CN105756709A - 一种工作面顶板来压及破断的监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种工作面顶板来压及破断的监测方法，选择垂直钻孔底部位置；在工作面两巷顶部打对称分布的垂直钻孔至选定的钻孔底部位置；在钻孔底部安装振动加速度传感器，此时两个对称钻孔形成一条监测线，用来监测一个来压步距内工作面基本顶来压情况；监测线间距选定为基本顶来压步距；选择振动信号采集与分析系统，对同一监测线中的两个振动加速度传感器所得数据取平均值；根据工作面顶板来压情况，及时调整工作面支护条件。该方法可以对工作面来压状况进行实时监测，降低常规来压监测方法所带来的误差，能够快速、准确地对井下工作面顶板来压进行监测并且反馈及时，有效减少因工作面顶板来压引起的煤矿顶板安全事故，降低了矿井及工人的生命和财产损失。
Description
技术领域
本发明涉及煤矿工作面监测技术领域，具体是一种工作面顶板来压及破断的监测方法。
背景技术
工作面顶板来压及破断是煤矿开采过程中剧烈的矿山压力显现现象，监测工作面顶板来压对矿山安全生产具有重要意义。
在目前的机械化开采条件下，液压支架已经得到了普遍的使用，工作面顶板来压对于煤矿生产的危害已经很小，但是在煤矿生产过程中，掌握矿压特征显现规律，对采场顶板来压的预测预报、岩层移动的计算与控制具有重要作用；对地质条件较为复杂的特殊矿井而言，工作面顶板来压及破断的监测工作，仍然需要引起足够的重视，这些特殊矿井包括煤与瓦斯突出矿井、顶板厚度大且硬度高的矿井、冲击矿压灾害较为严重的矿井等，就目前的煤矿生产而言，监测工作面顶板来压的方法主要有两类：
1.人工观察测量法，根据工作面煤壁片帮状况和顶板断裂发出的声响频率等来判断工作面顶板来压强度，这种方法定性判断顶板的来压行为，由于受主客观因素的影响，监测精度差，并且常由于人为因素带来较大的误差。
2.液压支架工作阻力监测法，通过监测液压支架的工作阻力变化来监测工作面顶板来压，并以此为基础确定来压步距，这种方法通过实测来压期间的液压支架工作阻力平均值除以非来压期间支架工作阻力平均值来确定来压强度，显然，这种方法所监测到的支架工作阻力并不能直接反应老顶的来压情况，所以，以此确定的来压强度和来压步距也存在较大误差。
综上所述，目前，现有技术中还没有一种可以及时准确监测工作面顶板来压的监测方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种工作面顶板来压及破断的监测方法，该方法可以对工作面来压状况进行实时监测，降低常规来压监测方法所带来的误差，能够在恶劣的环境中快速、准确地对井下工作面顶板来压进行监测，并且反馈及时，能够有效减少因工作面顶板来压引起的煤矿顶板安全事故，从而降低了矿井及工人的生命和财产损失。
为解决上述技术问题，本发明提供一种工作面顶板来压及破断的监测方法，包括以下步骤：
步骤一：选择垂直钻孔底部位置，根据地质综合柱状图中各分层的岩性，选择煤层基本顶中较为稳定的部分作为钻孔底部；
步骤二：钻孔布置，工作面运输平巷和工作面回风平巷掘进完成后，在工作面运输平巷和工作面回风平巷的顶部分别打对称分布的垂直钻孔至选定的钻孔底部位置；
步骤三：在钻孔底部安装振动加速度传感器，此时两个对称钻孔形成一条监测线，用来监测一个来压步距内工作面基本顶来压情况；
步骤四：沿工作面推进方向，监测线间距选定为基本顶来压步距；
步骤五：选择振动信号采集与分析系统，对同一监测线中的两个振动加速度传感器所得数据取平均值；并通过数据处理得到振动信号时频、能量信息，从而得到来压强度、顶板下沉量的信息；
