礦壓監測系統搭建方式及技術淺析

樊 君

（寧夏煤礦設計研究院有限責任公司，寧夏 銀川 750021）

煤礦作為國家能源產業的支柱，煤炭開采過程是一個與大自然搏斗的艱難過程，面臨著水、火、瓦斯、煤塵、頂板等自然災害的威脅。特別是隨著煤炭開采深度的不斷延深，頂板事故成為煤礦開采的重大危險源，沖擊地壓及頂板災害防治是煤炭行業和煤炭企業一直關注和著力解決的重大安全問題。

特別是近幾年國家應急管理部、煤礦安監局相繼出臺了一系列的法規政策用于預防沖擊地壓事故的發生[1]。本論文圍繞礦壓監測的內容及監測方式，對礦壓監測系統搭建方式及設備布置方式術進行論述。

1 系統監測內容

（1）監測液壓支架初撐力水平、安全閥開啟、支架保壓情況、立柱受力平衡情況、支架工作阻力分布等數據[2]，對液壓支架工作阻力和適應性進行評價，對今后工作面液壓支架選型提供指導意見。

（2）監測頂板巖層離層情況[3]，顯示錨（索）桿長度范圍內和錨（索）桿同范圍外的頂板巖層的離層情況。為煤礦工程技術人員提供確定錨（索）桿的長度，了解所使用的錨（索）桿的合理性、經濟性而需要的科學依據，對巷道頂板發生離層顯現進行預警，從而有效的防止頂板事故的發生，確保煤礦安全生產。

（3）監測圍巖（鉆孔）應力水平[4]，顯示煤巖體支撐應力變化，分析應力場作用的范圍、強度和運動方向，為沖擊地壓的卸壓措施實施提供依據。

（4）監測錨桿（索）應力水平[5]，顯示應力變化，為錨桿（索）的參數選擇和布置數量提供依據。

（5）監測微震及電磁輻射數據[6]，對礦井沖擊地壓進行監測，同時利用該數據可反映井下應力集中區，可對該區域進行頂板巖層離層、圍巖（鉆孔）應力、錨桿（索）應力進行重點監測。

2 系統搭建方式

礦壓監測系統可分為三個層面進行搭建，即數據應用層、數據儲存與管理層與基礎設備層。

2.1 數據應用層

數據應用層由礦壓監測信息網絡集成平臺構成，通過開發各類專用算法及預警模型，實現實時監控、數據分析、預警、及預測預報等功能。礦壓監測信息網絡集成平臺需站在全集團礦井礦壓監測的高度上進行搭建，平臺監測數據前期可以某一個礦井數據為主，后期礦壓監測系統在集團各礦井推廣后，各礦數據可直接集成至該平臺。平臺為純軟件系統，為充分利用已有硬件及網絡資源，可直接部署在集團機房已有服務器或私有云平臺上，由信息中心統一維護及管理，也可以新增機柜及服務器用以部署該平臺，考慮到網絡及信息安全，不建議將平臺部署在第三方云平臺上。在集團調度室增設1臺工程師站，用于系統維護及操作及顯示，如有需要可直接利用調度室已有大屏系統進行顯示。

2.2 數據儲存與管理層

數據儲存與管理層主要由服務器、工程師站等設備組成。在一號井機房內布置兩臺服務器，1臺作為應用服務器、1臺作為數據庫及WEB服務器，搭建羊場灣礦壓監測系統集成平臺，開發簡潔、可靠、全面的數據庫及列表，將各礦壓監測子系統的監測數據進行整合并存儲，實現數據同步、數據備份管理、數據初步分析等功能，同時為上層數據應用層統一數據訪問接口。

2.3 基礎設備層

基礎設備層主要由工作面壓力監測系統、頂板離層監測系統、鉆孔應力監測系統、錨桿（索）應力監測系統及沖擊地壓監測系統組成。各系統主要由礦用有線或無線傳感器、礦用監測分站、礦用監測主站等設備組成。傳感器將監測數據以無線或有線傳輸的方式傳輸至監控分站，而后監控分站已總線傳輸的方式將數據傳輸至監測主站，經過數據處理及協議轉換后，利用礦井下工業環網，將數據傳輸至數據儲存與管理層。

