一、前言
加強頂板監(jiān)測，實現(xiàn)及時預警是有效防治頂板災害的重要手段之一，也是提高頂板管理水平、加強數(shù)字化礦山建設的重要方面。頂板災害監(jiān)測預警是在大量案例分析基礎上，通過理論聯(lián)系實際，研究頂板災害致災因素，確定預警指標和預警準則，通過實時捕捉和分析災害發(fā)生前的先兆信息和變化特征，及時預警，以消除可能發(fā)生的災害，避免人員和財產(chǎn)損失。
二、綜采工作面頂板災害監(jiān)測關鍵技術
1.創(chuàng)新采用高可靠性“濺射薄膜壓力傳感器”，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)準確性。
針對井下濕度大、粉塵多、有爆炸性氣體等特點，在對比鋼弦式、壓阻式、應變片式等傳感器類型的基礎上，某型號產(chǎn)品創(chuàng)新使用濺射薄膜壓力傳感器。該類傳感器是即在10級超潔凈空間中，利用離子束濺射技術，將絕緣材料、電阻材料、焊接材料以分子形式淀積在彈性不銹鋼膜片上，再經(jīng)過光刻、調(diào)阻，溫度補償?shù)裙ば?，在彈性不銹鋼膜片表面上形成牢固而穩(wěn)定的惠斯頓電橋。相比傳統(tǒng)的人工或機器貼應變片式傳感器，更耐久、更精確。
2.創(chuàng)新智能型傳感器采樣模式，實現(xiàn)了達秒級采樣。
創(chuàng)新采用“智能型采樣模式”，根據(jù)壓力變化（0.1MPa）進行采樣，最短2秒鐘進行一次采樣，能夠?qū)⒅Ъ芙怠⒁?、升全過程及頂板來壓產(chǎn)生的瞬間動載準確記錄。
3.研制了干擾能力強、電池持續(xù)供電時間長的系列無線監(jiān)測設備。
基于460MHz無線射頻技術、微功耗設計及大容量電池供電技術，開發(fā)了系列無線監(jiān)測設備，實現(xiàn)了井下回采工作面穩(wěn)定傳輸距離達30m，回采順槽和掘進工作面穩(wěn)定傳輸距離達100m，單塊電池持續(xù)供電時間達180天。
開發(fā)了自組織路由協(xié)議，傳輸網(wǎng)絡中任意一臺設備故障，可自由選擇傳輸路徑，大大提高了無線傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。
4.開發(fā)了兩級數(shù)據(jù)存儲功能，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性、及時性。
系統(tǒng)傳感器內(nèi)部擁有閃存，線路故障后，閃存內(nèi)能夠存儲7-15天的監(jiān)測數(shù)據(jù)，當系統(tǒng)恢復后，自動上傳閃存內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)；系統(tǒng)分站擁有“U盤”存儲功能，系統(tǒng)線路故障后，U盤能夠存儲至少1個月的數(shù)據(jù)，當系統(tǒng)恢復后，系統(tǒng)既可以自動上傳分站內(nèi)的U盤數(shù)據(jù)，也可以通過人工將U盤數(shù)據(jù)拷貝到數(shù)據(jù)庫。
5.開發(fā)了礦壓數(shù)據(jù)自動分析模型，實現(xiàn)了報表及報告的自動分析。
根據(jù)支架移架過程中的阻力變化特征，研發(fā)了初撐力及循環(huán)末阻力自動分析模型，根據(jù)安全閥開啟時的“鋸齒”型曲線牲，開發(fā)了安全閥開啟率自動分析模型，分析界面如圖1和圖2所示。為顯著提高礦壓數(shù)據(jù)分析準確性和分析效率，開發(fā)了報表及報告的自動分析功能。
圖1 支架初撐力和循環(huán)末阻力自動分析結果
圖2 安全閥開啟自動分析結果
