礦壓監測系統在巷道頂底板管理中的應用

王曉皓

（山西蘭花沁裕煤礦有限公司，山西晉城048212）

井下巷道頂板的安全管理對實現煤礦企業的安全生產有著極其重要的作用。同時頂板壓力大小、頂板動態特征離不開對礦壓監測的應用。但根據以往的經驗，在現行的綜采工作體系中，產能較小的煤礦尤其是民營煤礦，普遍采用單體液壓支架和工字梁的支護方式對頂板進行管理，缺乏對頂板壓力特征的全面了解。頂板下沉便難以避免，甚至出現局部冒落問題，對安全生產有著嚴重影響[1]。

礦壓監測系統是目前我國針對頂底板管理工作廣泛推廣的系統，結合先進的軟硬件技術，可以很好地實現對巷道頂板壓力參數、應力分布、來壓特征等數據的實時監測[2]。從而協助安全技術人員準確地了解頂板所處狀況，為合理制定管理措施提供指導意義。

1 礦壓監測系統概述

礦壓監測系統主要用于對綜采工作面的頂板礦壓情況進行揭示，為爆破泄壓、頂板管理、生產調整提供數據支撐。如圖1所示，系統主要由數字壓力計、數據采集器和計算機所構成。在應用過程中，將在工作面頂板進行布線、布點工作，再將傳感器安裝于單體支柱上對壓力進行記錄。定期記錄的礦壓數據在系統中生成“礦壓監測記錄表”，該表將包含工作阻力、頂板下沉量、初始支撐力等內容。

1.1 我國煤礦井下礦壓綜合監測系統的發展

圖1 礦壓監測系統示意圖

國外煤礦監測系統目前已發展到第四代分布式監控技術。我國在對礦壓監測系統的開發上，相較于歐美等多起步較晚，在20 世紀80 年代，大部分仍依靠引進為主，例如陽煤集團某礦引進法國所生產的CTT63/40 系統和撫順某礦引進的CMM20 系統。但隨著煤炭科研院所的研究工作的深入，重慶煤科院的和煤科院常州自動化研究所先后開發出了KJ90 系統和KJ95 系統。雖然國產礦壓監測系統仍有通用性不足、智能化較低等問題，但也可以對巷道壓力、作業環境、瓦斯濃度等方面進行全方位的監測。

1.2 煤礦頂板管理中礦壓監測的作用

礦壓監測是煤礦頂板管理中重要的組成部分之一，可以為后期頂板支護提供重要依據[3]，此外根據以往煤礦生產過程中礦壓監測的研究，發現該系統的作用主要集中在以下三方面：

（1）調整采高、控制采長。采高的規劃和礦壓大小有最直接的關系，如果對礦壓分析不準確，當采高過大時，會對支護量的大小產生誤判，冒頂事故的發生概率也會增加；而當采高過低時，會造成單體支護支架受力較大。因此采高的調整需要根據監測數據進行[4-5]。同時，在生產的過程中，也需根據礦壓來協調工作面循環速度，若采長過長，會導致工作面的更新、循環間隔加大和中間架會伴隨時間的延長，煤壁的受力進而增加。準確掌握礦壓變化對合理控制采長、提高工作面推進速度進而減輕支架壓力，對巷道圍巖控制有著積極的作用[6-7]。

（2）優化支護參數。液壓支架、錨桿、錨網是煤礦頂板管理工作中最常用的設備，只有充分了解礦壓數據，才能充分發揮支護設備所起到的作用，有效避免采掘過程中出現的冒頂、壓架等問題，提升了對煤礦運行安全管理的難度。

（3）降低事故隱患概率。在煤礦頂板管理工作中，礦壓監測可以及時地針對壓力變化過程中關鍵拐點數據進行處理、分析，從而發現隱患問題并對技術人員做出提示。

2 煤礦頂板管理中礦壓監測的應用

山西蘭花沁裕煤礦有限公司（以下簡稱“沁裕礦”），目前開采2號和15號煤層，生產能力0.9Mt/a。

2.1 頂底板巖石條件

在目前沁裕礦所開采的15 號煤層中，該煤層的直接頂為平均厚度12.5m 的灰巖，平均天然抗壓強度為65.3MPa、平均抗拉強度為4.3MPa，平均抗切強度為8.98MPa。根據鉆探巖芯資料顯示RQD值為75%左右，巖體質量較好。該煤層底板為泥巖，細分為鋁土質泥巖和砂質泥巖，根據巖樣測試報告顯示，底板泥巖吸水性較強，因此在開采的過程中易受地下水的影響造成巖石軟化現象，甚至可能產生“底鼓”現象。

