回采工作面顶板灾害监测及预警技术研究

1、回采工作面顶板灾害监测及预警技术研究作者 余莉摘要：顶板事故是煤矿五大灾害之一，顶板事故是指矿井在开采过程中采掘工作面或已掘的巷道中发生的冒顶、片帮、掉矸等造成的人身伤亡和生产事故，掌握冒顶事故的预兆及其预防措施是煤矿安全生产的重要保证。因此，必须掌握顶板事故发生的原因及征兆，掌握顶板动力变化的监测技术，及时对顶板事故的发生进行预测及预警，以便及时采取相应的措施，降低煤矿顶板事故的发生，保证煤矿的安全生产。关键词：顶板灾害；致灾因素；顶板控制；监测预警为研究顶板灾害致灾因素及防治方法，按照顶板灾害成因将综采工作面顶板灾害分为工作面煤壁处冒顶、工作面出口处的冒顶、地质构造区的局部冒顶、复合顶板下

2、的推垮型冒顶、压垮型冒顶、大面积冒顶；将巷道顶板灾害分为掘进工作面冒顶、巷道交岔处冒顶、构造区巷道冒顶。总结得出了各类顶板灾害的致灾因素主要有煤层倾角、围岩性质、地质构造等自然因素及采煤方法、顶板管理、巷道布置等开采技术因素。提出了顶板灾害防治思路：了解对象、优化设计、监测预警、及时治理，并应用顶板灾害监测系统对顶板实时监测与预警，及时采取加快工作面推进速度，提高支架初撑力措施，有效保障工作面顶板的安全。1 我国煤矿顶板事故灾害预测及预警技术的现状煤矿灾害中，顶板事故对矿井的建设、安全生产危害性极大。目前我国煤矿整合力度逐渐加大，顶板控制技术逐渐增强，然而顶板事故并未减少，据国家煤矿安全监察局

3、统计1，在“十一五”期间，顶板事故发生起数和死亡人数分别占总事故起数和死亡人数的52.9%和38.1%，均居各类灾害之首。2012年全国煤矿共发生顶板事故366起，死亡459人，分别占全国煤矿事故总起数和死亡人数的47%和33.2%，继续居各类事故之首2，因此煤矿安全状况的根本好转，关键还在于如何大幅减少顶板灾害。除了高强度回采工作面增多、对西部矿区煤层矿压特点缺乏了解外，最主要的原因是生产过程中缺少监测或用监测数据预警顶板灾害。我国矿压监测系统或顶板监测系统及成套技术比较成熟，但是普遍存在几个问题：一是采样间隔时间长，仅能满足安全监控系统30s巡检周期的要求，不能及时捕捉顶板及支护体状态；二

4、是没有对监测数据进行深入专业的分析，不能形成顶板灾害预警指标。目前的技术仅仅实现了监测系统的数据采集和通信，由于对矿山压力和顶板活动规律缺乏专业、深入的研究，系统不能实现真正意义上的连续监测，因此不能准确、真实地反映顶板安全状况，更无法进行顶板灾害的预警。本文着重实现矿压数据的自动分析和灾害预警，而研发煤矿顶板灾害监测系统。被测量参量主要包括支架工作阻力、工作面超前支承压力、煤体受力、巷道顶板离层、锚杆锚索受力等，该系统通过传感器采集应力、应变、位移等参数，由监测分站及传输网络传输到地面服务器，通过预设的统计方法和数学模型计算预警指标，结合煤矿工作面开采条件，实现采煤工作面顶板灾害的预警。2

5、工作面顶板灾害类型及致灾因素分析2.1工作面顶板灾害类型随着煤矿开采技术与装备的发展，我国煤矿机械化开采技术得以大面积推广应用，顶板灾害事故逐年减少，百万吨死亡率大幅下降。推广应用综合机械化开采技术是减少顶板灾害事故的重要手段，但对于复合顶板、松软煤层、浅埋煤层、深部开采及坚硬顶板等开采条件，虽然采用综合机械化开采，顶板灾害仍时有发生3。根据顶板灾害力源及范围，综采工作面顶板灾害可分为以下 6 类：1、工作面煤壁处冒顶。煤壁松软或割煤高度、顶板来压致煤壁片帮，支架空顶距大，无支护区域发生冒顶；煤层顶板松软，支架支护不及时。2、工作面出口处的冒顶。工作面出口处设备多，控顶面积大，应力集中程度高；

