一、前言
加強(qiáng)頂板監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)及時預(yù)警是有效防治頂板災(zāi)害的重要手段之一，也是提高頂板管理水平、加強(qiáng)數(shù)字化礦山建設(shè)的重要方面。頂板災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警是在大量案例分析基礎(chǔ)上，通過理論聯(lián)系實(shí)際，研究頂板災(zāi)害致災(zāi)因素，確定預(yù)警指標(biāo)和預(yù)警準(zhǔn)則，通過實(shí)時捕捉和分析災(zāi)害發(fā)生前的先兆信息和變化特征，及時預(yù)警，以消除可能發(fā)生的災(zāi)害，避免人員和財產(chǎn)損失。
二、綜采工作面頂板災(zāi)害監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)
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(zhǔn)確性。
針對井下濕度大、粉塵多、有爆炸性氣體等特點(diǎn)，在對比鋼弦式、壓阻式、應(yīng)變片式等傳感器類型的基礎(chǔ)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(shù)，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(bǔ)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(jī)器貼應(yīng)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(shí)現(xiàn)了達(dá)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(jìn)行采樣，最短2秒鐘進(jìn)行一次采樣，能夠?qū)⒅Ъ芙?、移、升全過程及頂板來壓產(chǎn)生的瞬間動載準(zhǔn)確記錄。
3.研制了干擾能力強(qiáng)、電池持續(xù)供電時間長的系列無線監(jiān)測設(shè)備。
基于460MHz無線射頻技術(shù)、微功耗設(shè)計及大容量電池供電技術(shù)，開發(fā)了系列無線監(jiān)測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了井下回采工作面穩(wěn)定傳輸距離達(dá)30m，回采順槽和掘進(jìn)工作面穩(wěn)定傳輸距離達(dá)100m，單塊電池持續(xù)供電時間達(dá)180天。
開發(fā)了自組織路由協(xié)議，傳輸網(wǎng)絡(luò)中任意一臺設(shè)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(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)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(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)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(shí)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(zhǔn)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(jié)果
圖2 安全閥開啟自動分析結(jié)果
6.基于B/S架構(gòu)開發(fā)了頂板動態(tài)監(jiān)測平臺，實(shí)現(xiàn)了井下環(huán)網(wǎng)、地面局域網(wǎng)以及遠(yuǎn)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(gòu)，模塊化開發(fā)理念，客戶端無需安裝復(fù)雜的監(jiān)測軟件，通過IE瀏覽器即可實(shí)時查看井下頂板安全狀態(tài)；開發(fā)了信號轉(zhuǎn)換器，實(shí)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(yuǎn)程傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了多礦井、多工作面的遠(yuǎn)程實(shí)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(zāi)害預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)
通過研究國內(nèi)近年來發(fā)生的頂板壓架事故實(shí)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(zāi)害預(yù)警指標(biāo)：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(gòu)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(dá)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)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(guān)鍵指標(biāo)，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(hù)強(qiáng)度和讓壓性能。不合理的支架工作阻力易導(dǎo)致支架關(guān)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(dāng)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(hù)液壓支架不被壓壞。安全閥的流量應(yīng)與頂板的來壓強(qiáng)度及立柱缸徑相適應(yīng)，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(dá)不到要求，液壓支架也可能被壓壞。二是卸荷后及時支撐，當(dāng)頂板壓力小于額定工作阻力時，安全閥關(guān)閉，以保持足夠的支護(hù)力。安全閥開啟率高反應(yīng)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(yīng)工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈的重要指標(biāo)，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(hù)作業(yè)空間安全的關(guān)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，大范圍支架處于不平衡狀態(tài)時極易導(dǎo)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(jié)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(guān)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(dǎo)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(jìn)，頂板循環(huán)下沉量疊加后極易導(dǎo)致頂板災(zāi)害發(fā)生，因此，頂板下沉量采煤工作面頂板控制的關(guān)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(dāng)煤層有角度或者頂?shù)装宀黄秸麜r，受力狀態(tài)更加復(fù)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(hù)效果，還會導(dǎo)致支架相互咬合、前移困難，降低工作面推進(jìn)速度，如果控制不好，易造成局部冒頂事故。
10.應(yīng)力和地質(zhì)異常區(qū)域：上分層開采遺留煤柱等應(yīng)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(yīng)不僅對采場已探明異常區(qū)域的礦壓顯現(xiàn)情況進(jìn)行實(shí)時預(yù)警，避免頂板來壓與異常區(qū)域疊加導(dǎo)致頂板事故，還要隨著工作面推進(jìn)及時超前探測，及時預(yù)警。
四、應(yīng)用實(shí)例
某煤業(yè)有限責(zé)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(jī)械化放頂煤開采，設(shè)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(qiáng)烈，頻繁發(fā)生壓架事故，沒有加強(qiáng)頂板監(jiān)測預(yù)警前，工作面最高月產(chǎn)僅21萬噸，長時間不能實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)300萬噸的設(shè)計生產(chǎn)能力。通過采用某頂板災(zāi)害監(jiān)測預(yù)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(shí)現(xiàn)24小時不間斷監(jiān)測和預(yù)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(shí)踐，工作面順利達(dá)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(qiáng)移架工人培訓(xùn)，嚴(yán)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(shè)計值的51%）提高至4818kN（占設(shè)計值的75%），支架上方頂板受力狀態(tài)得到顯著改善。
2.加強(qiáng)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(qiáng)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(shè)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(qiáng)礦壓數(shù)據(jù)分析，加快推進(jìn)速度。
通過對頂板來壓和淋水量的實(shí)時監(jiān)測，及時分析礦壓和淋水量觀測數(shù)據(jù)并預(yù)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(jìn)速度，保證工作面安全通過礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈和涌水量大的地段。
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