顶板来压，“看”得见

采用顶板灾害监测预警技术可以提供压力、位移量等过去肉眼看不到的信息，及时用软件分析，采取对策，将有效预防采煤工作面冒顶编者按2012年9月，国家安全监管总局研究部署了第一批安全科技“四个一批”项目，煤矿顶板安全综合监测预警技术被列为可推广的安全生产先进适用技术。该技术可有效预防煤矿顶板冒顶事故，截至目前已成功应用于神华集团、山西潞安集团、山西晋城煤业集团、山西焦煤集团等大型煤炭企业。现将该项技术详解如下，供更多企业借鉴。“过去我们煤矿一个月出24万吨煤炭，都属于‘点正’的，很有几分碰运气的成分。可自从采用了顶板灾害监测预警技术后，情况大为改观。”内蒙古扎赉诺尔煤业集团生产技术部主任张洪清高兴地说，“说实在的，我们心里很感激。”张洪清说的顶板灾害监测预警技术是天地科技股份有限公司一项重点研发和推广的项目。“工作面年产从过去的不足250万吨提高至350万吨，对现场的安全管理起到了积极作用，取得了良好的经济效益和社会效益。”该公司开采设计事业部采矿技术研究所所长毛德兵，这样概括这项技术推广后的应用效果。“最主要是及时性。过去使用其他的设备，反应相对滞后，问题发生了才知道；现在可以提前预警，及时处理问题。”四川省煤炭产业集团攀枝花煤业公司副总工程师兼生产处长刘四平表示。2012年，“矿井顶板灾害监测系统研究与应用”项目成果经中国煤炭学会组织鉴定，达到国际领先水平，获得了中国煤炭工业协会科技进步奖二等奖。2012年9月，国家安全监管总局研究部署了第一批安全科技“四个一批”项目，即一批安全生产科研攻关课题、一批可转化的安全科技成果、一批可推广的安全生产先进适用技术、一批安全生产技术示范工程。其中，煤矿顶板安全综合监测预警技术被列为一批可推广的安全生产先进适用技术。截至目前，顶板灾害监测预警系统的应用范围覆盖了神华集团、潞安集团、晋城煤业集团、山西焦煤集团、同煤集团、中煤平朔集团、开滦集团、伊泰集团等大型煤炭企业。不仅要增大支护阻力，更要加强监测和预警按煤矿事故类别统计，2006年至2012年，煤矿顶板事故总量和死亡人数连续多年位居第一。2013年，顶板事故发生274起、死亡325人，分别占全国较大事故起数和死亡人数的45.4%和30.5%。传统观念认为，顶板事故主要发生在支护不合格的地方中小煤矿。然而，近年来，随着煤矿开采装备水平的提高，支架支护阻力显著增大，国有大型煤矿也会发生压架和局部冒顶事故。实践证明，顶板事故的防治不仅要增大支护阻力，更要加强监测和预警。“这些隐患都是肉眼看不出来的，要进一步减少死亡人数，就要做好煤矿顶板动态监测及相关顶板灾害预警工作。”毛德兵认为，“比如，2012年我们在鄂尔多斯市煤炭局的大力支持下，对该市所属煤矿开展了顶板隐患排查工作，效果不错，得到了煤炭局的充分肯定。”过去，天地科技股份有限公司的研究人员在顶板灾害监测预警系统的实际使用中发现，集团或矿区下属煤矿中，顶板监测系统管理分散，相互独立，形成信息孤岛与信息断层，导致监测数据丢失严重，不仅无法开展系统深入的数据分析和顶板灾害预测预报工作，更无法实现预警结果的互联、互享与互动。因此，该公司认为有必要建立统一的矿压数据中心和监控平台，将各矿的矿压监测数据通过互联网集合，实现集团顶板灾害监测的集成化、实时化和智能化，“目前，我们已在鄂尔多斯准格尔旗和皖北煤电集团等建立了顶板灾害监测预警平台”。在攀煤公司，最先使用顶板灾害监测预警系统的是花山煤矿。