我国煤矿顶板灾害监测预警技术发展现状

尹希文中国榆林2019年4月17日3u多年来，我国煤矿顶板灾害发生起数和死亡人数均居各类事故首位。一、我国煤矿顶板安全形势年份事故起数死亡人数事故总起数其中死亡总人数其中顶板事故占比顶板事故占比20002722122845.15798152126.220013082153149.75670187933.120024344236454.46995276639.520034143214051.76434245538.220043641198554.56027230938.320053306180554.65938205834.720062945163355.44746190240.120072421129953.73786151840.120081954103252.83215122238.02009161680549.8263193935.72010140370250.0243382934.12011120156747.2197366533.7201277936647.0138445933.2201360427445.4106732530.5201450919638.593129231.4201535213237.559816928.32015比2000年±-2370-1096—-5200-1352—±(%)-87.1-89.3—-89.7-88.9—2000~2015年平均2189112949.23727133234.7Ø2016年我所承担了原安监总局“煤矿顶板管理现状、问题、对策”研究项目，前期分以下3个类型开展调研：（1）浅埋煤层开采矿区：2016年6月对内蒙古鄂尔多斯、陕西神木地区大柳塔、榆家梁、补连塔、石圪台、上湾、大地精、红柳林等煤矿进行调研。（2）深埋、充填开采、海域回采、软岩矿区：2016年7月对山东地区新矿集团、肥矿集团、淄矿集团、龙矿集团下属多家煤矿进行调研。（3）坚硬顶板、复合顶板矿区：2016年8月对山西同煤集团、安徽淮南矿业集团下属多家煤炭企业进行调研。一、我国煤矿顶板安全形势n浅埋矿区顶板管理存在的问题问题一：浅埋厚煤层大采高、超大采高综采矿压显现强烈Ø该地区大采高工作面矿压显现强烈，煤壁易呈台阶下沉、动载系数大、工作面矿压较顺槽更加强烈。Ø工作面片帮炸帮严重，片帮深度200~500mm，部分大采高工作面冒顶严重，最大冒落高度10m。一、我国煤矿顶板安全形势n浅埋矿区顶板管理存在的问题问题二：压架事故多发Ø集中煤柱：该地区近距离煤层赋存较多，回采的下层煤位于上层采空区和集中煤柱下方，在工作面过集中煤柱时易发生切顶压架事故。Ø回撤通道：工作面回撤期间，临近回撤通道时，易发生压架。Ø空巷：工作面过老空巷时，由于原有巷道支护强度较低，受采动影响易发生严重变形，当工作面支架支护强度不足时容易发生压架事故。一、我国煤矿顶板安全形势装备水平提高，开采强度加大，工作面压架事故呈上升趋势。序号压架地点支架载荷/KN压架情况1扎赉诺尔铁北矿右三片综放面8000多次压架、顶板出水2神东集团榆家梁矿、哈拉沟矿18000多次压架、溃水溃砂3保德矿81304工作面10200多次压架4同煤塔山矿8102、8103综放面13000多次压架5伊泰纳林庙一号井42-09综采面6800多次、大范围压架6伊泰酸刺沟矿15000多次压架7皖北祁东矿7112、7114、7121工作面8000多次压架、出水8顾北矿1202(3)，潘一矿1402(3)和1602（3）7800多次压架、伴有出9陕西崔木煤矿21301、21302工作面12000反复压架、顶板出水10神东集团石圪台矿31201工作面18000集中煤柱下，大范围氧气9%、有害气体超标一、我国煤矿顶板安全形势案例：支护阻力的提高虽然可以减少压架事故，但片帮冒顶仍然严重，工作面依然举步维艰。