頂板來(lái)壓，“看”得見(jiàn)

采用頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)可以提供壓力、位移量等過(guò)去肉眼看不到的信息，及時(shí)用軟件分析，采取對(duì)策，將有效預(yù)防采煤工作面冒頂編者按2012年9月，國(guó)家安全監(jiān)管總局研究部署了第一批安全科技“四個(gè)一批”項(xiàng)目，煤礦頂板安全綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)被列為可推廣的安全生產(chǎn)先進(jìn)適用技術(shù)。該技術(shù)可有效預(yù)防煤礦頂板冒頂事故，截至目前已成功應(yīng)用于神華集團(tuán)、山西潞安集團(tuán)、山西晉城煤業(yè)集團(tuán)、山西焦煤集團(tuán)等大型煤炭企業(yè)。現(xiàn)將該項(xiàng)技術(shù)詳解如下，供更多企業(yè)借鑒。“過(guò)去我們煤礦一個(gè)月出24萬(wàn)噸煤炭，都屬于‘點(diǎn)正’的，很有幾分碰運(yùn)氣的成分?？勺詮牟捎昧隧敯鍨?zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)后，情況大為改觀。”內(nèi)蒙古扎賚諾爾煤業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)技術(shù)部主任張洪清高興地說(shuō)，“說(shuō)實(shí)在的，我們心里很感激。”張洪清說(shuō)的頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)是天地科技股份有限公司一項(xiàng)重點(diǎn)研發(fā)和推廣的項(xiàng)目。“工作面年產(chǎn)從過(guò)去的不足250萬(wàn)噸提高至350萬(wàn)噸，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的安全管理起到了積極作用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。”該公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部采礦技術(shù)研究所所長(zhǎng)毛德兵，這樣概括這項(xiàng)技術(shù)推廣后的應(yīng)用效果。“最主要是及時(shí)性。過(guò)去使用其他的設(shè)備，反應(yīng)相對(duì)滯后，問(wèn)題發(fā)生了才知道；現(xiàn)在可以提前預(yù)警，及時(shí)處理問(wèn)題。”四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)攀枝花煤業(yè)公司副總工程師兼生產(chǎn)處長(zhǎng)劉四平表示。2012年，“礦井頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與應(yīng)用”項(xiàng)目成果經(jīng)中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)組織鑒定，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，獲得了中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。2012年9月，國(guó)家安全監(jiān)管總局研究部署了第一批安全科技“四個(gè)一批”項(xiàng)目，即一批安全生產(chǎn)科研攻關(guān)課題、一批可轉(zhuǎn)化的安全科技成果、一批可推廣的安全生產(chǎn)先進(jìn)適用技術(shù)、一批安全生產(chǎn)技術(shù)示范工程。其中，煤礦頂板安全綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)被列為一批可推廣的安全生產(chǎn)先進(jìn)適用技術(shù)。截至目前，頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用范圍覆蓋了神華集團(tuán)、潞安集團(tuán)、晉城煤業(yè)集團(tuán)、山西焦煤集團(tuán)、同煤集團(tuán)、中煤平朔集團(tuán)、開(kāi)灤集團(tuán)、伊泰集團(tuán)等大型煤炭企業(yè)。不僅要增大支護(hù)阻力，更要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警按煤礦事故類別統(tǒng)計(jì)，2006年至2012年，煤礦頂板事故總量和死亡人數(shù)連續(xù)多年位居第一。2013年，頂板事故發(fā)生274起、死亡325人，分別占全國(guó)較大事故起數(shù)和死亡人數(shù)的45.4%和30.5%。傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，頂板事故主要發(fā)生在支護(hù)不合格的地方中小煤礦。然而，近年來(lái)，隨著煤礦開(kāi)采裝備水平的提高，支架支護(hù)阻力顯著增大，國(guó)有大型煤礦也會(huì)發(fā)生壓架和局部冒頂事故。實(shí)踐證明，頂板事故的防治不僅要增大支護(hù)阻力，更要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。