CN103233777A - 一种顶板安全矿压监测方法及装置 - Google Patents

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本发明公开了一种顶板安全矿压监测方法及装置，涉及顶板安全矿压监测技术领域。该方法在巷道或硐室的同一断面同时进行锚固力、顶板深部围岩的稳定和表面下沉量的监测，其监测装置包括顶板离层监测装置、锚固力监测装置、深部位移监测装置、巷道表面位移监测装置，各个装置均通过传输系统与地面控制系统相连接，监测装置设有信号获取元器件实现了在线监测与滞后监测并行；通过顶板锚固力、离层量和下沉数值的综合比对分析，采用复合多指标比对预警预测顶板安全，为煤矿、金属矿山等地下工程的安全生产提供有力保障。

Description

一种顶板安全矿压监测方法及装置
技术领域
本发明涉及顶板安全矿压监测技术领域，具体是一种顶板安全矿压监测方法及装置，能
够普遍适用于地下开采矿井中巷道或硐室的顶板安全矿压监测。
背景技术
我国是能源大国，而煤炭占一次性能源比例超过70%，尤其是煤化油技术在我国的两大煤炭基地神东和潞安的成熟应用，煤炭资源的重要性已经提升到国家安全的战略性地位上来。2010年我国的原煤产量超过30亿吨，2011年我国原煤生产总量达35.2亿吨，同比增加8.7%，约占世界产量的一半，我国煤炭工业确保了能源供需总体平衡，为“十二五”经济社会发展良好开局作出了积极贡献。我国煤炭开采年限己经有几千年的历史，煤炭是我国的主要能源及重要的工业原料，而几乎95%的煤炭资源来自井下开采，因此，建设一批新的大型、特大型矿井己是国家经济建设和发展的必须。而且随着国民经济的发展，对煤炭的需求日益增加，浅部煤炭资源在部分地区已经开始枯竭，而新兴的能源在很长一段时间内不能满足我国经济发展所需能源的要求。因此，实现煤炭资源的可持续发展，提高产量的出路在于开采那些赋存条件差、埋藏很深的煤炭资源，这就意味着今后的采掘工作将在高地应力、围岩条件很差的环境中进行，开采深部煤炭资源即深井开采是我国未来煤炭发展的唯一方向。
在矿体没有开采之前，岩体处十平衡状态。当矿体开采后，形成了地下空间，破坏了岩体的原始应力，引起岩体应力重新分布，并一直延续到岩体内形成新的平衡为止。在应力重新分布过程中，使围岩产生变形、移动、破坏，从而对工作面、巷道及围岩产生压力。通常把由开采过程而引起的岩层运动对支架围岩所产生的作用力，叫做矿山压力简称矿压。而在矿压作用下所引起的一系列力学现象，如顶板下沉和垮落、底板鼓起、片帮、支架变形和损坏、充填物下沉压缩、煤岩层和地表移动、露天矿边坡滑移、冲击地压、煤与瓦斯突出等现象，均称之为矿山压力显现。顶板下沉和垮落等矿山压力显现是矿山压力作用的结果和外部表现。
井下开采随着开采深度的增加，煤层赋存条件复杂多变，顶板破坏严重，顶板事故比重和频度相对增加。近年来，煤矿开采过程中的重大安全事故频繁发生，给人民生命财产造成巨大损失。以2009年为例，全国顶板事故起数805起，占事故总数的49.8%，死亡人数939人，占死亡总人数的35.7%，在各类煤矿事故中，矿压引起的事故仍居前位。随着生产能力的提高、开采强度的增大和向深部开采转移，矿压问题越来越凸现。顶板下沉、垮落引起事故均是矿压作用的结果，因此，进行矿压的有效检测对人们的生命安全及矿井的安全生产至关重要。
我国几乎所有煤矿都面临开采顶板、底板、围岩安全性评价问题，而这些问题往往由于局限于相对落后的监测手段和信息处理技术而被忽略，这是矿压管理不到位的主要原因。矿压监测尤为重要，没有矿压监测，支护安全就没有保障；没有矿压监测支护缺失严密性，支护参数无法及时修正，其合理性无法验证。