2.2 巷道礦壓監測情況

針對沁裕礦的地質條件，加強礦壓監測系統應用可以有效了解錨桿支護順槽在掘進前、掘進后的圍巖活動規律，并對工作面采動期間圍巖應力特征進行分析。據此可以為巷道支護設計提供依據，確保巷道安全可靠。有關巷道礦壓監測的主要內容、目的及手段，沁裕礦提出了“四位一體”監測方案，具體見表1。

表1 巷道圍巖監測內容、目的及設備

根據表1，將在巷道內安設2 個監測站：第一個監測站安設于巷道掘進后的80m 位置處，第二個監測站安設于巷道掘進后的250m 位置處，具體測量內容如下：

（1）巷道表面位移。巷道表面的位移采用十字布點法對其進行監測。如圖1所示，在頂底板中部垂直方向和兩幫水平方向打鉆孔深為400mm的鉆孔，同時打入同尺寸的木樁。再選用彎形測釘和平頭測釘分別安設在頂板和底板加以固定，沿巷道軸向每間隔0.5m進行觀測。觀測方法采用尺讀法，即在拉緊測繩C-D時，記錄AO和AB值；在拉緊測繩A-B時，記錄CO-CD值。要求測量精度不低于5mm，掘進期間巷道變形穩定之前，每天觀測至少1次。

（2）圍巖深部位移。采掘巷道形成后，圍巖受擾動應力的影響，會出現不同程度的損傷演化。因此準確記錄圍巖深部位移可以在一定程度上反映巖體的受損狀態。針對15號煤層將在巷道支護過程中，對錨桿—錨桿間、錨桿—空隙間布置NL4200A 型多點位移計，每個斷面左右對稱共布置6個位移計，分別對巷道錨網支護斷面的直墻拱、起拱及三心拱處的變形進行監測。

圖2 巷道表面位移監測斷面布置圖

（3）頂板離層。對頂板巖層錨固范圍的巖層位移采用頂板離層指示儀進行測試，在安裝指示儀時應注意安裝位置與迎頭的距離不超過1.5m，從而可以更準確地捕捉頂板離層全過程。安裝工作完成后，應保證指示儀的兩個刻度墜均處于自由懸垂狀態，不可出現卡阻情況。頂板離層指示儀除作綜合監測外，還可以在日常監測中發揮作用。巷道每隔50m，安設一個頂板指示儀，但離層松動情況有增劇的趨勢發生，可以及時應對。

（4）巷道破壞狀況統計。巷道在施工開拓時，會難以避免地對圍巖造成破壞。巖石分析儀可以對巷道破壞的程度進行分析。在此過程中需安排技術人員及時對巷道做支護施工，而技術人員在抽測錨桿預緊力矩的同時，對預緊力進行校驗，如果不合格（不足200kN）須重新張拉至設計預緊力250kN。

2.3 礦壓監測數據分析與反饋

礦壓監測系統所采集的數據為設計參數的驗證及修正提供了理論依據，有效地反映了施工質量和巷道的使用狀況。具體來看，離層值方面：當發現頂板離層儀的監測數據大于50mm 時要停止掘進，對設計和施工重新進行布置；當離層值大于100mm 時，必須立即撤出人員，及時進行防護處理。支護方面：當錨桿受力達到其屈服載荷的80%、錨索受力達到其破斷載荷80%時，均應在其周邊補打同型號錨索，并對巷道圍巖應力重新計算，分析原因采取措施進行處理。施工過程中應保證預緊力、預緊力矩、錨固力達到設計要求，對于達不到設計要求的要重新補打。

3 結束語

綜上所述，隨著礦壓監測系統在我國煤礦頂板管理工作中的推廣，其所帶來的積極作用也愈發的受到煤礦頂板技術人員的重視。沁裕礦所提出的“四位一體”礦壓監測系統不僅可以幫助礦方更好地了解內部礦壓情況，還可以將圍巖的變形特征及時地傳輸到監測儀上，對于巷道的設計和施工極為有益，進而提高企業的生產安全。