煤矿多功能综合监测技术与应用研究

《煤矿多功能综合监测技术

开发及应用研究》项目鉴定汇报

同煤集团技术中心山西德先科技有限公司

山东科技大学2014年3月1煤矿多功能综合监测技术及应用研究目标与意义1.1我国煤矿安全现状（1）中国煤矿的安全形势日趋好转（2）煤矿安全事故总体死亡人数在下降，但一次特大型事故死亡人数有所上升。（3）涉及到煤矿采掘工作面安全事故（如瓦斯、顶板、水、火等）的预防与控制没有取得突破性进展1.2煤矿现有安全监测技术及存在问题 1）气体检测技术 2）水位检测技术 3）温度检测技术 4）传感技术现状 5）采动应力监测技术研究现状 6）巷道松动圈测试方法1.3本课题研究的必要性及意义

矿用光纤检测技术对于煤矿安全检测技术的本质安全性，多功能等方面将产生重要突破，也将成为瓦斯突出、顶板变形、水灾等煤矿安全隐患远的程在线检测的重要技术手段。光纤传感器综合布置于井下，利用光纤传感器无需供电、抗腐蚀、抗干扰等特点，当井下发生灾害致使供电系统瘫痪时，可以通过传输光缆直接将井下应急信息传输到井上综合分析系统中。煤矿安全光纤检测及应急信息系统的推广应用，将对提高我国煤矿安全技术水平，减少人员伤亡和大型事故的发生，建设和谐社会和提高工矿企业工作环境及安全系数，具有重要的社会意义。1.4课题研究目标及技术路线 1.4.1研究目标

项目基于光纤温度、气体、水位、压力传感器及煤体应力传感器，研究了一个高稳定性、高精度的采空区火灾、水位预测预警、矿压等应急通信及信息系统。建立了煤矿现场多参数综合监测监控数据库、以便建立煤矿多参数灾害预测预警系统，为预防煤矿灾害提供基础。

顶板压力状态监测系统、温度监测系统、顶板沉降离层安全监测系统、水文监测系统、煤体应力监测系统、煤体松动声波测试 1.4.2技术路线

在光纤煤矿安全生产综合监测技术方面，本项目立足光纤煤矿安全生产综合监测的重大需求，针对矿山重大灾害多学科交叉的特点，以采空区气体、顶板压力状态、水位、顶板离层、温度为重点研究对象，探讨煤矿重大灾害威胁安全开采的重大科学问题，揭示煤矿开采重大灾害的成灾机理。在此基础上，研究基于光纤传感技术的重大灾害过程信息监测新技术和新方法，并建立远程实时安全在线预测和决策支持体系。本项目将运用工程力学、地质学、采矿学、数学、微电子学、计算机科学、光电子学等多学科理论，采用现场调研、室内测试、数值与物理模拟实验等多种试验方法，对煤矿开采重大灾害的监测监控、光纤传感监测技术与方法、信息集中采集和传输技术等进行深入研究，力争对煤矿开采重大灾害过程信息进行远程实时安全在线监控、预警，取得重大突破。

课题组首先与厂家合作，研制精度高、有一定初撑力、连续、远距离、自动记录与分析等能力的煤体应力监测系统，并进行试验验证，然后在塔山矿8105工作面停采线与1070回风大巷之间的中间巷两侧煤体内布置煤体应力监测系统，和声波测试系统，进行相应的测试工作，最后对实测结果进行分析，进一步验证本项目的煤体应力监测系统，并给出合理的停采煤柱宽度建议。2煤矿多功能综合监测关键技术及系统2.1煤矿安全综合监测关键技术

本项目主要是基于光纤传感技术研发光纤水位、光纤气体、光纤点式温度、光纤压力及离层综合监测预警系统，以及采动煤体应力监测系统及煤体松动声波测试技术，从而根据需要形成适用于煤矿现场的矿用安全综合监测系统。

2.1.1光纤光栅技术图2.1光纤光栅基本结构图2.2光纤光栅传输谱图

2.1.2矿用光纤顶板压力监测预警技术表2.1系统组成图2.3矿用光纤光栅压力传感器

2.1.3光纤气体监测预警技术图2.4基于激光的光纤气体检测原理图图2.5高灵敏度气体谐波法检测原理框图表2.3系统组成采空区气体浓度监测技术指标： 1.CH4：测量范围：0-10%；分辨率：0.1%；精度：±0.5%；响应时间：≤60s；校准周期：6个月。 2.一氧化碳（CO）：测量范围：0~10000ppm；分辨率：100ppm；精度：±2%FS；响应时间：≤60s；校准周期：6个月。