“這些隱患都是肉眼看不出來(lái)的，要進(jìn)一步減少死亡人數(shù)，就要做好煤礦頂板動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及相關(guān)頂板災(zāi)害預(yù)警工作。”毛德兵認(rèn)為，“比如，2012年我們?cè)诙鯛柖嗨故忻禾烤值拇罅χС窒?，?duì)該市所屬煤礦開(kāi)展了頂板隱患排查工作，效果不錯(cuò)，得到了煤炭局的充分肯定。”過(guò)去，天地科技股份有限公司的研究人員在頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)，集團(tuán)或礦區(qū)下屬煤礦中，頂板監(jiān)測(cè)系統(tǒng)管理分散，相互獨(dú)立，形成信息孤島與信息斷層，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)丟失嚴(yán)重，不僅無(wú)法開(kāi)展系統(tǒng)深入的數(shù)據(jù)分析和頂板災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，更無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)警結(jié)果的互聯(lián)、互享與互動(dòng)。因此，該公司認(rèn)為有必要建立統(tǒng)一的礦壓數(shù)據(jù)中心和監(jiān)控平臺(tái)，將各礦的礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)集合，實(shí)現(xiàn)集團(tuán)頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)的集成化、實(shí)時(shí)化和智能化，“目前，我們已在鄂爾多斯準(zhǔn)格爾旗和皖北煤電集團(tuán)等建立了頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)”。在攀煤公司，最先使用頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的是花山煤礦。“該礦傾角達(dá)40度，最大采高達(dá)5米，如果支架支護(hù)強(qiáng)度不夠，現(xiàn)場(chǎng)操作不到位，很容易發(fā)生冒頂、支架傾倒等安全事故。”劉四平說(shuō)，“有了這套系統(tǒng)后方便了監(jiān)督與管理，能有效預(yù)防頂板事故。”“現(xiàn)在，攀煤公司實(shí)現(xiàn)了局域聯(lián)網(wǎng)，下屬煤礦的技術(shù)管理人員已經(jīng)養(yǎng)成工作習(xí)慣，每天一上班先要看一看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，然后再安排當(dāng)天的工作。”毛德兵說(shuō)。而對(duì)于鐵北煤礦來(lái)說(shuō)，過(guò)去的煩惱是一直找不到煤礦不達(dá)產(chǎn)的真正原因。據(jù)了解，鐵北煤礦設(shè)計(jì)年產(chǎn)量為300萬(wàn)噸，但工作面常發(fā)生壓架事故，工作面達(dá)不了產(chǎn)。“過(guò)去我們總覺(jué)得設(shè)備需要升級(jí)，或者開(kāi)采條件不允許。在認(rèn)識(shí)上存在誤區(qū)。”張洪清說(shuō)，“比如，我們工作面液壓支架的工作阻力已經(jīng)很大了，但不能無(wú)限制增大，后來(lái)和天地科技股份有限公司的技術(shù)人員溝通后，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)同類型煤礦能達(dá)產(chǎn)，于是抱著試試看的心態(tài)，結(jié)果——成了。”據(jù)介紹，天地科技股份有限公司經(jīng)過(guò)駐礦一段時(shí)間的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析，發(fā)現(xiàn)初撐力低、前后柱受力不均勻和安全閥頻繁開(kāi)啟是鐵北煤礦壓架事故的主要原因。通過(guò)加強(qiáng)設(shè)備檢修，提高支架初撐力水平，成功解決了工作面頻繁壓架問(wèn)題，工作面產(chǎn)量明顯提高。“現(xiàn)在好了，采用頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)可以提供壓力、位移量等過(guò)去肉眼看不到的信息，根據(jù)這些信息再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到的實(shí)際情況，采取相應(yīng)措施。特別是對(duì)于預(yù)防采煤工作面冒頂和頂板大面積來(lái)壓預(yù)警效果比較好。”張洪清表示。一方面提高采樣頻率，另一方面及時(shí)進(jìn)行軟件分析“目前，我國(guó)生產(chǎn)礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的企業(yè)比較多，種類也多，但是大多數(shù)企業(yè)都是從事監(jiān)測(cè)監(jiān)控通訊技術(shù)，大多數(shù)的礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只具備顯示、生成曲線等功能，采樣間隔時(shí)間比較長(zhǎng)，不具備深入分析礦壓數(shù)據(jù)和預(yù)警功能。”毛德兵說(shuō)。