随着开采技术的日趋成熟，现如今，巷道顶板矿压监测内容主要分为巷道位移监测、顶板离层监测、锚杆受力监测、深部位移监测等。顶板矿压监测的数据体现着顶板的安全性，一般地，人们往往通过单方面的巷道表面位移监测或顶板离层监测或锚杆受力监测或深部位移监测来判别顶板安全性，抑或考虑到锚杆受力监测的精密性，为避免其他监测对锚杆监测造成附近应力集中而影响锚固力监测，从而少有多种矿压监测的共同耦合，这往往会导致因正在监测部分因素数据显示顶板正常，而忽略未监测因素已导致顶板具有失稳危险，从而误认为顶板安全，以致造成不必要的事故伤亡，给人身安全和矿井安全生产造成严重威胁。
发明内容
本发明的目的是克服已有技术中的不足，提供一种顶板安全矿压监测方法及装置，结构简单、抗干扰能力强、通过顶板锚固力、离层量和下沉数值的综合比对分析，以复合多指标精细、准确判断顶板安全的矿压耦合监测方法。
本发明是以如下技术方案实现的：一种顶板安全矿压监测方法，
（1）对于顶板离层，以多因素分析法的顶板离层临界值Ud为顶板安全临界状态指标；
（2）对于平均锚固载荷，以实践经验法的0.3Pd为顶板安全临界状态指标，其中Pd为设计锚固力；
（3）对于顶板整体下沉，以标准下沉量取值估算法的顶板下沉量临界值S为顶板安全临界状态指标；
（4）基于锚固载荷、离层和下沉的耦合，以其复合指标判别顶板安全状态，对顶板安全进行预警预测；具体安全状态判断如下：
如果顶板离层>Ud，平均锚固载荷>0.3Pd，整体下沉<S，为不安全状态；
如果顶板离层<Ud，平均锚固载荷<0.3Pd，整体下沉<S，为不安全状态；
如果顶板离层<Ud，平均锚固载荷>0.3Pd，整体下沉>S，为不安全状态；
如果顶板离层>Ud，平均锚固载荷<0.3Pd，整体下沉<S，为极不安全状态；
如果顶板离层>Ud，平均锚固载荷>0.3Pd，整体下沉>S，为极不安全状态；
如果顶板离层<Ud，平均锚固载荷<0.3Pd，整体下沉>S，为极不安全状态；
如果顶板离层>Ud，平均锚固载荷<0.3Pd，整体下沉>S，为最不安全状态。
一种顶板安全矿压监测装置，
回采巷道掘进时随巷道掘进逐步安装多个矿压监测测站，矿压监测测站在巷道的同一断面同时进行锚固力、顶板深部围岩的稳定和表面下沉量的监测，矿压监测测站间距为50~100m；巷道顶板中央安装顶板离层监测装置；巷道一侧肩部和帮部安装锚固力监测装置；巷道另一侧肩部及帮部均安装深部位移监测装置，巷道两侧帮部的监测装置处于同一水平面；在顶板离层监测装置及巷道两侧帮部锚固力监测装置、深部位移监测装置上安装有巷道表面位移监测装置，巷道表面位移监测装置所需顶板基本测点在巷道顶板中央的顶板离层监测装置上，帮部基本测点在巷道两侧帮部保持同一水平面的锚固力监测装置上，所需底板基本测点布置在顶板离层监测装置相对于巷道底板平面的铅垂投影处；通过帮部测点间拉水平线，运用激光测距仪测量垂直方向的位移；所述的顶板离层监测装置、锚固力监测装置、深部位移监测装置通过光缆或电缆传输系统与地面计算机系统连接。 
其进一步是：所监测的巷道即可以是回采巷道，也可以是开拓巷道、准备巷道和井下硐室；装设的矿压测站既可以在巷道掘进期间进行安设，也可以在回采期间或加固时期安设。
所述的顶板离层监测装置可以采用机械式离层仪、电阻式离层仪或多点位移计。
锚固力监测装置采用分布式光纤锚杆及在线锚固力测力计。
所述的锚固力测力计为振弦式测力仪或电阻式测力仪或液压式测力仪。
