煤巖巷道盾構施工狀態監測與預警系統的應用

謝 寶 亮

（大同煤礦集團王村煤業，山西 大同 037000）

0 引 言

目前，巖石開采采用的方式多為鉆爆法施工，該方式存在挖掘速度慢、勞動強度大、環境差的缺點，不能滿足煤礦生產的要求[1]。盾構掘進技術是一種應用在地鐵修建、隧道開鑿、礦產勘探的施工技術，具有機械化程度高、挖掘效率高、速度快、節約勞動力等優點[2-3]。我國在煤炭開采方面也開始使用這種技術，并在實際中應用。內蒙古神東補連塔煤礦2 號巷道采用單護盾式，該巷道長2 745 m，盾構掘進直徑7.63 m，用時4 個月貫通，最高月進尺639 m，總掘進長度2 718 m。2015 年，淮南礦業集團張集煤礦采用QJYC045M敞開式盾構機對巷道進行掘進，測量顯示最高班進尺寸為14.5 m，最高日進尺寸30.7 m，平均日進尺寸13.5 m，相當于每個月掘進404 m，效果良好[4]。新疆瑪納斯澇壩灣煤礦采用復合型盾構機，掘進總長度6 000 m，施工效率相比傳統工藝提高3 倍以上[5]。

1 盾構掘進技術破巖機理

煤礦巷道巖石破碎需要較大的功率和較為先進的工具，破碎巖石需要克服巖石做功，這是一個非常復雜的過程。巖石破碎當今存在2 種較為出名的理論，即剪切破碎理論和拉伸破壞理論。

1）剪切破碎機理。巖石受到盤形刀具巨大的推力，巖石儲存能量，當巖石內的能量到達一定程度時，在有限的體積內無法容納，向外釋放能量即發生巖石破裂。盤形刀具兩側產生剪切區，巖石會產生剪切破碎。

2）拉伸破壞機理。巖石與盤形刀具結合摩擦，刀具向巖石傳遞能量，巖石在能量的作用下產生裂紋。隨著刀具切入巖石深度的增加，裂紋逐漸擴大變成顯性裂紋。當顯裂紋接續擴展，發展到巖石表面，即形成巖石碎片。或者顯裂紋和相鄰刀具產生的顯裂紋交匯，也會出現碎片。

剪切破碎機理和拉伸破碎機理2 種理論并非獨立存在，有時在剪切破碎中存在著拉伸破碎，在拉伸破碎中存在著剪切破碎，相互交融，共同作用促成巖石破裂[5]。巷道碎石過程中，盤形滾刀破碎巖石如圖1所示。

圖1 盤形滾刀巖石破碎示意

刀具的刀刃在機械能的作用下進入巖石，巖石內層產生刮痕，裂痕出現在結合力最薄弱的位置，痕跡隨著刀具的進入逐漸增大。巖石給刀刃一個作用力，在該力的作用下，刀具頂部出現壓縮，巖石隨刀盤的回轉和滾刀的滾動變成破裂的碎片。

2 盾構施工監測系統

2.1 監測系統架構與設計

盾構施工監測系統采用PC 端+移動App 的結構模式，該結構通過互聯網瀏覽開展訪問，無須本地安裝，結構簡單。結合移動端App 的開發環境，結合巷道巖石掘進現場，開展盾構施工的實時監測。遠程監控模塊由數據服務端、系統結構硬件、被監控端軟件和工作監控端組成。監控服務器采用的高性能監控服務器，現場使用的PC 位于監控調度室。移動設備在手機端，方便攜帶，通訊采用公用網絡，該監控邏輯架構如圖2 所示。

圖2 系統邏輯結構

盾構機監控系統屬于良好的信息管理平臺，能夠實現對工作環境的實時監測，施工條件、施工狀況都在監測范圍之內，模塊化管理，能夠管理二維和三維模型。盾構機監測系統實現礦石掘進的監測，有效管理。與全站儀建立實時接口，利用計算機和三維信息，可以完成一個完整的過程監測。