2.1.4光纤温度监测预警技术表2.4系统组成图2.6YGSJ660(A)矿用光纤光栅解调仪图2.7矿用光纤温度传感器

2.1.5光纤水位监测预警技术图2.8光纤水位传感器的机械结构图2.9膜片在给定载荷下模中心位移0.14mm的仿真图图2.11光纤水位传感器照片图2.12光纤光栅水位监测系统构成图

2.1.6采动煤体应力在线监测技术 2.1.7煤体松动声波测试技术图2.13测试原理图2.2煤矿安全综合监测预警系统 2.2.1煤矿光纤监测系统组成及特点图2.13测试原理图图2.16微震实时监测曲线图2.17皮带机实时监测曲线图2.18光纤瓦斯监测曲线图2.19光纤多点温度监测报表 2.2.2采动煤体应力监测系统组成及特点图2.20液压式钻孔应力计观测系统组成 2.2.3煤体松动声波测试系统组成及特点图2.21声波单孔测试法

图2.22声波双孔测试法38105采空区综合监测系统试验研究3.18105工作面工程概况 3.1.1矿井概况

同煤集团塔山煤矿设计生产能力为15Mt/a，是同煤集团开采石炭系煤层的第一对矿井。主采煤层为石炭二叠煤层3#～5#煤层，是3#、5#合并煤层，厚度11.1～31.7m，平均19.4m。由于煌斑岩的侵入破坏，煤层受热变质或硅化，使煤层结构与煤质趋于复杂化，煤层由下向上依次为4m厚垂直节理发育煤层、6m厚倾斜节理发育煤层、5m厚层理发育煤层、2m厚破裂煤层和不到1m的破碎煤，上部为1～4m的硅化变质煤层。煤层节理间距在15～25cm，主节理间距1.0～1.2m，节理倾角55°。属于典型的特厚复杂破碎煤层条件。塔山矿3#～5#煤层采用综放一次采全高采煤法，由于一次采出煤层厚度大，顶板冒落高度及裂隙带高度显著增大，支承压力影响范围增大。

3.1.28105工作面概况图3.18105工作面位置示意图图3.23#～5#煤层顶底板柱状图3.28105工作面采空区光纤监测系统的测点布置及施工图3.38105工作面采空区安全监测系统施工简图图3.5矿压传感器安装图图3.6矿压传感器安装图图3.7顶板离层传感器安装示意图图3.8顶板离层传感器现场安装图图3.9水位传感器施工简图3.38105工作面中间巷内煤体应力计的布置及安装3.3.1采煤煤体应力测试仪器（a）KJ216-F2本安型监测分站

（b）液压式钻孔应力传感器图3.10液压式钻孔应力计观测系统组成3.3.28105工作面之间巷内煤体应力测试仪器布置图3.11应力测点布置图表3.1侧帮应力计钻孔位置

3.3.38105工作面之间巷内煤体应力安装方式

煤岩钻孔应力传感器采用直径55mm水平钻探安装。①首先通过钻机将钻孔打出，用风或水压清洗钻孔，将应力传感器的受力面朝上用推杆将传感器缓慢推入。②将压力传感器与油管末端的快速插头连接好，并插好U形销。旋转截止杆，打开截止阀，将手动泵（或其他泵源）的出油管连接至注油口，手动泵升压至3.0MPa，旋转截止杆，关闭截止阀，然后卸除手动泵压力，移除手动泵连接到注油口上的油管。③固定好压力传感器、变送器。将压力传感器的输出信号电缆，按信号顺序接入到三通接线盒。3.48105工作面中间巷声波测试仪器及安装

3.4.1巷道围岩松动圈声波测试仪

图3.12ZW/BA-Ⅱ矿用超声波围岩松动圈测试仪图3.13封孔器结构示意图3.4.28105工作面之间巷围岩松动圈声波测试系统布置图3.45钻孔布置图图3.15声波探测钻孔示意图表3.2声波测试钻孔具体位置48105采空区综合监测及测试结果分析

