文/韓玉忠 劉 勇 崔保國

山東能源新礦集團孫村煤礦作為全國開采最深的礦井之一，冒頂、圍巖坍塌等頂板災害嚴重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。針對孫村煤礦深井、高壓力、支護困難的現(xiàn)狀，在埋深超千米的21121工作面及2223工作面推廣使用注漿錨索支護，為驗證注漿錨索支護效果，對回采工作面超前支護段采用注漿錨索加強支護，逐步代替單體支柱超前支護方式。為對頂板及煤巖體應力進行實時動態(tài)監(jiān)測，特研發(fā)一種具有高可靠性的頂板離層安全監(jiān)控及預警系統(tǒng)，實現(xiàn)對工作面頂板離層、圍巖應力的多參數(shù)綜合監(jiān)測和分析，建立了一套能夠為安全生產(chǎn)決策提供支持的預警及信息發(fā)布系統(tǒng)，為沖擊地壓防治工作提供技術支撐。

一、項目基本情況

孫村煤礦21121工作面、2223工作面位于-1100水平二采區(qū)，最大埋深1303米，巷道埋深大，斷層地質(zhì)構造復雜，在高應力的作用下頂板圍巖破碎，支護困難，在保證安全的前提下，通過試驗注漿錨索加強支護，將工作面超前單體支柱由兩排減少為一排，排距由0.8米擴大到1.6米，直至完全由注漿錨索超前支護取代單體支柱，不僅實現(xiàn)了工作面兩巷的干凈利索、寬敞明亮，還減少了兩巷的超前支柱支護工作量，降低了職工的勞動強度，改善了工作環(huán)境。

在試驗注漿錨索超前支護過程中，為了能夠同時滿足高安全性、高測量精度、使用方便、實時動態(tài)監(jiān)測的要求，孫村煤礦與山東科學院、山東道寬智能科技有限公司合作進行現(xiàn)場試驗，合作研發(fā)出一種高可靠性的光纖頂板安全監(jiān)控及預警系統(tǒng)，實現(xiàn)對工作面頂板壓力、圍巖應力的綜合監(jiān)測，對多參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行有效融合分析，為頂板支護參數(shù)優(yōu)化提供技術支撐，建立起一套完整的安全生產(chǎn)決策及信息發(fā)布系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)的性能及應用情況

1.錨注支護光纖智能化監(jiān)測控制系統(tǒng)性能及優(yōu)勢

目前，煤礦頂板災害監(jiān)測預警技術水平與安全生產(chǎn)要求之間存在著較大差距，主要表現(xiàn)在：監(jiān)測技術落后，傳感器可靠性差、維護工作量大，監(jiān)控系統(tǒng)在信號采集及傳輸線路中受電磁場干擾嚴重。此外，由于現(xiàn)在的傳感器都需要供電，具有一定的安全隱患。

相比較于傳統(tǒng)的煤礦安全監(jiān)控及災害監(jiān)測預警技術，光纖傳感技術以光作為信息載體，用光纖作為傳輸工具，具有傳輸距離遠、不帶電、本質(zhì)安全、長期可靠等獨特優(yōu)勢，在煤礦安全監(jiān)測技術的本質(zhì)安全性、多功能等方面實現(xiàn)了重要突破，也將成為煤礦安全隱患的遠程在線監(jiān)測的重要技術手段，極大地促進本質(zhì)安全型煤礦建設和實現(xiàn)頂板安全。

光纖煤礦頂板安全綜合監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析與控制三大部分構成，傳感器是制約系統(tǒng)整體水平的技術瓶頸。研發(fā)新一代適合煤礦安全領域應用的先進傳感器并以此為基礎構建新型光纖煤礦頂板安全綜合監(jiān)測系統(tǒng)，消除當前的監(jiān)控盲區(qū)，提升系統(tǒng)的可靠性和應急狀態(tài)連續(xù)監(jiān)測能力，對于實現(xiàn)煤礦安全發(fā)展具有十分重要的意義。