國(guó)內(nèi)礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要存在3個(gè)方面的問(wèn)題：一是巡檢時(shí)間較長(zhǎng)，不能有效捕捉災(zāi)害發(fā)生前兆及過(guò)程；二是無(wú)自動(dòng)分析數(shù)據(jù)模型和功能；三是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警。毛德兵認(rèn)為，該技術(shù)最大的不同之處在于：一是首次開(kāi)發(fā)了秒級(jí)及毫秒級(jí)智能采樣方式，最短數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔縮小至秒級(jí)或毫秒級(jí)，能夠監(jiān)測(cè)頂板及圍巖變形破壞發(fā)生過(guò)程。二是提出了頂板災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)及算法，首次建立頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)。天地科技股份有限公司的科研人員總結(jié)了7個(gè)回采工作面頂板災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)：支架初撐力、末阻力、安全閥開(kāi)啟率、來(lái)壓步距、不平衡率、不保壓率、地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域；8個(gè)錨桿工作狀態(tài)預(yù)警指標(biāo)：最大值、上限報(bào)警比例；最小值、下限報(bào)警比例；最大增速、增速報(bào)警比例；錨桿平均值、平均增速；9個(gè)圍巖變形狀態(tài)預(yù)警指標(biāo)：深層最大、報(bào)警比例；淺層最大、報(bào)警比例；離層最大、報(bào)警比例；深層平均、淺層平均、離層平均。“支架初撐力不足，容易導(dǎo)致冒頂事故，因此這個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如果太低，會(huì)有提示；安全閥開(kāi)啟率超過(guò)20%，則說(shuō)明工作面有壓架的危險(xiǎn)，要加快推進(jìn)速度或?qū)敯暹M(jìn)行卸壓。”毛德兵介紹，“一方面提高采樣頻率，另一方面及時(shí)進(jìn)行軟件分析，兩者結(jié)合，才能準(zhǔn)確找到問(wèn)題所在，有的放矢地解決問(wèn)題。”據(jù)介紹，天地科技股份有限公司的頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層，主要是管理層，包括地面服務(wù)器、主機(jī)、調(diào)度室預(yù)警平臺(tái)；傳輸層包括電纜、光纜、無(wú)線傳輸以及工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)構(gòu)成的傳輸網(wǎng)絡(luò)；傳感器層包括用于工作面監(jiān)測(cè)的支架壓力記錄儀、傾角測(cè)量?jī)x和立柱伸縮量測(cè)量?jī)x，用于巷道監(jiān)測(cè)的圍巖移動(dòng)傳感器、錨桿（索）測(cè)力計(jì)、壓力計(jì)和鉆孔應(yīng)力計(jì)。系統(tǒng)通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)可以得到反映頂板動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境參量和設(shè)備參量。系統(tǒng)的主要作用：一是監(jiān)測(cè)支架工況及圍巖穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)異常變化，及時(shí)預(yù)警，采取措施，防止頂板事故發(fā)生；二是通過(guò)分析初撐力、不保壓率、安全閥開(kāi)啟率等數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)支架質(zhì)量及其與地質(zhì)的適應(yīng)性；三是通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究頂板事故發(fā)生原因，提出巷道圍巖及工作面頂板控制技術(shù)措施。此外，系統(tǒng)還在以下幾方面進(jìn)行創(chuàng)新：采用濺射薄膜壓力傳感器，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性；設(shè)計(jì)了自動(dòng)上傳緩存數(shù)據(jù)功能，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性；開(kāi)發(fā)了兼容電纜、光纖以及無(wú)線傳輸方式的頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可靠、穩(wěn)定傳輸。預(yù)警分級(jí)和立體化監(jiān)測(cè)是下一步重點(diǎn)“在實(shí)踐中，我們發(fā)現(xiàn)在很多煤礦頂板監(jiān)測(cè)只是擺設(shè)，沒(méi)有起到相應(yīng)的效果，究其原因，不會(huì)分析是其使用不到位的主要原因。為解決這個(gè)問(wèn)題，同時(shí)從推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的角度出發(fā)，我們開(kāi)始研究這項(xiàng)技術(shù)。”