“该矿倾角达40度，最大采高达5米，如果支架支护强度不够，现场操作不到位，很容易发生冒顶、支架倾倒等安全事故。”刘四平说，“有了这套系统后方便了监督与管理，能有效预防顶板事故。”“现在，攀煤公司实现了局域联网，下属煤矿的技术管理人员已经养成工作习惯，每天一上班先要看一看监测数据，然后再安排当天的工作。”毛德兵说。而对于铁北煤矿来说，过去的烦恼是一直找不到煤矿不达产的真正原因。据了解，铁北煤矿设计年产量为300万吨，但工作面常发生压架事故，工作面达不了产。“过去我们总觉得设备需要升级，或者开采条件不允许。在认识上存在误区。”张洪清说，“比如，我们工作面液压支架的工作阻力已经很大了，但不能无限制增大，后来和天地科技股份有限公司的技术人员沟通后，发现国内同类型煤矿能达产，于是抱着试试看的心态，结果——成了。”据介绍，天地科技股份有限公司经过驻矿一段时间的数据监测和分析，发现初撑力低、前后柱受力不均匀和安全阀频繁开启是铁北煤矿压架事故的主要原因。通过加强设备检修，提高支架初撑力水平，成功解决了工作面频繁压架问题，工作面产量明显提高。“现在好了，采用顶板灾害监测预警技术可以提供压力、位移量等过去肉眼看不到的信息，根据这些信息再结合现场观测到的实际情况，采取相应措施。特别是对于预防采煤工作面冒顶和顶板大面积来压预警效果比较好。”张洪清表示。一方面提高采样频率，另一方面及时进行软件分析“目前，我国生产矿压监测系统的企业比较多，种类也多，但是大多数企业都是从事监测监控通讯技术，大多数的矿压监测系统只具备显示、生成曲线等功能，采样间隔时间比较长，不具备深入分析矿压数据和预警功能。”毛德兵说。国内矿压监测系统主要存在3个方面的问题：一是巡检时间较长，不能有效捕捉灾害发生前兆及过程；二是无自动分析数据模型和功能；三是没有实现灾害预警。毛德兵认为，该技术最大的不同之处在于：一是首次开发了秒级及毫秒级智能采样方式，最短数据采集时间间隔缩小至秒级或毫秒级，能够监测顶板及围岩变形破坏发生过程。二是提出了顶板灾害预警指标及算法，首次建立顶板灾害监测预警平台。天地科技股份有限公司的科研人员总结了7个回采工作面顶板灾害预警指标：支架初撑力、末阻力、安全阀开启率、来压步距、不平衡率、不保压率、地质构造区域；8个锚杆工作状态预警指标：最大值、上限报警比例；最小值、下限报警比例；最大增速、增速报警比例；锚杆平均值、平均增速；9个围岩变形状态预警指标：深层最大、报警比例；浅层最大、报警比例；离层最大、报警比例；深层平均、浅层平均、离层平均。“支架初撑力不足，容易导致冒顶事故，因此这个监测数据如果太低，会有提示；安全阀开启率超过20%，则说明工作面有压架的危险，要加快推进速度或对顶板进行卸压。”毛德兵介绍，“一方面提高采样频率，另一方面及时进行软件分析，两者结合，才能准确找到问题所在，有的放矢地解决问题。”据介绍，天地科技股份有限公司的顶板灾害监测预警系统结构分为三层，主要是管理层，包括地面服务器、主机、调度室预警平台；传输层包括电缆、光缆、无线传输以及工业以太环网构成的传输网络；传感器层包括用于工作面监测的支架压力记录仪、倾角测量仪和立柱伸缩量测量仪，用于巷道监测的围岩移动传感器、锚杆（索）测力计、压力计和钻孔应力计。系统通过传感器监测可以得到反映顶板动态变化的环境参量和设备参量。