2.2 監測系統數據傳輸

對于盾構施工監測系統來說，科學合理的數據傳輸是保證監測及時準確的必要條件，信息出現延誤或者不準確都可能導致監測錯誤，所以適當的數據傳輸方式尤為重要。

當前，常用的數據傳輸方式包括ftp、socket、數據庫共享等。在數據傳輸時，實時性對數據有限制，連接池對數據傳輸也有限制，實時傳輸最快的方法為socket 方法。數據傳輸系統的組成包括服務器和客戶機，請求報文格式和響應報文格式受服務器和客戶端約定。服務器在實時監控系統中對傳輸數據提供服務，傳輸協議保證數據傳輸的實現，協議形式多樣，可以是TCP 協議，也可以是UDP 協議。客戶機進行端口的信息交互，信息交互及時的監測效果的要求。

3 應用實踐

開展盾構監測預警系統的實際驗證，驗證地點選擇在同煤集團王村礦進行實踐，在試驗中考察該監測系統的實用性和可靠性。盾構機監測系統能夠實現多種功能，同時也具有多種模塊，主要包括兩大功能和三大模塊，即PC 端功能和移動端功能；模塊有盾構運行模塊、實時監測和預警管理模塊、報表統計分析模塊。

3.1 PC 端功能

3.1.1 盾構運行狀態

盾構機實時監測系統依據遠程連接，可以進入監測系統模塊。盾構機在巷道掘進過程中是否出現偏差及掘進情況能夠通過屏幕直觀看出，盾構機位置偏移量預警系統如圖3 所示。

圖3 盾構機位置偏移量預警系統

由圖3 可知，該項目的盾構機工作狀態可以實時讀取，從系統運行狀態中可以看出螺旋機轉速、刀盤轉速等各種信息，有利于施工人員把握盾構機的掘進狀態，更精確地按設計方案開展施工。不僅有利于掌握施工數據，對于工程進度和工程安全也十分重要。

3.1.2 實時監測預警模塊

盾構機施工過程中可能存在多種風險，盾構機掘進時可能會出現沉降、位置偏差、設備故障等，對于其工作狀態監測，發現風險及時報警，有效減少故障，減少施工過程損失，對于煤礦安全生產非常重要。該模塊的功能包括2 部分，即風險監測和預警統計。風險監測功能對施工區的監測點布置圖進行提供，此外還有施工區域的二維CAD 工程，根據監測點的預警獲取信息，盾構機監測系統預警監測狀態如圖4 所示。

圖4 盾構機監測系統預警監測狀態

預警監測功能能夠提供盾構機本身的風險，施工過程中監測點故障也可進行統計顯示，有利于施工人員查詢，提前預防，避免故障發生。

3.1.3 報表統計分析

盾構機監測到所能監測的全部數據，然后對這些數據進行分析和統計，輸出一種可視化圖形，便于直觀顯示情況。盾構機監測系統報表分析如圖5 所示。

圖5 盾構機監測系統報表分析

由圖5 可知，盾構機監測系統監測到的數據包括材料消耗、掘進進度、事件統計、匯總統計，輸出水泵流量和總推力大小，有利于工作狀態分析。

3.2 移動端功能

盾構施工監測預警系統的移動端是監測系統重要組成部分，包含許多重要的功能，這些功能可以實現多用途，包括數據分析、監測預警，可以隨時查看監測狀態，有利于煤礦巷道掘進過程中的管理。

3.2.1 掘進狀態

開展掘進狀態模擬，采用三維模擬效果可以在手機端直接查看，能夠看到掘進機盾尾前艙、中倉、后倉的油壓大小。其他方便查看的信息也能直接看到，移動端盾構監測系統掘進狀態如圖6 所示。

圖6 移動端盾構監測系統掘進狀態

3.2.2 監測系統預警

盾構監測系統在監測盾構機工作狀態下，如果出現異常，監測系統會把異常情況以圖片的形式展示在移動端，方便查看和解決異常。油缸壓力，螺旋機壓力和刀盤轉速都能通過監測系統觀察。對于呈現在移動端的監測情況，工作人員能夠及時發現預警并開展風險管理，把影響降低到最小程度。移動端預警監測對比如圖7 所示。

圖7 移動端預警監測對比

4 結束語

盾構施工方法作為一種煤巖巷道開采技術，其優異的性能正在得到更多的應用。為了更好的實現煤礦巷道掘進，本文提出一種盾構施工監測系統，對巷道掘進現場環境和工作條件開展模擬，完成盾構機工作狀態監測和偏差預警。開展煤礦掘進現場驗證，結果顯示，該監測系統可以實現監測功能，對于盾構機的監測具有較好的效果。