣程序

實際應用中必須根據煤礦具體工作面的開采條件、頂板情況、支架參數進行采樣頻率和閾值的設置。設置后，根據得到的數據情況做進一步調整。

3 現場應用

伊泰集團酸刺溝煤礦6上105－2綜放工作面位于酸刺溝井田南部一盤區6上煤層。工作面走向長度為1356m，傾斜長度為245m。基本頂為中粒砂巖，直接頂為粗砂巖。該工作面采用放頂煤開采，采用的支架型號為ZF15000/26/42四柱支撐掩護式，支架參數如表1所示。

表1 ZF15000/26/42四柱支撐掩護式支架參數

工作面共安裝頂板災害監測系統的壓力傳感器14臺，分別位于10～140號支架，每10架布置1臺。圖3所示為4月7日至4月15日90號、100號和110號支架前柱的P－t曲線。由圖可以看出:4月9日支架工作阻力處于增阻狀態，90號、100號支架工作阻力超過45MPa，110號支架安全閥開啟;4月10日3架支架工作阻力均處于增阻狀態;4月11日90號、100號支架工作阻力超過45MPa;4月14日支架工作阻力處于增阻狀態，90號、100號支架工作阻力超過45MPa，110號支架安全閥頻繁開啟。對比該礦工作面來壓統計情況 (表2)，實測的P－t曲線與工作面實際情況完全吻合。

圖3 頂板災害監測系統智能采樣的P－t曲線

表2 工作面來壓統計

4 結論

通過分析采煤工作面支架與圍巖的相互作用關系，得出P－t曲線能夠反映支架－圍巖從不平衡到平衡的發展過程，可為進一步研究頂板災害預警分析提供有效數據。根據工作面的壓力監測對壓力傳感器的要求，選擇濺射薄膜壓力傳感器和SOI硅基傳感器。在智能化采樣設計中，采用與設定閾值比較后記錄的定值方式獲得有效數據，避免大量數據的資源浪費。采用固定時間記錄數據的定值方式解決數據突變容易丟失的問題。在酸刺溝煤礦的試驗表明，頂板災害監測系統能夠監測完整的P－t曲線、易于分析支架的增阻情況、安全閥開啟情況等，應用效果良好。

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