3 礦壓監測信息集成平臺軟件構架

3.1 系統概述

目前，隨著各礦業集團煤礦煤炭生產能力的提高、開采強度的增大和向深部開采轉移，頂板安全問題越來越凸現。現各煤礦的基礎網絡建設已經基本完善，各種監測分析系統也相對來說比較成熟，生產管理方面也有一部分系統進行支撐。由于這些系統從不同的出發點開展研究，都有自己的鮮明的特色，同時也存在自己的不足，目前存在以下問題：

（1）現有系統間缺少整合，數據不能共享，集團公司不能實時有效的了解各分礦的礦壓監測情況。

（2）業務系統建設不完善，主要還是以口頭或書面的形式匯報礦壓監測情況，有時上下級管理信息不對稱，無法進行有效的分析，不能很好地支撐領導管理決策。

（3）實時監測系統的信息處理手段相對落后。缺乏對礦壓監測數據的有效分析。

（4）集團公司管理數據和各部門的監測數據評估數據等各方面信息不能實現有效集成。

因此，為了從系統工程的角度整體上對集團公司及下屬各煤礦進行統一的監控管理，防止″信息孤島″現象，需要建立統一的礦壓監測信息網絡集成平臺，對各礦業集團的可持續發展及開展預防煤礦頂板工作具有十分重要的意義。

3.2 實現目標

（1）建立數據中心：建立統一、集中的實時數據庫平臺，采用多種通訊手段，實現實時數據的采集和存儲，為事故分析提供可靠的依據。

（2）打通數據通道，消除“信息孤島”：打通集團與分礦的縱向數據通道，消除信息孤島。

（3）實現數據的分級共享和監測：通過完善的用戶管理機制，實現數據的分級共享和監測。

（4）提高數據分析的能力：通過數據分析工具，采用多樣化的數據展示方式對煤礦安全生產實時數據進行分析和智能化應用，實現生產數據及設備狀態的統計、分析，為領導的決策提供科學的支持。

（5）建設礦壓監測的信息化整合平臺：為了便于管理人員及時了解生產狀況，配置了一套可縮放的、可擴展的信息門戶。

（6）根據礦壓監測數據，對巷道錨桿（索）參數設計提供指導意見。

（7）根據液壓支架的受力情況，對液壓支架工作阻力和適應性進行評價，并對今后綜放工作面液壓支架選型提供指導意見。

（8）根據綜合參數分析，實現工作面初次來壓、周期來壓、沖擊地壓等事件的提前預警，并通過手機APP消息推送及短信通知的方式告知相關人員。

3.3 軟件平臺架構

平臺架構主要分為三層：決策支持層、生產執行層及基礎數據層。

（1）決策支持層部署在集團公司，采用B/S架構方式，通過已有信息化網絡，集成各煤礦現有或即將建立的監測系統數據，通過統一的信息門戶建設，最終實現各系統之間的數據整合、界面整合，從而為企業領導提供綜合礦壓監測信息門戶。平臺主要用于集團公司對所轄各礦的礦壓監測系統進行實時監控、遠程監管、資源共享和科學管理。監管部門能通過該系統平臺及時掌握所轄煤礦的礦壓及沖擊地壓狀況，及時發現安全隱患，跟蹤隱患的整改和處理情況，同時對監測信息進行綜合性動態分析，為領導決策提供依據，將事故消滅在萌芽狀態，達到安全損失的最小化。

（2）生產執行層部署在礦端服務器，采用B/S+C/S架構方式，通過礦已有信息化網絡，集成各礦壓監測子系統的數據及信息，并將各礦壓監測子系統從功能上加以區分，硬件結構使用統一的地址編碼，系統的實際布置上傳感器可以混合排列，監測服務器通過通訊協議區分數據類型。服務器（計算機）可接入礦區局域網絡，支持網絡在線監測和信息共享。