深部位移监测装置用多点位移计进行监测。
本发明的有益效果是：本发明在巷道或硐室的同一断面同时进行锚固力、顶板深部围岩的稳定和表面下沉量的监测，不但方便监测，结构简单，同时巷道表面位移监测装置与顶板离层监测装置、锚固力监测装置、深部位移监测装置相融合，避免了因安装表面位移测站给锚固力监测、离层监测、深部位移监测造成的附加应力，使监测数据更加准确；有线在线监测较之无线在线监测抗干扰能力更强，又有信号获取元器件上备份数据的存在，避免了因在线监测故障导致监测失效，保证了监测数据的完整性及有效性；此外，复合监测指标综合了七种条件指标将顶板危险性划分为三个等级（不安全、极不安全、最不安全），全面、准确地体现了顶板的安全状态，同时避免了因顶板下沉外部表现不明显而其它单个或两个因素超标时误认为顶板处于安全状态所带来的风险，本发明的监测方法更安全、更有效、更科学、更合理，为煤矿、金属矿山等地下工程的安全生产提供有力保障。
附图说明
图1所示为本发明的矿压监测测站布置平面示意图。
图2所示为本发明的矿压监测测站布置剖面示意图。
1、矿压监测测站；2、顶板离层监测装置；3、锚固力监测装置；4、深部位移监测装置；5、巷道表面位移监测装置。
具体实施方式
如图1和图2所示，回采巷道掘进时随巷道掘进逐步安装多个矿压监测测站1，矿压监测测站1在巷道的同一断面同时进行锚固力、顶板深部围岩的稳定和表面下沉量的监测，矿压监测测站1间距为50~100m；
巷道顶板中央安装顶板离层监测装置2，顶板离层监测装置可以采用机械式离层仪、电阻式离层仪或多点位移计等，可以实时监测顶板深部离层情况，当因顶板离层过大导致顶板处于非安全状态时，给予警报。
巷道一侧肩部和帮部安装锚固力监测装置3，锚固力监测装置可以采用分布式光纤锚杆及在线锚固力测力计，支护载荷可以采用振弦式、电阻式或液压式；巷道另一侧肩部及帮部均安装深部位移监测装置4，保证巷道两侧帮部的监测装置处于同一水平面，深部位移监测装置可采用多点位移计进行监测。光纤锚杆及在线锚固力测力计组成的锚固力监测装置可以准确测量锚杆的粘锚力及托锚力，深部位移监测装置可良好体现围岩深部因应力场变化而发生的破坏变形，同时巷道两侧帮部的锚固力监测装置及深部位移监测装置处于同一水平面，方便于布置巷道表面位移监测测站，保证了表面位移监测的准确性。
巷道表面位移监测可采用“十”字断面法进行，在顶板离层监测装置2及巷道两侧帮部锚固力监测装置3、深部位移监测装置4上安装有巷道表面位移监测装置5，巷道表面位移监测装置所需顶板基本测点在巷道顶板中央的顶板离层监测装置上，帮部基本测点在巷道两侧帮部保持同一水平面的锚固力监测装置上，所需底板基本测点布置在顶板离层监测装置相对于巷道底板平面的铅垂投影处；通过帮部测点间拉水平线，运用激光测距仪测量垂直方向的位移，监测顶板下沉。
顶板离层监测装置、锚固力监测装置、深部位移监测装置通过光缆或电缆传输系统与地
面计算机系统连接，监测所得数据可通过传输系统传输至地面进行在线监测，亦因同时数据备份在信号获取元器件上，可通过采集仪进行数据采集，进行滞后分析监测。
基于锚固载荷、离层和下沉的耦合，以其复合指标判别顶板安全状态。顶板离层大于多因素分析法的顶板离层临界值Ud时，顶板为不安全状态；平均载荷小于实践经验法的0.3倍设计锚固力Pd时，顶板为不安全状态，顶板整体下沉大于标准下沉量取值估算法的顶板下沉量临界值S时，顶板为不安全状态。其中多因素分析法的顶板离层临界值Ud的计算方式为
Figure 2013101842924100002DEST_PATH_IMAGE001
 