2.錨注支護光纖智能化監(jiān)測控制系統(tǒng)的應用

孫村煤礦分別在埋深超千米的21121工作面、2223工作面等不同地質(zhì)條件下的回采工作面進行錨注支護智能化監(jiān)測控制實驗，并進行頂板離層、煤體應力觀測，使用窺視儀對頂板裂隙發(fā)育進行錄像對比，為支護參數(shù)的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，通過成功實踐，礦井全面推廣注漿錨索，取代架棚支護，并根據(jù)實驗結果制定了注漿錨索在各類復雜頂板條件下的使用標準及支護方式。

光纖頂板離層監(jiān)測傳感器有兩個錨固端，分別對應深基點和淺基點，根據(jù)21121工作面頂板巖層的柱狀圖可知，頂板為厚度8～10m的灰色粉砂巖，光纖頂板離層監(jiān)測傳感器從距切眼30m開始，按照間距20m一組布置，第一組安裝深基點孔深6m，淺基點孔深3m，第二組安裝深基點孔深8m，淺基點孔深3m，以此類推，間隔放置，當工作面推采至距離傳感器5m時拆除。頂板離層傳感器安裝示意圖如圖1所示。

3.錨注支護光纖智能化監(jiān)測控制需要達到的效果

一是實現(xiàn)頂板離層的遠程實時觀測；二是注漿錨索支護穩(wěn)定性的評估及潛在危險性預測；三是監(jiān)測超前支撐壓力影響范圍、壓力的前移速度等。光纖頂板監(jiān)測系統(tǒng)采用先進的光纖傳感技術，對頂板上述關鍵點進行長期動態(tài)監(jiān)測，對離層量超標預警提示，為煤礦的安全生產(chǎn)提供了可靠的保障。

圖1 頂板離層傳感器安裝示意圖

4.錨注支護光纖智能化預警流程

（1）預警值設置。一級預警：50mm；二級預警：100mm。

（2）預警流程。頂板離層預警按照以下流程進行。

①當離層超過50mm時，一級預警，發(fā)短信、聲光報警→編制一級預警通知單報送調(diào)度室、安監(jiān)處、生產(chǎn)技術部、采掘單位→生產(chǎn)技術部制定加強支護方案，采掘單位補打錨索，安監(jiān)處監(jiān)督整改。

②當離層超過100mm時，二級預警，發(fā)短信、聲光報警→編制二級預警通知單報送調(diào)度室、安監(jiān)處、生產(chǎn)技術部、采掘單位→生產(chǎn)技術部制定加強支護方案，采掘單位復棚加固，安監(jiān)處監(jiān)督整改。

三、頂板離層傳感器的優(yōu)化改造

21121工作面安裝頂板離層儀后，經(jīng)過一段時間的實驗，發(fā)現(xiàn)十一層破碎頂板雖然補打了注漿錨索加強了支護強度，但在斷層、地質(zhì)構造附近的頂板離層量甚至達到200mm以上，頂板離層傳感器離層量程已經(jīng)不能滿足需要，通過與山東道寬智能科技有限公司合作，研發(fā)量程達到500mm的新型大量程頂板離層傳感器，避免了離層量超過傳感器量程造成的傳感器損壞現(xiàn)象，同時在傳感器上能夠現(xiàn)場觀測離層數(shù)據(jù)，保證了設備的正常使用。

四、實施效果

孫村煤礦通過研發(fā)應用高可靠性的光纖頂板安全監(jiān)控及預警系統(tǒng)，取得了良好實效，促進了安全生產(chǎn)。

1.在煤礦綜采工作面生產(chǎn)中，對工作面兩巷頂板進行連續(xù)監(jiān)測，優(yōu)化了巷道變形監(jiān)測手段，簡化了監(jiān)測流程，減少了人員數(shù)量，提高了生產(chǎn)效率。

2.建立起多工作面頂板數(shù)據(jù)管理預警體系，實現(xiàn)頂板離層的自動預警，對離層地點采取技術措施進行加強支護，避免頂板事故的發(fā)生，實現(xiàn)礦井的安全生產(chǎn)。

3.通過對注漿錨索支護的監(jiān)測，改革了工作面超前支護形式，采用注漿錨索代替液壓支柱超前支護方式，減輕了工人勞動強度，提高了勞動效率，為礦井單班百人下井目標打下堅定基礎。