6、巷道顶板在超前支承压力作用下已产生破坏，端头支护不合适。3、地质构造区的局部冒顶。地质构造区煤岩体通常较破碎，当工作面过构造区时，破碎煤岩在构造应力与采动应力作用下容易发生冒顶。4、复合顶板下的推垮型冒顶。复合顶板由不同岩性岩层组成，岩层与岩层之间有弱面，夹有煤线或有薄煤层软弱岩层，易产生离层下沉，当下沉量达到一定程度后易断裂、冒落、当煤层倾角较大时，局部冒顶可诱发大面积漏顶，漏顶区域支架支护失效，在重力作用下向冒顶区倾倒，随冒顶区域不断向上发展，引起支架大面积倾倒，诱发推垮型冒顶。5、压垮型冒顶。在工作面推进方向上存在与工作面平行的构造，或工作面埋深浅、基岩薄，当工作面支护强度不足时，直接顶

7、出现台阶下沉，如果支架不能控制顶板进一步下沉，将发生压垮型冒顶，支架压死。6、大面积冒顶。工作面顶板为厚且坚硬的岩层，顶板来压步距达到50米以上，当顶板的自身强度不能承受上覆岩层和自身的质量时，出现突然的大面积断裂垮落，将采空区中的空气或瓦斯瞬间压出，造成冲击伤害，有时诱发瓦斯灾害事故。另外在中等稳定以上的顶板条件下，工作面回采过程中遇到断层或裂隙时，也可能发生大面积冒顶。2.2煤矿顶板灾害致灾因素分析（1）自然因素1、煤层倾角。煤层倾角对采煤工作面设备稳定性及矿山压力显现的影响较大，煤层倾角越大，设备及顶板在重力作用下稳定性越差，当煤层及顶板稳定性较差时，极易发生机道及支架上方漏冒顶。大倾角

8、煤层由于掘进过程中破坏了巷道顶底板煤岩层完整性，锚杆锚索沿层理面支护，不能有效地将不同层的煤岩加固，巷道冒顶概率增加。2、围岩性质及其组成。采煤工作面及巷道的围岩，一般是指直接顶、基本顶以及直接底的岩层，放顶煤工作面支架及巷道上方为顶煤。围岩稳定性对安全生产有着直接的影响，其中直接顶或顶煤的稳定性、厚度直接决定着支架的选型、支护方式的确定及巷道的支护参数，是引起局部冒顶的主导原因。3、地质构造。各种地质构造，如断层的存在可能改变顶板冒落的一般规律，造成回采工作面突然来压和冒顶。当巷道开掘至地质构造区，由于围岩破碎且常伴有构造应力释放，极易发生各种规模的冒顶及动力灾害现象。4、开采深度。开采深度

9、直接影响着原岩应力大小，同时也影响着开采后巷道或工作面周围岩层内支承压力的大小。随着采深增加，支承压力必然增加，从而导致工作面煤壁片帮冒顶及巷道底鼓概率增加。5、煤层厚度。随煤层厚度的加大，巷道高度及割煤高度也随之加大，发生煤壁片帮诱发的顶板事故增多，一般中厚及厚煤层要比薄煤层发生顶板事故的概率大。（2） 开采技术因素开采技术对采煤工作面顶板管理的影响不仅与支护方式有关，还受到回采工艺及其参数(割煤高度、控顶距、循环进度等)、采空区处理方式、是否分层开采等开采技术因素的影响。开采技术对巷道顶板控制的影响主要有:工作面巷道布置方式、煤柱尺寸、巷道支护方式与参数、掘进落煤方式及采动影响等。对于自然