該公司開(kāi)采事業(yè)部采礦技術(shù)研究所副研究員付東波談起研究這項(xiàng)技術(shù)的初衷時(shí)說(shuō)。如今的頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)完全可以做到對(duì)礦山壓力的常規(guī)監(jiān)測(cè)，“一些難采、復(fù)雜條件下的煤層更需要加強(qiáng)頂板災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警。”付東波表示。但是，任何一項(xiàng)新技術(shù)的推廣應(yīng)用都有一個(gè)過(guò)程，頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)也不例外。“2005年，攀煤公司的綜采工作面經(jīng)常冒頂，一年下來(lái)只推進(jìn)100米，工人整天處理冒頂，支架傾倒、咬架，形成惡性循環(huán)。”毛德兵說(shuō)，“后來(lái)，我下井實(shí)際看了一下，覺(jué)得支架管理最重要，如果支架管理不到位，肯定影響生產(chǎn)。結(jié)果，他們說(shuō)，你要能做好你來(lái)做。”為了幫助攀煤公司解決問(wèn)題，毛德兵從其他礦區(qū)招了十幾個(gè)人，半個(gè)月后，工作面就恢復(fù)了正常工作。“后來(lái)又留下來(lái)給他們做了一些指導(dǎo)，共3個(gè)月。從那以后，他們的綜采逐步發(fā)展起來(lái)了。”毛德兵介紹，“2012年，攀煤公司上了一個(gè)放頂煤的工作面，我認(rèn)為這種情況下，更要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警。為了打消他們的顧慮，先讓他們免費(fèi)試用，看看效果如何?，F(xiàn)在，攀煤公司每上一個(gè)綜采工作面，就安裝一套頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。”從目前運(yùn)行情況來(lái)看，攀煤公司通過(guò)預(yù)警、加強(qiáng)設(shè)備管理，確保工作面液壓支架支撐、防滑作用的正常發(fā)揮，成功地解決了大傾角大采高綜采（平均傾角40度）、大傾角松軟厚煤層綜放開(kāi)采工作面設(shè)備防倒防滑問(wèn)題。此外，在技術(shù)推廣過(guò)程中，毛德兵認(rèn)為，主要是人才和觀念問(wèn)題。在實(shí)際推廣中，有些煤礦覺(jué)得監(jiān)測(cè)預(yù)警可有可無(wú)，重視程度不夠，因此對(duì)年輕的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，沒(méi)有形成吸引力。剛分來(lái)的大學(xué)生一般只在監(jiān)測(cè)預(yù)警的工作崗位上待一兩年，就很快去做別的工作了，對(duì)人才儲(chǔ)備不利。還有的煤礦認(rèn)為，上了監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)后，工作壓力更大了，“沒(méi)上系統(tǒng)時(shí)，如果出現(xiàn)頂板事故，是現(xiàn)場(chǎng)管理的問(wèn)題；上了系統(tǒng)后，如果出現(xiàn)預(yù)警沒(méi)有及時(shí)處理，反而變成了自己的責(zé)任”。因此，預(yù)警分級(jí)和立體化監(jiān)測(cè)是天地科技股份有限公司下一步工作重點(diǎn)。預(yù)警分級(jí)，即結(jié)合集團(tuán)公司的實(shí)際情況，將災(zāi)害預(yù)警情況分等級(jí)通報(bào)。比較嚴(yán)重的災(zāi)害預(yù)警直接反映到集團(tuán)公司，一般的災(zāi)害預(yù)警反映到礦上就可以了。“今年在中煤平朔集團(tuán)就有一個(gè)類似的項(xiàng)目。目前，處于推廣階段。”毛德兵說(shuō)。立體化監(jiān)測(cè)，即實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層覆巖與采掘空間支護(hù)體及圍巖的多參量監(jiān)測(cè)。據(jù)介紹，目前的頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)局部重點(diǎn)區(qū)域和工作場(chǎng)所。下一步，把頂板監(jiān)測(cè)和反映覆巖及煤層破壞的微震、地音監(jiān)測(cè)結(jié)合起來(lái)，這樣就能分析是否會(huì)發(fā)生大的頂板災(zāi)害。“對(duì)煤巖層破裂區(qū)域進(jìn)行定位，過(guò)去主要應(yīng)用于沖擊地壓，今后可以把大范圍的監(jiān)測(cè)和局部監(jiān)測(cè)結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)立體化的監(jiān)測(cè)，這樣對(duì)頂板災(zāi)害預(yù)警就有了更多的指標(biāo)。”毛德兵介紹。談到未來(lái)的發(fā)展，“可以把煤礦所有的隱蔽致災(zāi)因素監(jiān)測(cè)結(jié)合在一起，如頂板、水、火、瓦斯等形成一個(gè)大的預(yù)警平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)測(cè)。”毛德兵說(shuō)。