6.基于B/S架構開發(fā)了頂板動態(tài)監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了井下環(huán)網(wǎng)、地面局域網(wǎng)以及遠程英特網(wǎng)的“三網(wǎng)”無縫對接，多工作面、多礦井的聯(lián)合監(jiān)測。
系統(tǒng)軟件基于B/S架構，模塊化開發(fā)理念，客戶端無需安裝復雜的監(jiān)測軟件，通過IE瀏覽器即可實時查看井下頂板安全狀態(tài)；開發(fā)了信號轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了CAN總線信號通過RS485或者RJ45方式與以太環(huán)網(wǎng)的無縫對接；開發(fā)了數(shù)據(jù)采集與遠程傳輸協(xié)議，實現(xiàn)了多礦井、多工作面的遠程實時監(jiān)測，顯著提高了頂板監(jiān)測水平。
三、綜采工作面頂板災害預警關鍵技術
通過研究國內(nèi)近年來發(fā)生的頂板壓架事故實例，包括伊泰酸刺溝礦、華能扎賚諾爾煤業(yè)公司鐵北礦、霍州煤電干河礦、同煤塔山礦等，提出了10個采煤工作面頂板災害預警指標：初撐力合格率、最大工作阻力、安全閥開啟率、頂板來壓步距、支架不平衡率、支架不保壓率、增阻率、頂板循環(huán)下沉量、支架傾角以及地質(zhì)構造等異常區(qū)域。
1.初撐力：是指支柱通過頂梁而給予頂板的主動支撐力。較大的初撐力有三個方面的作用，一是能使支架較快達到工作阻力，減小頂板初期下沉量，防止頂板早期離層破碎；二是提高基本頂鉸接巖塊的水平作用力和摩擦力，有利于基本頂形成暫時穩(wěn)定的鉸接結構，減少上覆巖層變形壓力對支架載荷的影響。三是有利于支架提供足夠的切頂力，促使頂板在移架后及時破斷。初撐力水平低易導致工作面發(fā)生壓架、漏冒或推垮事故。
2.支架最大工作阻力：不僅是分析工作面動載系數(shù)的關鍵指標，也是衡量支架額定工作阻力是否合理的重要依據(jù)之一。工作阻力越大，說明頂板破斷時對支架造成的動載越大，要求支架具有較高的支護強度和讓壓性能。不合理的支架工作阻力易導致支架關鍵元部件損壞或者壓死支架，甚至釀成頂板事故。
3.支架安全閥：安全閥有兩個作用，一是卸荷作用，當工作面頂板壓力超過支架額定工作阻力時，安全閥自動打開卸載，以保護液壓支架不被壓壞。安全閥的流量應與頂板的來壓強度及立柱缸徑相適應，如果安全閥的公稱流量選擇過小，頂板來壓時支架的卸壓速度達不到要求，液壓支架也可能被壓壞。二是卸荷后及時支撐，當頂板壓力小于額定工作阻力時，安全閥關閉，以保持足夠的支護力。安全閥開啟率高反應支架對頂板載荷無法滿足頂板來壓的需要，易發(fā)生壓架或者切頂事故。
4.頂板來壓步距：頂板來壓步距是反應工作面礦壓顯現(xiàn)強烈的重要指標，工作面來壓步距越長，采空區(qū)懸頂面積越大，大面積垮落時造成的危害越大。工作面來壓步距長易造成壓垮型事故。
5.支架不保壓：液壓支架是綜采（放）工作面三大重要裝備之一，起著支撐頂板、維護作業(yè)空間安全的關鍵作用。支架工作性能能否充分發(fā)揮直接決定回采工作面的頂板是否安全。支架不保壓，即支架的末阻力小于初撐力，這種工作狀態(tài)表明支架工作阻力在采煤循環(huán)過程中呈下降趨勢，頂板來壓時不能有效發(fā)揮支撐頂板的作用，大面積支架產(chǎn)生不保壓工況，極易造成工作面發(fā)生切頂或壓架事故。
6.支架不平衡：即支架左（前）右（后）立柱受力不均勻，支架受偏載易損壞關鍵結構件，大范圍支架處于不平衡狀態(tài)時極易導致切頂壓架事故。酸刺溝煤礦發(fā)生大范圍壓架事故的6上105-2工作面監(jiān)測結果表明，事故發(fā)生前柱受力為后柱受力的2.18倍。
7.增阻率：增阻率為支架循環(huán)末阻力與初撐力的差值，增阻率不僅反映支架載荷增長程度，還反映支架與圍巖的相互作用關系。研究表明，頂板下沉量與增阻率成正比，與底板-支架-頂板串聯(lián)剛度成反比，增大初撐力可壓縮底板浮煤和頂板破碎層，增加底板-支架-頂板串聯(lián)剛度，增阻率分布在低的范圍可能性越大，超有利于頂板控制。