10、因素，关键在于分析各因素对顶板控制的影响，确定主要致灾因素，并在采掘工作面设计中提出顶板灾害针对性防范措施。对于开采技术因素，应从减少应力集中、控制围岩变形的角度优选巷道布置、采掘工艺和支护方式，优化工作面参数，确定合理支护强度及采掘装备4。3 顶板灾害危险区域实时监测与预警3.1 顶板灾害危险区域实时监测与预警的作用煤矿顶板灾害的发生主要受自然因素与开采技术因素影响，煤矿进行各类采掘活动一般均需要制定与煤层赋存条件及开采技术条件相应的安全技术措施，但各类顶板灾害仍时有发生。究其原因主要是煤矿采掘过程中煤岩赋存条件及采动应力场、位移场常发生变化，这些变化的发生使原有按照一定条件制定的安全技术措

11、施不能满足顶板控制的要求，导致顶板事故的发生。目前对于煤矿地质情况的勘探已有多种手段，如钻探、物探及巷探等，较大的地质变化已基本能够查明，但大量小的地质异常体探测手段还较缺乏，特别是采掘工作面的隐伏构造。对于由于采掘活动导致的围岩及支护体应力、位移变化探测主要采用顶板矿压监测的方法，可监测的参数较多，精度较高且可以实现在线监测测5。3.2 顶板灾害危险区域实时监测与预警的技术原理针对巷道顶板灾害危险区域，可通过设立测站监测该区域围岩变形、顶板离层及支护体受力情况，根据位移、应力及两者增速情况，当达到预警阈值，及时报警。对于工作面顶板灾害的预警6，主要通过监测支架工作阻力，分析初撑力、循环末阻力

12、和来压步距，统计安全阀开启率、支架保压概率、初撑力合格率，及时了解支架工作状态，防止片帮冒顶、压架及大倾角工作面倒架事故的发生。对于巷道顶板灾害的预警，主要通过监测锚杆锚索受力、顶板离层量、两帮位移及钻孔应力等，根据支护体及钻孔应力的增速情况，确定巷道监测区域应力集中情况，同时根据支护体受力、顶板离层及两帮允许变形的极限值确定预警阈值，及时了解巷道围岩及支护体状态，及时对可能发生的顶板事故进行预警。及时对顶板灾害危险区进行解危。根据危险区域顶板灾害监测与预警结果，及时采取应对措施，如由于支架初撑力低诱发的片帮冒顶，关键是提高支架初撑力7；对于因支架支撑力不足诱发的压架冒顶事故，重点检修支架液压

13、系统，杜绝管路与阀门滴漏；对于长期安全阀开启，则需提高支架支护强度，加强推进速度。对于坚硬顶板，需进行顶板弱化处理，减小来压步距。对于破碎顶板，构造区，需提前对顶板进行加固。对于冲击地压巷道，不仅要对危险区域进行卸压，还要加强支护，做好个体防护。对于大倾角- 急倾斜工作面需挂网或设挡矸板防止飞石伤人。3.3 顶板灾害危险区域实时监测系统结构顶板灾害监测系统属于矿井监控系统，其结构可划分为3个层次：设备层、传输层和管理层。系统结构如图1所示。图1 顶板灾害监测系统结构设备层是系统在井下布置的节点，主要包括传感器和分站。在工作面，系统采用压力传感器采集液压支架工作阻力，监测顶板来压8。在巷道，系统

14、采用压力传感器采集煤岩体应力、锚杆锚索载荷等信息，采用位移传感器采集顶板下沉位移值。这些传感器通过总线方式与分站连接，并共同构成系统的节点。节点设备通过传输层把数据传输给地面管理层，由管理层主机分析和处理采集到的数据9。系统传输层采用cad总线进行数据传输，具有较高的稳定性和可靠性。系统管理层的地面主机一般选用台式计算机，双机或多机备份，主要用来接收监测信号，进行数据显示、人机对话、专业计算、统计分析、生成日报表、灾害预警、与管理网络连接等；管理工作站或局域网终端一般设置在矿长、总工或矿压科室，以便随时了解矿井顶板灾害监测状况；数据服务器是主机与管理工作站及网络其他用户交换监控信息的数据仓库。