•1993年，大柳塔矿12103首个综采工作面设计采高4.5m，支架额定阻力3500KN，回采过程中发生多次切顶压架和溃水溃砂事故；•2018年，上湾矿8.8m大采高工作面，额定阻力26000KN，当工作面推进至104m时，虽没有压架，但由于片帮冒顶严重致工作面停产10余天。一、我国煤矿顶板安全形势压架、冒顶等顶板灾害冲击地压突水有毒、有害气体采动岩层破坏导致的灾害顶板灾害易产生次生灾害，案例较多。如：（1）2016年，同煤安平煤业3.23顶板大面积垮落致瓦斯爆炸重大事故（20人死亡、1人受伤）；（2）2016年，铜川照金矿业4.25煤壁切落致重大水害事故（11人死亡）。顶板灾害不仅发生起数和死亡人数居首位，且易产生次生灾害，顶板安全形势十分严峻，加强矿压监测，保证顶板安全意义重大。一、我国煤矿顶板安全形势n2016版《煤矿安全规程》第一百一十四条，采用综合机械化采煤时，必须遵守下列规定：n(一)必须根据矿井各个生产环节、煤层地质条件、厚度、倾角、瓦斯涌出量、自然发火倾向和矿山压力等因素，编制工作面设计。n(十三)采煤工作面必须进行矿压监测。二、矿压观测的目的和意义n《煤矿安全质量标准化标准及考核评级办法》也对煤矿的矿压观测进行了明确的要求。覆岩破坏及运动规律、微震系统采掘面矿压显现规律、矿压系统支承压力分布变化规律、矿压系统上覆岩层移动量支架工作阻力立柱下缩量巷道顶板下沉量巷道支护质量底板比压片帮冒顶煤体应力二、矿压观测的目的和意义n预测预警：提前预警，减少事故发生率；来压预测预警、片帮冒顶预测预警、次生灾害预测预警。n优化开采技术及设备参数：液压支架架型选择和合理支护强度的确定；巷道布置、煤柱宽度和工作面开采参数等。n效果评价：所有不易冒落顶板卸压及破碎围岩加固技术措施实施后的效果评价均依靠矿压监测来实现。n加强管理：加强采煤工作面初撑力、采高等管理，掘进工作面预应力等施工质量管理。n智能开采：深部、超大采高等矿压显现强烈工作面的智能开采均离不开矿压数据的实时智能分析及围岩控制智能决策。二、矿压观测的目的和意义开采设计事业部采矿所近几年，随着支护技术和装备的快速发展，有一种“矿压无用论”的观点。我认为“矿压无用论”是不切合实际的，也是不符合末来发展趋势的，是不科学的、错误的判断。二、矿压观测的目的和意义u开采设计事业部的矿压仪器市场化开始于2008年，2013年合同达到峰值2532万，2014年收入达到峰值1500万。三、矿压监测发展现状2008-2017年顶板监测经营数据表2017u2016-2017年采取严把采购关，减少人员，标准化电路板和外壳，加强外部合作等措施，降本增效显著。•KJ21矿压监测系统（有线）–2007年开发了液压支架工作阻力、超前支承压力、煤柱应力、锚杆（索）载荷、巷道围岩变形量等参数的实时在线监测；–具备现场数据显示和简单的阀值报警功能；–分站具有数据存储功能；–软件实现了网络化，通过IE浏览器能直接查看数据。KJ21矿压监测系统结构三、矿压监测发展现状•KJ21矿压监测系统（工作面无线+顺槽有线）–2014年开发了工作面液压支架工作阻力纯无线监测系统；–通过无线自组网技术，点对点接力，工作面点对点无线传输距离可达50m；–电池寿命可达1年以上；–回采顺槽采用外接127V供电，有线传输信号。KJ21无线矿压监测系统结构三、矿压监测发展现状•KJ21矿压监测系统（纯无线）–2017年开发了纯无线传输技术，实现了采煤工作面无线传输距离30-50米，顺槽100-150m，实现了2000米巷道内近百个传感器无线接力传输。国内领先水平。无线矿压监测系统结构测点布置示意图接环网接环网回采工作面三、矿压监测发展现状开采设计事业部采矿所•矿用监测分站无缝连接多种类型传感器；–接入容量：128台传感器–显示方式：12864液晶显示，开机或按键查询连接传感器数量、状态和数据传输状态–输入接口：二级CAN总线–通讯距离：10km–通讯速率：1200bps～9600bps可调–U盘备份存储三、矿压监测发展现状开采设计事业部采矿所•支架压力记录仪–用于监测支架立柱下腔压力；–传感器容量：内置2台压力传感器–量程：0～60MPa–精度：≤1.5%F·S–分辨率：0.01MPa三、矿压监测发展现状开采设计事业部采矿所•围岩移动传感器–用来监测巷道围岩移动量；–光报警：当位移量超过设定值时，指示灯颜色变化。