4.1温度监测结果距风门5m数据曲线距风门10m数据曲线距风门15m数据曲线距风门20m数据曲线距风门25m数据曲线距风门30m数据曲线距风门35m数据曲线距风门60m数据曲线距风门65m数据曲线距风门70m数据曲线距风门75m数据曲线距风门80m数据曲线距风门85m数据曲线距风门90m数据曲线4.2顶板离层监测结果由图4.15-4.18可见，顶板离层较小。其中，1#测点顶板离层0.2mm，2#测点顶板离层6mm，3#测点顶板离层0.mm，4#测点顶板离层.5mm。4.3水位监测结果图4.19密闭墙4左侧30m水位数据曲线由图4.19可见，密闭墙4左侧30m处，水位变化较小，只有0-0.8cm。4.4瓦斯监测结果图4.20切眼密闭墙内瓦斯曲线图4.21密闭墙3右侧20m瓦斯曲线由图4.20-图4.21可见，切眼密闭墙内瓦斯浓度为9-14%，并有逐渐增加趋势。密闭墙3右侧20m，瓦斯浓度为4-9%，并有逐渐增加趋势。4.5矿压监测结果由图4.22-图4.27可见，1#测点顶板压力增加值，波动范围为0-10MPa；2#测点顶板压力增加值，波动范围为0-1MPa；3#测点顶板压力增加值，波动范围为0-16MPa；密闭墙3右侧8m的4#测点顶板压力逐渐增加，由0增加到4.0MPa；密闭墙2左侧3m的5#测点-顶板压力逐渐增加，由0增加到4.0MPa；6#测点顶板压力波动范围0-0.5MPa。4.6采煤煤体应力测试结果（a）1#应力计应力曲线图（b）2#应力计应力曲线图（c）3#应力计应力曲线图4.6采煤煤体应力测试结果（d）4#应力计应力曲线图（e）5#应力计应力曲线图（f）6#应力计应力曲线图（g）7#应力计应力曲线图（h）8#应力计应力曲线图（i）9#应力计应力曲线图（j）10#应力计应力曲线图（k）11#应力计应力曲线图（l）12#应力计应力曲线图（m）13#应力计应力曲线图（n）14#应力计应力曲线图（o）15#应力计应力曲线图（p）16#应力计应力曲线图（u）21#应力计应力曲线图图4.29应力终值变化曲线图应力观测结果，可以得出以下结论：1）8105面停采线煤柱（一侧180m、另一侧206m）宽度情况下，中间巷的稳定性较好，受工作面动压影响的程度较小；对1070大巷的影响很小。2）在工作面停止回采的情况下，8105面停采线前方中间巷侧帮煤体中的应力测试，反映的是钻孔位置固定支承压力引起的钻孔变形量的大小。从钻孔应力末值看，8105面的固定支承压力影响范围为108m左右（按钻孔应力出现松弛现象分析）。（a）1#钻孔声波测试曲线（b）2#钻孔声波测试曲线（c）3#钻孔声波测试曲线（d）4#钻孔声波测试曲线4.7声波测试结果（e）5#钻孔声波测试曲线（f）6#钻孔声波测试曲线（g）7#钻孔声波测试曲线（h）8#钻孔声波测试曲线（i）9#钻孔声波测试曲线（j）10#钻孔声波测试曲线（k）11#钻孔声波测试曲线（l）12#钻孔声波测试曲线（m）13#钻孔声波测试曲线（n）14#钻孔声波测试曲线（o）15#钻孔声波测试曲线（p）16#钻孔声波测试曲线（q）17#钻孔声波测试曲线（r）18#钻孔声波测试曲线（s）19#钻孔声波测试曲线（t）20#钻孔声波测试曲线（q）17#钻孔声波测试曲线表4.3各钻孔松动范围表4.3各钻孔松动范围由表4.3及图4.31可见，随着远离停采线位置，中间巷煤帮松动范围逐渐减小，至160m以外减小到最小，但松动范围大于2.0m的影响范围为103m（8#孔位置）。表4.3各钻孔松动范围表4.3各钻孔松动范围由表4.4及图4.32可以看出，裂隙发育区与不发育区声波的传播速度相差不大，二者比值为0.72-0.93。说明中间巷内，侧帮煤体裂隙虽有发育，但是发育程度较低，松动程度较低。观测表明，在工作面停止回采的情况下，8105面停采线前方中间巷侧帮煤体中的松散圈测试，反映的是巷道从掘进到经受采动影响的总体变形与破坏。