步骤六：根据工作面顶板来压情况，及时调整工作面支护条件，直到工作面推进一个来压步距，然后监测系统更换为下一监测线继续工作。
振动加速度传感器为矿用本安类型。
所述振动加速度传感器可以通过磁力吸座、螺钉或粘接剂安装在煤矿井下设备上。
来压步距的计算公式如下：
式中：ai0——现有工作面的来压步距；
wi0——现有工作面的边-长系数；
lm——顶板的步距准数；
其次，将lm和待求的工作面面长b代入公式(2)中，即得所求来压步距。
本发明针对目前煤矿井下工作面来压监测不及时、不准确的背景下，利用振动加速度传感器对工作面来压状况进行实时监测，在工作面两巷顶部分别打垂直钻孔至煤层基本顶，并在钻孔底部安装振动加速度传感器，此两个对称钻孔形成一条监测线，用来监测一定时期内工作面前方基本顶来压情况，按照一定间距在两巷中布置类似监测线钻孔，监测线间距为基本顶来压步距，此步距可根据本采区相邻工作面或本矿井中相邻采区工作面基本顶来压步距进行估算，将此方法配备相应的采集与分析系统，使其能够对振动信号进行时频分析，根据时频规律特征对不同活动进行区分并进行能量分析，从而得到反映工作面顶板来压的有用信息，最后得出实时来压强度及顶板下沉量；该方法对于工作面顶板来压的监测实时性强、连续性好、可靠性高，改变了传统顶板来压监测方法的局限性，具有广泛的实用性，为煤矿井下安全生产提供指导。
附图说明
图1是沿工作面推进方向钻孔布置示意图；
图2是垂直工作面推进方向钻孔布置示意图；
图3是本发明来压步距的推广算法流程图。
图中：1、基本顶，2、煤层，3、工作面运输平巷，4、工作面回风平巷，5、垂直钻孔，6、振动加速度传感器，7、监测线，8、工作面推进方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种工作面顶板来压及破断的监测方法，包括以下步骤：
步骤一：选择垂直钻孔底部位置，根据地质综合柱状图中各分层的岩性，选择煤层基本顶1中较为稳定的部分作为钻孔底部，以得到工作面顶板来压的精确信息；
步骤二：钻孔布置，工作面运输平巷3和工作面回风平巷4掘进完成后，在工作面运输平巷3和工作面回风平巷4的顶部分别打对称分布的垂直钻孔5至选定的钻孔底部位置；
步骤三：在垂直钻孔5底部安装振动加速度传感器6，此时两个对称垂直钻孔5形成一条监测线7，用来监测一个来压步距内工作面基本顶来压情况；由于钻孔底部设置在煤层2的基本顶1中较为稳定的部分，所以其得到的工作面顶板来压的信息精确，故为了使使振动加速度传感器6具有较高的工作可靠性，将振动加速度传感器6安装在垂直钻孔5底部；
步骤四：沿工作面推进方向8，监测线7间距选定为基本顶来压步距，此步距可根据本采区相邻工作面或本矿井中相邻采区工作面基本顶来压步距进行估算；
步骤五：选择合适的振动信号采集与分析系统，其与振动加速度传感器6信号连接，对同一监测线7中的两个振动加速度传感器6所得数据取平均值，以减小误差；由于井下作业环境的复杂性，除工作面来压信息以外，还夹杂着爆破、采煤机割煤、人为敲击、机械振动等信号，对有用信号形成干扰，从而影响到岩层稳定性的精确判断，因此采集与分析系统应当能够对振动信号进行时频分析，根据时频规律特征对不同活动进行区分并进行能量分析，从而得到反映工作面顶板来压的有用信息，最后得出实时来压强度及顶板下沉量信息；
步骤六：根据工作面顶板来压情况，及时调整工作面支护条件，直到工作面推进一个来压步距，然后监测系统更换为下一监测线7继续工作。
振动加速度传感器6为矿用本安类型。
所述振动加速度传感器6可以通过磁力吸座、螺钉或粘接剂安装在煤矿井下设备上。
所述来压步距的计算公式如下：
式中：ai0——现有工作面的来压步距；
wi0——现有工作面的边-长系数；
lm——顶板的步距准数；
