礦山地壓在線監測系統構建研究與實例

張小華， 張楠楠， 盧泰宏

(云南錫業研究院有限公司， 云南 個舊 661000)

1 前言

在地下礦山中，由于受傳統地壓監測觀念的影響，僅僅是針對礦山某一地點或區域開展人工現場地壓監測，來解決局部的地壓問題，遠程地壓在線監測系統目前還未得到大規模的推廣應用。地下礦山地壓采用傳統方式進行監測較多，人工進行數據采集，雖然這種方式易于實施，但觀測周期較長，無法實施連續、實時、動態監測。監測數據容易混亂，也難以快速綜合分析。

隨著國內近年來經濟技術的日漸崛起，由此帶動了計算機、傳感、通訊等技術的革新，這些技術慢慢應用在礦山領域，特別是礦山地壓在線監測監控等方面。業內人士也不斷加大了利用傳感、通訊技術在礦山地壓在線監測方面的研究。

付東波[1]等成功提出將采動應力監測理論應用于沖擊危險工作面的監測和預測。曲效成[2]等通過對濟三煤礦作業面實際監測數據的分析和數值計算，將鉆孔應力同鉆屑量、支承壓力之間關聯，研究并構建了沖擊地壓在線監測預警系統。鞠文君[3]等全方面總結了我國現有沖擊地壓4種主要監測的主要手段以及特點，客觀分析了監測理論、方案設計、監測目標、設備搭配等方面存在的問題。閆靜杰[4]等在無線傳感器網絡監測監控系統方面進行了相關研究，張國盛[5]基于人工智能和數據庫技術分析了礦井監測監控系統的發展趨勢。

2 技術線路及研究內容

2.1 原理及技術路線

地壓活動規律一般通過應力、應變等形式表現出來。因此，可以借助儀器通過對巖體自身或其附近工程結構的應力應變狀態進行實時監測，根據收集儲存的監測數據，綜合分析研究巖體應力應變變化規律及其對巖體穩定性的影響關系從而建立地壓預警模型以及預警評價方法，及時采取有效的處理和防范措施，確保生產中的安全。

本項目主要結合云南錫業股份有限公司某礦山的實際情況，對井下地壓在線監測系統進行規劃和構建研究，整個在線系統由傳感器(鉆孔應力計、單點位移計、錨桿應力計)、防水監控箱、RS485總線、串口聯網服務器、雙絞線以太網、光纖交換機、光纖以太網、計算機監控中心等組成，系統工作原理如圖1所示。

圖1 系統工作原理圖

項目通過現場調查、理論分析、風險評價、現場監測、系統構建等幾方面來進行實施，項目技術路線如圖2所示。

2.2 主要研究內容

(1)主生產區及重大生產設施地壓監測區域調查與監測點確定：

①主生產區及重大生產設施地壓監測區域調查；

②空區檔案建立；

③結合井下開采歷史情況及以后開采規劃確定重點監測點位置確定，并對重點區域進行危險性初步辨識。

(2)地壓監測方法選擇與實施方案：

①地壓在線監測系統設計；

②監測方法確定；

③監測儀器設備選型；

④地壓監測方案設計。

(3)地壓遠程在線監測系統的方案設計：

①監測硬件及串口服務器的組網設計；

②監測模塊軟件設計；

③監測數據的遠程在線傳輸方案設計。

3 地壓監測區域調查

在現場調查、采空區、礦柱、巷道地壓顯現規律的基礎上，兼顧經濟性、靈敏性、簡便性和可靠性的原則，確定每個監測點采用一個單點位移計、一組鉆孔應力計及一個錨桿應力計對礦山生產區域內重點系統工程、重要安全生產設施、重大采空區的穩定性進行實時監測。監測對象見表1。

4 監測系統安裝

4.1 鉆孔施工

根據傳感器對孔徑及孔深的要求，確定1#單點位移計(2.5m)鉆孔孔徑42mm，孔深3m；2#單點位移計(1.5m)鉆孔孔徑42mm，孔深2m；鉆孔應力計鉆孔孔徑42mm，孔深2m；鋼筋應力計鉆孔孔徑55mm，孔深2m。

表1 監測對象

4.2 傳感器安裝

1)單點位移計

按照設計的測點深度，將錨頭、傳遞桿，與位移計本體進行組裝。孔底放置錨固劑，將位移計送入孔內，單點位移計的信號線敷設至防水接線盒，具體如圖3所示。

圖3 單點位移計

2)鋼筋應力計

檢查鉆孔直徑和孔深，孔底放置錨固劑，插入鋼筋應力計，理順電纜，將信號線敷設至防水接線盒，具體如圖4所示。

圖4 鋼筋應力計

3) 鉆孔應力計

鉆孔打好后，用工具管子將傳感器送入孔內的一定深處，然后給傳感器一個初應力。記下傳感器的初頻，輸入儀表進行調零，將鉆孔應力計的信號線敷設至防水接線盒，具體如圖5所示。

圖5 鉆孔應力計

4) 傳感器安裝

防水接線盒及監控箱均用膨脹鉤固定在巷道壁上。

4.3 系統連接及顯示

系統主要線纜有光纜、通訊電纜、電源電纜和傳感器電纜。光纜采用4芯鎧裝光纖，通訊電纜采用4×1.0的屏蔽電纜，電源電纜規格為3×1.0。

傳感器安裝完成后，將傳感器信號電纜接入防水接線盒內，通訊電纜從接線盒內的485集線器引出，接入監控箱內的串口聯網服務器及光端交換機。光纜從發送端防水監控箱中的光端交換機接出，敷設并接入監控箱中的光纜終端盒，通過光端交換機。引出通訊電纜接入井下環網交換機網口端，直接通過井下環網將監測點傳感器的監測信息上傳到中控室。防水接線盒接線如圖6所示，發送端防水監控箱接線如圖7所示，接收端防水監控箱接線如圖8所示，中控室監測信息顯示如圖9所示。

圖6 防水接線盒接線

圖7 發送端防水監控箱接線

圖8 接收端防水監控箱接線

圖9 中控室監測信息顯示

5 結論

通過對井下生產區地壓進行長期、實時的在線監測，分析掌握地壓的變化規律，有效控制地壓活動。為井下采空區、礦柱、巷道的失穩、變形及破壞提供預報依據，技術保障地下礦山的安全生產。同時也為礦山今后礦體開采采礦方法、場結構參數、回采順序、巷道支護等提供參考依據。