（预警值：100mm—黄色，报警值：200mm—红色。预警值和报警值可调）–量程：0～300mm–精度：±2mm–分辨率：1mm三、矿压监测发展现状开采设计事业部采矿所•钻孔应力计–用来监测超前支承压力及煤柱应力；–测量精度：2％F·S–与分站传输距离：≤100m–量程：0～30MPa–钻孔直径：φ48～50mm三、矿压监测发展现状开采设计事业部采矿所•锚杆（索）测力计–用来监测锚杆及锚索的工作阻力；–测量精度：2％F·S–量程：0~100KN–通讯方式：CAN总线–传输速率：1200bps～9600bps三、矿压监测发展现状开采设计事业部采矿所三、矿压监测发展现状开采设计事业部采矿所•904工作面共148个支架，计划从5#至145#支架，每隔10架安装1台支架压力记录仪，共安装15台，设备列车处安装1台电源和分站，方便检测和维护。三、矿压监测发展现状开采设计事业部采矿所•目的：工作面超前支承压力分布情况，为超前支护范围及煤柱尺寸的确定提供依据。•测点布置：在工作面前方200m及300m处各布置1个煤体应力测站，每测站设置8台钻孔应力计，钻孔应力计安装深度5m~14m,各孔间距为5m。904工作面共需布置4个煤体应力测站，32台钻孔应力计。三、矿压监测发展现状开采设计事业部采矿所•目的：评价巷道支护质量，优化巷道支护参数，掌握巷道变形破坏情况；•测点布置：顺槽按3000米标准配置，每隔80m布置一个支护质量监测站，共布置38个测站，两条巷道共需72个测站。每个测站由2个锚杆测力计，1个锚索测力计，1个围岩移动传感器组成。三、矿压监测发展现状开采设计事业部采矿所三、矿压监测发展现状开采设计事业部采矿所序号企业所属省份公司名称系统名称型号特色产品1集团内部+北京天地科技股份有限公司矿山压力监测系统KJ21科研+产品，有线+无线2中煤科工集团公司重庆研究院煤矿顶板动态监测系统KJ693安全监测控3煤炭科学研究总院煤矿顶板动态监测系统KJ29安全监测控4中国矿业大学（北京）煤矿顶板动态监测系统KJ624　5北京泰瑞金星仪器有限公司矿山压力监测系统KJ327董事长原为我院员工6山东尤洛卡矿业安全工程股份有限公司煤矿顶板动态监测系统KJ216AKJ216BKJ653有线+无线市场化早7泰安思科赛德电子科技有限公司煤矿压力监测系统KJ24　8山东晨晖电子科技有限公司煤矿顶板动态监测系统KJ520　9山东科达矿山监测装备有限公司矿井液压支架压力监测系统KJ22　10山东大成电气有限公司煤矿用顶板压力监测系统KJ585　11山东诚德电子科技有限公司矿山压力监测系统KJ513　12泰安国华科技机电设备有限责任公司矿山压力监测系统KJ509　13山东科大中天电子有限公司矿山压力监测系统KJ385　三、矿压监测发展现状开采设计事业部采矿所序号企业所属省份公司名称系统名称型号特色产品14陕西西安西科测控设备有限公司矿压监测系统KJ110GJC8矿用工作面推进度传感器15陕西安瑞特电子科技有限公司煤矿安全监控系统KJ103　16西安欣源测控技术有限公司矿山压力监测系统KJ356　17山西山西巨安电子技术有限公司煤矿顶板动态监测系统KJ232A　18山西宏安翔科技开发有限公司顶板压力监测系统KJ533　19晋城金力电气有限责任公司矿用顶板动态监测系统KJ540　20江苏徐州惠顿矿业科技开发有限公司矿山压力监测系统KJ26　21江苏三恒科技股份有限公司矿山压力监测系统KJ508　22葫芦岛工大迪安科技有限公司煤矿压力监测系统KJ259　三、矿压监测发展现状开采设计事业部采矿所•KJ21矿压系统在市场中的优势（1）国内最早且唯一从事矿压规律研究及矿压仪器开发的大型综合性研究机构，国内矿压监测生产厂家多数为民营企业；（2）