其次，将lm和待求的工作面面长b代入公式(2)中，即得所求来压步距。
在后面的示意图中，将工作面长度定为200m、来压步距定为30m进行举例说明。
振动加速度传感器工作原理：
振动传感器在测试技术中是关键部件之一，它的作用主要是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量，由于它也是一种机电转换装置，所以我们有时也称它为换能器、拾振器等。
在振动监测中，常用到加速度、速度和位移三种振动参量，这三个参量中只要知道其中一个参量就可以通过积分或者微分来求另外两个参量。实际上，工程上通常是用加速度传感器获取信号，直接得到加速度信号，因为加速度传感器相对于位移和速度传感器来说测量时较方便和经济，因此采用对加速度信号进行积分变换求测点的位移和速度是振动信号处理中常用的方法，并由此得到振动强度信息。可见，振动加速度传感器6的灵敏性能为来压监测的实时性和可靠性提供保障。
工作面顶板来压及破断是一个裂隙发育直至破断的过程，因此，来压过程中的岩石微破裂、产生裂隙、裂隙发育、贯通直至破断都是基本顶逐渐形成“O-X”破断的组成事件，而这些岩层活动都将产生振动事件并且被记录下来。本发明针对目前煤矿井下工作面来压监测不及时、不准确的背景下，利用振动加速度传感器6对工作面来压状况进行实时监测。将振动加速度传感器6直接布置在煤层2上方的基本顶1中，依靠其灵敏性记录这些振动信号，并利用这些信号分析矿山压力显现规律，反映工作面来压及破断的全面过程，降低常规来压监测方法所带来的误差，能够在恶劣的环境中快速、准确地对井下工作面顶板来压进行监测，并且反馈及时，能够有效减少因工作面顶板来压引起的煤矿顶板安全事故，从而降低了矿井及工人的生命和财产损失，该方法对于工作面顶板来压的监测实时性强、连续性好、可靠性高，改变了传统顶板来压监测方法的局限性，具有广泛的实用性，为煤矿井下安全生产提供指导。
Claims (4)
1.一种工作面顶板来压及破断的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：选择垂直钻孔底部位置，根据地质综合柱状图中各分层的岩性，选择煤层基本顶中较为稳定的部分作为钻孔底部；
步骤二：钻孔布置，工作面运输平巷和工作面回风平巷掘进完成后，在工作面运输平巷和工作面回风平巷的顶部分别打对称分布的垂直钻孔至选定的钻孔底部位置；
步骤三：在钻孔底部安装振动加速度传感器，此时两个对称钻孔形成一条监测线，用来监测一个来压步距内工作面基本顶来压情况；
步骤四：沿工作面推进方向，监测线间距选定为基本顶来压步距；
步骤五：选择振动信号采集与分析系统，对同一监测线中的两个振动加速度传感器所得数据取平均值；并通过数据处理得到振动信号时频、能量信息，从而得到来压强度、顶板下沉量的信息；
步骤六：根据工作面顶板来压情况，及时调整工作面支护条件，直到工作面推进一个来压步距，然后监测系统更换为下一监测线继续工作。
2.根据权利要求1所述的一种工作面顶板来压及破断的监测方法，其特征在于，所述的振动加速度传感器为矿用本安类型。
3.根据权利要求1或2所述的一种工作面顶板来压及破断的监测方法，其特征在于，所述振动加速度传感器可以通过磁力吸座、螺钉或粘接剂安装在煤矿井下设备上。
4.根据权利要求3所述的一种工作面顶板来压及破断的监测方法，其特征在于，所述来压步距的计算公式如下：
式中：ai0——现有工作面的来压步距；
wi0——现有工作面的边-长系数；
lm——顶板的步距准数；
将lm和待求的工作面面长b代入公式(2)中，即得所求来压步距。
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