因此，从合理停采煤柱宽度设计角度，其结果更有参考价值。声波测试结果表明，中间巷侧帮松动圈内的波速降低幅度较小，与未破坏区比值为0.72-0.93。说明中间巷内，侧帮煤体裂隙虽有发育，但是发育程度较低。从松动圈大小变化曲线看，松动范围大于2.0m的超前范围为103m左右。4.8现场观测结论综合上述几种观测方法的结果，可以得出以下结论：1)8105综放工作面采空区及中间巷的温度变化较稳定，一般变化范围为25-25度，最大值达58度，没有出现煤炭自然发火事故。2)8105综放工作面中间巷顶板离层较小，最大顶板离层量为6mm，顶板稳定性较好，并已经稳定。3）8105综放工作面中间巷密闭墙4左侧30m处，水位变化较小，只有0-0.8cm，没有发生突水的可能。4）8105综放工作面中间巷密闭墙内瓦斯浓度最大为9-14%，已达到瓦斯爆炸的浓度，因此应严禁采空区火源的产生，防止瓦斯事故。5）8105综放工作面中间巷顶板压力增加值，最大波动范围为0-16MPa，均未超出锚杆强度极限。6）8105综放工作面中间巷煤柱应力，在应力计初读数为3.0Mpa时，最大应力读数为3.9MPa，最小为2.5MPa，说明工作面前方煤体应力在工作面停采之后变化较小，超前支承压力分布已基本稳定；可以将108m作为固定支承压力的最大影响范围。7）105综放工作面中间巷煤柱声波测试，煤帮松动圈内的波速降低幅度较小，与未破坏区比值为0.72-0.93。说明侧帮煤体裂隙虽有发育，但是发育程度较低。从松动圈大小变化曲线看，松动范围大于2.0m的超前范围为103m左右4）8105综放工作面中间巷密闭墙内瓦斯浓度最大为9-14%，已达到瓦斯爆炸的浓度，因此应严禁采空区火源的产生，防止瓦斯事故。5）8105综放工作面中间巷顶板压力增加值，最大波动范围为0-16MPa，均未超出锚杆强度极限。6）8105综放工作面中间巷煤柱应力，在应力计初读数为3.0Mpa时，最大应力读数为3.9MPa，最小为2.5MPa，说明工作面前方煤体应力在工作面停采之后变化较小，超前支承压力分布已基本稳定；可以将108m作为固定支承压力的最大影响范围。7）105综放工作面中间巷煤柱声波测试，煤帮松动圈内的波速降低幅度较小，与未破坏区比值为0.72-0.93。说明侧帮煤体裂隙虽有发育，但是发育程度较低。从松动圈大小变化曲线看，松动范围大于2.0m的超前范围为103m左右7）105综放工作面中间巷煤柱声波测试，煤帮松动圈内的波速降低幅度较小，与未破坏区比值为0.72-0.93。说明侧帮煤体裂隙虽有发育，但是发育程度较低。从松动圈大小变化曲线看，松动范围大于2.0m的超前范围为103m左右5主要结论根据课题计划任务书规定，课题组完成了“煤矿多功能综合监测技术开发及应用研究”，开发了光纤矿压、瓦斯、多气体、温度、水位及煤体应力在线监测、声波测试等综合监测预警系统，并采用此系统应用于塔山矿8105综放工作面采空区及中间巷内瓦斯、多气体、温度、水位及煤体应力监测及声波测试，给出了采空区安全评价及合理煤柱宽度建议。主要结论如下：1)在光纤气体监测技术方面，采用波长扫描、内部参考气室设计、频谱基线修正以及对温度和传输损耗的自适应算法，成功地减小了粉尘、潮湿、温度的影响，提高了对煤矿井下恶劣环境的适应能力。通过更换不同光源可以实现不同气体的检测，集成多种气体分析系统。系统测试灵敏度达到ppm量级，满足束管系统检测要求。用一台仪器就可满足多种气体的在线分析，结构简单，使用方便。研制的矿用激光甲烷传感器不但满足传统矿用甲烷传感器的技术要求，还具有自诊断功能，其响应时间、标校周期、测量精度较高。2）在采空区温度的实时在线监测方面，本课题研制的光纤温度传感器相比传统电子温度传感器有无源不带电的优势，同时光纤温度传感器还具有多点复用，耐腐蚀，稳定性好，远程监测的特点。通过对密闭采空区内温度的监测，可以及时发现采空区内部热点，预防采空区火灾的发生。