式中，
Figure 984992DEST_PATH_IMAGE002
为顶板岩层强度，
Figure 2013101842924100002DEST_PATH_IMAGE003
为顶板完整性系数，
Figure 308920DEST_PATH_IMAGE004
为埋藏深度，
Figure 2013101842924100002DEST_PATH_IMAGE005
为应力集中系数，
Figure 762904DEST_PATH_IMAGE006
为侧压系数，
Figure 2013101842924100002DEST_PATH_IMAGE007
为巷道宽度，
Figure 395092DEST_PATH_IMAGE008
为锚杆支护强度，为锚固系数，
Figure 253852DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 2013101842924100002DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 742821DEST_PATH_IMAGE012
为待定系数。利用具体的地质资料及物理力学实验，确定好中的八个因素值后进行数值模拟实验，得到不同条件下的顶板离层模拟值后，进行回归得到待定系数
Figure 933369DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 797944DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 383646DEST_PATH_IMAGE012
，然后计算顶板离层临界值
Figure 938124DEST_PATH_IMAGE013
。
 
标准下沉量取值估算法的顶板下沉量临界值S计算方式为
Figure 304383DEST_PATH_IMAGE014
式中，
Figure 2013101842924100002DEST_PATH_IMAGE015
为顶板下沉量临界值，为标准下沉量（中厚煤层为25mm/m2，薄煤层为35mm/m2），
Figure 2013101842924100002DEST_PATH_IMAGE017
为平均采高，
Figure 846147DEST_PATH_IMAGE018
为控顶宽。
由以上三个临界值作为基本指标，通过几种不同顶板离层监测装置、锚固力监测装置、深部位移监测装置、巷道表面位移监测装置的相互耦合，得到基于载荷、离层和下沉耦合的顶板安全矿压监测方法复合指标为：
顶板离层 平均锚固载荷 整体下沉 安全状态
>Ud >0.3Pd <S 不安全
<Ud <0.3Pd <S 不安全
<Ud >0.3Pd >S 不安全
>Ud <0.3Pd <S 极不安全
>Ud >0.3Pd >S 极不安全
<Ud <0.3Pd >S 极不安全
>Ud <0.3Pd >S 最不安全
本实施例按如下步骤进行：
1.打孔。不同监测装置所需深度，用锚杆钻机在顶板中央、两肩、巷道一侧帮部各打一个钻孔，之后对照帮部孔所处水平面在巷道另一侧帮部钻取巷道深部位移监测装置所需深度的钻孔，最后在顶板孔相对于巷道底板平面的铅垂投影处钻去深度约0.5m的钻孔。
2.安装各个矿压监测装置。在顶板中央钻孔安装顶板离层监测装置，巷道一侧肩部顶板及帮部孔安装锚固力监测装置，巷道另一侧肩部顶板及帮部孔安装深部位移监测装置，同时在顶板中央及巷道两侧帮部监测装置上布置好表面位移监测所需基本测点，在底板约深0.5m孔内安装约0.5m的短锚杆，悬露3~5cm，布置表面位移监测底板测点。