（3）基礎數據層由各礦壓監測子系統及沖擊地壓監測數據構成，為平臺主要數據來源，各子系統傳感器監測數據通過專用無線網絡、監測分站、礦已有工業環網上傳至礦端礦壓監測系統集成平臺。

3.4 平臺主要功能

3.4.1 工作面運動規律分析

通過輸入鉆孔數據、采集液壓支架相關數據，實現直接頂厚度推斷、直接頂初次來壓步距推斷、直接頂跨落方式判斷、直接頂懸頂距確定、直接頂分類、基本頂厚度推斷、基本頂來壓步距推理、基本頂分級、液壓支架合理支護強度計算等功能。

3.4.2 巷道礦壓觀測分析

通過采集各礦壓監測子系統及沖擊地壓監測數據，實現巷道表面位移監測數據分析、頂板離層監測數據分析、巷道深部位移監測數據分析、錨桿（索）托錨力監測數據分析等，繪制出頂底板和兩幫移近量曲線圖、巷道圍巖移近速度圖、頂板離層隨時間（或工作面推進）變化曲線圖、頂板和兩幫錨桿（索）載荷隨觀測時間的變化曲線圖等。

3.4.3 巷道錨桿（索）參數設計

通過采集各礦壓監測子系統及沖擊地壓監測數據，可進行巷道頂板和兩幫破壞深度的計算、錨桿（索）支護參數設計，包括：錨桿（索）桿體材料和錨固力、錨桿（索）長度、錨桿桿體直徑、錨桿鉆孔孔徑、錨桿排距、每排錨桿個數、錨桿支護形式、傾斜錨桿傾角、傾斜錨桿長度、鋼帶排距等。

3.4.4 礦壓分析報告

系統內置各類工作面礦壓分析報表，并可根據實際需要定制報表。各類文檔模板包括：工作面地質與采礦技術條件、工作面支架支護阻力及支護強度的評價、工作面礦壓規律分析及評價、工作面底板比壓分析與評價、工作面礦壓規律及支架適應性分析與評價（總報告）等。

3.4.5 實時報警

對于數據超限等異常情況，系統能以告警聲音、顏色改變和界面聯動等多種方式進行實時報警處理，可大大提高對生產現場問題的響應速度，有利于安全生產的指揮和調度，提高各級管理者的管理效率，杜絕下級對上級的超限漏報、瞞報等現象。

3.4.6 沖擊地壓監測

（1）微震監測：實時顯頂板及上覆巖層活動，主要監測頂板斷裂位置和能量大小，以及反演頂板斷裂形態和應力集中情況。

（2）電磁輻射監測：實時顯示聲發射頻度（脈沖數量）、一定時間內脈沖能量的總和、電磁輻射強度、電磁輻射脈沖數等信息將硬件設備的數據傳至系統中，供分析使用。

4 傳感器數據傳輸方式

4.1 有線傳輸（CAN或RS485總線） [7]

優點：數據傳輸穩定，傳感器價格較低。

缺點：井下作業環境惡劣，數據傳輸線易破損、斷線；數據傳輸線纜及接線盒較多，不易管理及維護；若數據傳輸線斷線，難以找到斷點，且后續傳感器數據均無法傳輸。

4.2 無線傳輸（433M或2.4G無線網絡）[8]