3）在采空区内部积水的变化情况实时测量方面，本课题研制的光纤水位传感器，在研究采空区积水变化规律，掌握积水量，及时对采空区积水进行处理，防止长期积水，预防水害的发生方面，具有较大适用性。4）项目研制的井下光纤光栅检测分站具有同时检测温度、压力、位移等低频量和机械振动高频传感器的功能，单个分站可以实现对工作面顶板、采空区温度等多达300余点且不同参数的检测。5）本课题研制的矿用光纤顶板沉降离层传感器、顶板变形压力在线监测技术，解决了采空区顶板变形及顶板压力在线监测问题，对局部冒顶与冲击地压等进行数据采集和预测预警。6）本课题基于多种光纤传感器的煤矿安全生产综合监测系统，实现了对采空区温度分布、甲烷与一氧化碳气体、顶板离层、矿压、水位的在线监测和灾害预警；利用光纤传感器不带电的独特优势，建立了采空区综合在线监测预警系统，对于煤矿应急救援具有重要价值。7）本课题开发了精度高、有一定初撑力、连续、远距离、自动记录与分析等能力的煤体应力监测系统，为煤体应力监测提供了较可靠的技术储备。8)塔山矿8105综放工作面采空区及中间巷的监测结果明，采空区及中间巷的温度变化范围为25-25度，最大值达58度，没有出现煤炭自然发火事故；最大顶板离层量为6mm，顶板稳定性较好，并已经稳定；中间巷水位只有0-0.8cm，没有发生突水的可能；密闭内瓦斯浓度最大为9-14%，已达到瓦斯爆炸的浓度，因此应严禁采空区火源的产生，防止瓦斯事故；中间巷顶板压力波动范围为0-16MPa，未超出锚杆强度极限；中间巷煤柱应力，在应力计初读数为3.0Mpa时，最大应力读数为3.9MPa，最小为2.5MPa，说明煤体应力在工作面停采之后变化较小，超前支承压力分布已基本稳定，可以将108m作为固定支承压力的最大影响范围；煤帮松动圈内的波速与未破坏区比值为0.72-0.93，说明侧帮煤体裂隙发育程度较低，松动范围大于2.0m的超前范围为103m左右。9）对矿用光纤综合监测预警系统及煤体应力测试的现场试验表明，本系统的e各项性能都达到了煤矿应用要求，性能可靠、工作稳定、可以在类似条件下推广使用。6项目创新点1）运用本质安全型的采空区光纤温度、矿压、水位、瓦斯、一氧化碳传感器监测技术，建立了基于光纤的实时在线远程监控综合系统，实现采空区温度、顶板压力、水位、瓦斯、一氧化碳等实时综合在线监测，解决了采空区禁电情况下安全监测的技术难题。2)研制了精度高、有一定初撑力、连续、远距离、自动记录与分析等能力的煤体应力监测系统，为采动煤体应力监测、冲击地压预测预报、煤柱长期稳定性研究等提供了可靠实用的技术手段。效益分析报告1.经济效益分析本项目基于光纤温度、气体、水位、矿压传感器及煤体应力测试技术，形成一套煤矿安全生产综合监测系统，为建立煤矿现场多参数综合监测监控数据库和煤矿多参数灾害系统奠定了新的基础。1.1光纤检测系统运行时仅主机需要供电，低功耗。利用光纤进行温度感测，可实现连续数千个测温点的检测不需要供电，很大程度上减少了传统传感器的数量，大大降低了传感器的安装和维护成本。1.2光纤多气体检测系统可同时监测一氧化碳、甲烷气体，可代替煤矿目前采空区的色谱监测和红外检测仪，大大降低了煤矿自然发火预测系统的成本。1.3光纤检测系统在采空区防灭火中的应用，可大大提高矿井防灭火技术装备水平，有效提高设备的使用效率，节省人力、物力，大大减少生产成本。光纤检测系统可以有效的定位火灾发生位置，大大提高火灾治理的针对性，节省防灭火设备和材料，提高工作效率，防灭火成本大为降低。1.4光纤检测系统有效保证采煤工作面的安全生产，大大减少安全事故的发生概率，带来的经济效益难以估量。1.5光纤矿压监测系统具有属于本安型系统，长期稳定性好，灵敏度高，抗电磁干扰，相比电子设备具有明显优势，拥有巨大的市场需求。与进口的容量为16通道相同性能系统相比，光纤微震监测系统的费用仅为其二分之一，大大降低企业的设备投资，提高经济效益。