3.布置在线监测系统。按规格要求沿巷道帮部铺设光缆或电缆，延伸到地面，顶板离层监测装置、锚固力监测装置、深部位移监测装置通过与光缆或电缆传输系统连接，与地面计算机系统连接。
4.记录初始读数。各部分监测装置安装好后，调试、检查完好性，并记录初始读数。

Claims (7)

1.一种顶板安全矿压监测方法，其特征在于：
（1）对于顶板离层，以多因素分析法的顶板离层临界值Ud为顶板安全临界状态指标；
（2）对于平均锚固载荷，以实践经验法的0.3Pd为顶板安全临界状态指标，其中Pd为设计锚固力；
（3）对于顶板整体下沉，以标准下沉量取值估算法的顶板下沉量临界值S为顶板安全临界状态指标；
（4）基于锚固载荷、离层和下沉的耦合，以其复合指标判别顶板安全状态，对顶板安全进行预警预测；具体安全状态判断如下：
如果顶板离层>Ud，平均锚固载荷>0.3Pd，整体下沉<S，为不安全状态；
如果顶板离层<Ud，平均锚固载荷<0.3Pd，整体下沉<S，为不安全状态；
如果顶板离层<Ud，平均锚固载荷>0.3Pd，整体下沉>S，为不安全状态；
如果顶板离层>Ud，平均锚固载荷<0.3Pd，整体下沉<S，为极不安全状态；
如果顶板离层>Ud，平均锚固载荷>0.3Pd，整体下沉>S，为极不安全状态；
如果顶板离层<Ud，平均锚固载荷<0.3Pd，整体下沉>S，为极不安全状态；
如果顶板离层>Ud，平均锚固载荷<0.3Pd，整体下沉>S，为最不安全状态。
2.一种顶板安全矿压监测装置，其特征在于：
回采巷道掘进时随巷道掘进逐步安装多个矿压监测测站（1），矿压监测测站（1）在巷道的同一断面同时进行锚固力、顶板深部围岩的稳定和表面下沉量的监测，矿压监测测站（1）间距为50~100m；巷道顶板中央安装顶板离层监测装置（2）；巷道一侧肩部和帮部安装锚固力监测装置（3）；巷道另一侧肩部及帮部均安装深部位移监测装置（4），巷道两侧帮部的监测装置处于同一水平面；在顶板离层监测装置（2）及巷道两侧帮部锚固力监测装置（3）、深部位移监测装置（4）上安装有巷道表面位移监测装置（5），巷道表面位移监测装置所需顶板基本测点在巷道顶板中央的顶板离层监测装置上，帮部基本测点在巷道两侧帮部保持同一水平面的锚固力监测装置上，所需底板基本测点布置在顶板离层监测装置相对于巷道底板平面的铅垂投影处；通过帮部测点间拉水平线，运用激光测距仪测量垂直方向的位移；所述的顶板离层监测装置（2）、锚固力监测装置（3）、深部位移监测装置（4）通过光缆或电缆传输系统与地面计算机系统连接。
3.根据权利要求2所述的一种顶板安全矿压监测装置，其特征在于：所监测的巷道即可以是回采巷道，也可以是开拓巷道、准备巷道和井下硐室；装设的矿压测站既可以在巷道掘进期间进行安设，也可以在回采期间或加固时期安设。
4.根据权利要求2所述的一种顶板安全矿压监测装置，其特征在于：所述的顶板离层监测装置（2）可以采用机械式离层仪、电阻式离层仪或多点位移计。
5.根据权利要求2所述的一种顶板安全矿压监测装置，其特征在于：锚固力监测装置（3）采用分布式光纤锚杆及在线锚固力测力计。
6.根据权利要求5所述的一种顶板安全矿压监测装置，其特征在于：所述的锚固力测力计为振弦式测力仪或电阻式测力仪或液压式测力仪。
7.根据权利要求2所述的一种顶板安全矿压监测装置，其特征在于：深部位移监测装置（4）用多点位移计进行监测。
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