優點：無須布線，多個傳感器自行組成無線傳輸網絡，可跳過斷線的傳感器傳輸數據；安裝便捷、靈活。

缺點：數據傳輸受距離限制，超過傳輸距離或巷道變坡需要增加中繼器；無線傳輸較有線傳輸信號穩定性底；無線傳輸較有線傳輸價格較高。

綜合上述傳輸方式優缺點比較，如果點位布置較少，優先考慮無線傳輸方式，如果點位布置多且工作面較長，可優先考慮有線傳輸方式。

5 井下監測系統設置

5.1 工作面頂板壓力監測系統

如礦井工作面使用電液控系統對液壓支架進行控制，則可直接利用該系統監測的頂板壓力數據進行分析，如未使用電液控系統，則在工作面液壓支架安裝頂板壓力無線傳感器，建議每5臺支架布置1臺傳感器，監測主站及無線監測分站每個工作面各布置1臺。該系統主要對液壓支架的初撐力、末阻力、活柱縮量進行監測。

5.2 頂板離層監測系統

在主要工作面及掘進面布置頂板離層監測系統，頂板離層無線傳感器可根據礦頂板狀況進行布置，如頂板條件不好，建議每隔50m設置1臺，如頂板條件尚可，建議每隔80m～100m設置1臺；監測主站及無線監測分站每個工作面各布置1臺。該系統主要對頂板離層、頂板下沉量進行監測。

5.3 鉆孔應力監測系統

在主要工作面及掘進面設置一個監測站，監測站設置在距工作面開切眼500m處。每個測站設置8個測點（巷道兩幫各4個測點，監測煤體和煤柱，若工作面煤柱采取小煤柱或無煤柱等，則煤柱側不設測點），測點間距5m，每個測點布置2個鉆孔應力傳感器（一個深基點，一個淺基點，間距1m）；監測主站及無線監測分站每個工作面各布置1臺。該系統主要對鉆孔應力、圍巖穩定性進行監測。

5.4 錨桿（索）應力監測系統

在主要工作面及掘進面布置頂板離層監測系統，錨桿（索）應力傳感器可根據礦巷道變形狀況進行布置，如巷道變形嚴重，建議每隔50m設置1臺，如巷道變形不嚴重，則可每隔80m～100m設置1臺；監測主站及無線監測分站每個工作面各布置1臺。該系統主要對錨桿（索）受力情況進行監測。

5.5 沖擊地壓監測系統

在礦采深較深的工作面（采深超過400m）、主運巷道、輔運巷道設置微震監測系統，每條巷道各設置1臺微震監測分站、2臺拾震器。該系統實時顯頂板及上覆巖層活動，主要監測頂板斷裂位置和能量大小，反演頂板斷裂形態和應力集中情況。

在礦采深較深的工作面（采深超過400m）設置電磁輻射監測系統。每條巷道各設置1臺電磁輻射監測分站、2臺煤巖動力災害聲電傳感器。該系統實時顯示聲發射頻度（脈沖數量）、將一定時間內脈沖能量的總和、電磁輻射強度、電磁輻射脈沖數等信息上傳至服務器，供分析使用。

6 結論

雖然國內礦壓監測系統展開了一系列研究，也取得了很多優秀的科研成果。但礦壓監測的發展仍然存在以下幾點問題。

（1）隨著數據傳輸技術及網絡技術的發展，各類傳感器的均可做到在線實時傳輸數據，但傳感器的監測原理及手段沒有過多的技術突破，例如頂板離層監測傳感器，其監測原理依然是通過錨爪、鋼絲繩監測頂板離層數據，未能解決鋼絲繩因銹蝕斷裂導致無法監測數據的問題。

（2）礦壓監測系統建立的成功與否，不僅取決于監測設備的穩定性和可靠性，同時更依賴于礦相關管理部門對系統的安裝維護能力。如果設備安裝不到位或維護不及時，監測數據就會不準確甚至缺失，使礦壓監測平臺軟件無法得出正確的分析結果，久而久之該系統就變成了形同虛設的擺設，甚至被廢棄。

（3）礦壓監測系統是一個系統工程，尤其是礦壓監測平臺的建設，更是要站在較高的層面上進行搭建，這樣可為后期的子系統接入及數據庫的統一提供巨大的便利。隨著大數據、云計算、人工智能技術的發展，此類綜合信息監測平臺的搭建日后定會成為主流發展方向。