系统的主要作用：一是监测支架工况及围岩稳定性，发现异常变化，及时预警，采取措施，防止顶板事故发生；二是通过分析初撑力、不保压率、安全阀开启率等数据，评价支架质量及其与地质的适应性；三是通过分析监测数据，研究顶板事故发生原因，提出巷道围岩及工作面顶板控制技术措施。此外，系统还在以下几方面进行创新：采用溅射薄膜压力传感器，确保监测数据准确性；设计了自动上传缓存数据功能，确保监测数据的连续性；开发了兼容电缆、光纤以及无线传输方式的顶板灾害监测预警系统，保证了系统数据的可靠、稳定传输。预警分级和立体化监测是下一步重点“在实践中，我们发现在很多煤矿顶板监测只是摆设，没有起到相应的效果，究其原因，不会分析是其使用不到位的主要原因。为解决这个问题，同时从推动技术进步的角度出发，我们开始研究这项技术。”该公司开采事业部采矿技术研究所副研究员付东波谈起研究这项技术的初衷时说。如今的顶板灾害监测预警系统完全可以做到对矿山压力的常规监测，“一些难采、复杂条件下的煤层更需要加强顶板灾害的监测预警。”付东波表示。但是，任何一项新技术的推广应用都有一个过程，顶板灾害监测预警系统也不例外。“2005年，攀煤公司的综采工作面经常冒顶，一年下来只推进100米，工人整天处理冒顶，支架倾倒、咬架，形成恶性循环。”毛德兵说，“后来，我下井实际看了一下，觉得支架管理最重要，如果支架管理不到位，肯定影响生产。结果，他们说，你要能做好你来做。”为了帮助攀煤公司解决问题，毛德兵从其他矿区招了十几个人，半个月后，工作面就恢复了正常工作。“后来又留下来给他们做了一些指导，共3个月。从那以后，他们的综采逐步发展起来了。”毛德兵介绍，“2012年，攀煤公司上了一个放顶煤的工作面，我认为这种情况下，更要加强监测预警。为了打消他们的顾虑，先让他们免费试用，看看效果如何。现在，攀煤公司每上一个综采工作面，就安装一套顶板灾害监测预警系统。”从目前运行情况来看，攀煤公司通过预警、加强设备管理，确保工作面液压支架支撑、防滑作用的正常发挥，成功地解决了大倾角大采高综采（平均倾角40度）、大倾角松软厚煤层综放开采工作面设备防倒防滑问题。此外，在技术推广过程中，毛德兵认为，主要是人才和观念问题。在实际推广中，有些煤矿觉得监测预警可有可无，重视程度不够，因此对年轻的技术人员来说，没有形成吸引力。刚分来的大学生一般只在监测预警的工作岗位上待一两年，就很快去做别的工作了，对人才储备不利。还有的煤矿认为，上了监测预警系统后，工作压力更大了，“没上系统时，如果出现顶板事故，是现场管理的问题；上了系统后，如果出现预警没有及时处理，反而变成了自己的责任”。因此，预警分级和立体化监测是天地科技股份有限公司下一步工作重点。预警分级，即结合集团公司的实际情况，将灾害预警情况分等级通报。比较严重的灾害预警直接反映到集团公司，一般的灾害预警反映到矿上就可以了。“今年在中煤平朔集团就有一个类似的项目。目前，处于推广阶段。”毛德兵说。立体化监测，即实现对煤层覆岩与采掘空间支护体及围岩的多参量监测。据介绍，目前的顶板灾害监测预警系统可以实现远程监测，主要监测局部重点区域和工作场所。下一步，把顶板监测和反映覆岩及煤层破坏的微震、地音监测结合起来，这样就能分析是否会发生大的顶板灾害。“对煤岩层破裂区域进行定位，过去主要应用于冲击地压，今后可以把大范围的监测和局部监测结合起来，形成一个立体化的监测，这样对顶板灾害预警就有了更多的指标。”毛德兵介绍。谈到未来的发展，“可以把煤矿所有的隐蔽致灾因素监测结合在一起，如顶板、水、火、瓦斯等形成一个大的预警平台，实现统一监测。”毛德兵说。