15、随着网络技术的发展，在基于cad总线的顶板灾害监测系统的基础上开发了基于千兆光纤以太环网的监测系统，基于环网的监测系统设备层仍然以分站和传感器为节点，传输层的主干网络为基于千兆光纤环网交换机的以太网，在节点不能直接连到环网的地方，如工作面、掘进巷道等，通过cad总线接入环网。管理层则包括中心交换机和服务器 ( 主机) 等设备10。同时，顶板监测系统也研究了能够直接接入矿上已有环网的系统的无缝转接技术，使得系统监测数据能够以先进的、快捷的方式送入中央服务器和应用决策层，为指导安全生产提供依据。4 结 论1、虽然顶板灾害以其点多面广、防治难度大等特点，实践证明，只要遵循“了解对象、优化设计、监测预

16、警、及时治理”的总体思路，科学研究、周密部署、加强管理，顶板灾害可防、可控。2、据顶板灾害成因，综采工作面顶板灾害分为：工作面煤壁处冒顶、工作面出口处冒顶、地质构造区局部冒顶、复合顶板下推垮型冒顶、压垮型冒顶、大面积冒顶；巷道顶板灾害分为：掘进工作面冒顶、巷道交岔处冒顶、构造区巷道冒顶。3、顶板灾害的致灾因素主要有煤层倾角、围岩性质、地质构造等自然因素及采煤方法、顶板管理、巷道布置等开采技术因素。4、了解对象、优化设计、监测预警、及时治理，并应用顶板灾害监测系统对顶板实时监测与预警，及时采取加快工作面推进速度，提高支架初撑力措施，有效保障了工作面顶板的安全。参考文献1 国家煤矿安全监察局:20

17、11年度全国煤矿事故分析报告汇编g: 北京:国家煤矿安全监察局，2011:15-172 国家煤矿安全监察局:2012年度全国煤矿事故分析报告汇编g: 北京:国家煤矿安全监察局，2012:20-233 范维唐，卢鉴章，申宝宏，等: 煤矿灾害防治的技术与对策r: 徐州:中国矿业大学出版社，2007:10-154 毛德兵，蓝 航，徐 刚 , 我国薄煤层综合机械化开采技术现状及其新进展r，煤矿开采，2011.16(3):11-145 付东波，齐庆新，秦海涛，等: 采动应力监测系统的设计r:煤矿开采，2009:14（6）：14-206 尹希文，朱拴成，安 泽，等: 浅埋深综放工作面矿压规律及支架工作阻力

18、确定r: 煤炭科学技术，2013,41(5):50-557苏c.h.苏米萨罗夫. 采场周围岩体控制m: 乔福祥，译.煤炭工业出版社，1988:20-458 陈炎光，钱鸣高: 中国煤矿采场围岩控制m: 徐州:中国矿业大学出版社，1994:30-369 付东波， 基于ucad总线的矿山压力监测远程传输解决方案g,煤矿开采，2010.15(4):121-12410 孙继平 , 矿井安全监控系统 m, 北京: 煤炭工业出版社 urban traffic structure in the urban public transport system, rail traffic with a fast, l

19、arge capacity, low pollution and high efficiency, become an indispensable part of urban traffic structure, is the contradiction between supply and demand of the growing metropolis, cities, effective means to meet the needs of urban traffic. the following table is a rail transport and other modes of

20、urban passenger transport capacity, transportation speed and resource consumption, and so on. comparison of urban passenger traffic characteristics table 5.1-2 traffic volume (human/h) transport speed (km/people) road area occupied (m2/people) scope bike 2,000 10-15 3,000 short car 20-50 10-20 wide

21、bus 6,000-9,000 1-2 40-60 0.25-0.5 from the metro light rail of 10,000-30,000 in long-distance line 3 more than 0,000 40-60 do not occupy an area both in terms of transport over long distances, transport efficiency, or from the level of resource consumption and environmental pollution, rail transport is undoubtedly an effective means to solve the problem of traffic congestion in cities. especially in urban population strength enormous traffic demand on the route to ease traffic pressure, rail transportation has incomparable advantages. wa