8.頂板循環(huán)下沉量：指單個采煤循環(huán)過程中，液壓支架從初撐力到循環(huán)末阻力期間的頂板位移量，頂板循環(huán)下沉量增加表明上位直接頂或者基本頂產(chǎn)生變形或破壞，易導致頂板離層，增加工作面片幫和冒頂概率。隨著采煤工作面的推進，頂板循環(huán)下沉量疊加后極易導致頂板災害發(fā)生，因此，頂板下沉量采煤工作面頂板控制的關鍵。
9.支架傾角：支架傾角指的是支架沿采煤工作面走向或者傾斜方向的傾斜角度。液壓支架在井下受頂板、底板、采空區(qū)矸石以及相鄰支架等各種水平和垂直外力的作用，易產(chǎn)生傾倒和歪斜現(xiàn)象，尤其是當煤層有角度或者頂?shù)装宀黄秸麜r，受力狀態(tài)更加復雜，傾倒和歪斜難以避免。支架傾倒和歪斜后不僅會降低圍巖支護效果，還會導致支架相互咬合、前移困難，降低工作面推進速度，如果控制不好，易造成局部冒頂事故。
10.應力和地質(zhì)異常區(qū)域：上分層開采遺留煤柱等應力異常區(qū)域以及斷層、陷落柱等地質(zhì)異常區(qū)域是各類頂板事故易發(fā)區(qū)域，回采過程中應不僅對采場已探明異常區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)情況進行實時預警，避免頂板來壓與異常區(qū)域疊加導致頂板事故，還要隨著工作面推進及時超前探測，及時預警。
四、應用實例
某煤業(yè)有限責任公司的主力生產(chǎn)礦井新二采區(qū)右三片工作面開采Ⅱ2a煤層，平均厚度13.9m，埋深340m，采用綜合機械化放頂煤開采，設計割煤高度3.2m，平均放煤高度5.5m，工作面走向長1680m，傾斜長度165.5m，煤層傾角4～7°。直接頂為3.5～4.0m的劣煤與泥巖互層，較為穩(wěn)定，基本頂為砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)砂巖互層，Ⅱ2a煤層頂板以上主要有4層砂巖含水層。
由于右三片綜放工作面礦壓顯現(xiàn)強烈，頻繁發(fā)生壓架事故，沒有加強頂板監(jiān)測預警前，工作面最高月產(chǎn)僅21萬噸，長時間不能實現(xiàn)年產(chǎn)300萬噸的設計生產(chǎn)能力。通過采用某頂板災害監(jiān)測預警平臺，對液壓支架初撐力、末阻力、安全閥開啟、不保壓率、不平衡率等實現(xiàn)24小時不間斷監(jiān)測和預警，及時采取有效措施保證支架處于良好的工作狀態(tài)。通過一段時間的實踐，工作面順利達產(chǎn)，年產(chǎn)量由原來的不足250萬噸提高至350萬噸。采取的主要措施如下：
1.提高初撐力水平。
通過加強移架工人培訓，嚴格規(guī)范移架工操作，要求移架后必須穩(wěn)定給液30秒以上，給足支架初撐力。通過更新泵站，保證乳化液配比，支架初撐力水平由原來的3287kN（占設計值的51%）提高至4818kN（占設計值的75%），支架上方頂板受力狀態(tài)得到顯著改善。
2.加強液壓支架檢修工作和放煤工藝管理，重新調(diào)定安全閥開啟值。
加強支架密封、管路和安全閥的檢修工作，共更換約20個支架密封件，12個不合格安全閥，重新設定6個安全閥的開啟值。隨著放煤量的增加，來壓時工作面局部區(qū)域出現(xiàn)了沖擊載荷，但通過采取杜絕將頂煤放空，提高支架工況等措施，工作面能夠順利度過頂板來壓期。
3.加強礦壓數(shù)據(jù)分析，加快推進速度。
通過對頂板來壓和淋水量的實時監(jiān)測，及時分析礦壓和淋水量觀測數(shù)據(jù)并預警，在頂板來壓前通過降少放煤量，必要時降低采高，加快推進速度，保證工作面安全通過礦壓顯現(xiàn)強烈和涌水量大的地段。
轉(zhuǎn)化果平臺咨詢電話：4001817969
