围岩移动传感器在巷道围岩监测中的应用

康晓波

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司，山西 晋中 045400）

目前我国煤矿巷道支护主要以锚杆、 锚索联合支护技术为主，该支护技术在煤矿及部分非煤矿山回采巷道中得到广泛应用。 由于锚杆、锚索联合支护属于主动支护，支护材料大部分位于巷道的围岩深部，其活动状况具有一定的隐蔽性，巷道顶板离层和失稳破坏的征兆不明显，难以被察觉，因而可能导致零星的顶板冒落伤人事故或突发性大面积冒顶事故。

因此，人们非常重视锚杆锚索支护巷道的矿压监测工作，通过多种矿压仪器仪表对巷道收敛和锚杆（索）受力、两帮压力和顶板离层等关键性指标进行实时监测监控，能有效反映巷道支护效果，及时准确地对巷道顶板离层和垮落进行预测预报。

作为层状结构的巷道顶板，其离层被认为是巷道围岩失稳破坏的先兆，顶板离层监测也成为巷道矿压监测的主要内容之一[1]。 所以，巷道围岩位移检测仪器的研究对于优化巷道顶板支护设计、减少冒顶事故发生、保护矿工人身安全具有重要的理论意义和实用价值。

近年来，国内外对顶板离层指示仪的研究有多项成果，而我国现在普遍用于煤矿顶板监测的离层指示仪主要是使用钢丝绳连接刻度尺产生相对滑动的原理，人为完成读数。 这种监测装置结构虽然简单，但安装需要锚索钻机人工打钻，精度及基点安装误差较大，采集数据靠人工读数，虽刻度精确至毫米，但人工观测精确度低、误差大，不能及时发现顶板岩层离层情况[2]。

针对机械式顶板离层指示仪的不足，开元公司引进了山东思科赛德矿业安全工程有限公司研制的GUD-240 围岩移动传感器。 作为一款多基点顶板离层指示仪，它可随时测量记录岩体内不同深度处的位移情况，能够观测围岩破坏范围的发展过程，为巷道支护提供良好的技术支持[3]，为煤矿井下安全生产提供可靠的保障。

1 工作面概况

开元公司井田位于沁水煤田寿阳区氧化带边界，地表属黄土丘陵地貌，主采煤层为3#、9#、15#、15#下。 9402 工作面属9 号煤中西部四采区，煤层赋存稳定，以9#煤为主，回风侧局部存在9#煤合并区。 据巷道实掘资料，9#煤层厚度3.3～4.1 m，平均3.82 m，煤层埋藏深度287～363 m。 地面位于米家庄风井工业广场以北，上峪村西部，307 国道及龙门河以南，放马沟村（已搬迁）以东，地势相对平坦，以耕地为主，局部有少量林地。 井下位于集中胶带大巷西部，9403 工作面（已采）北部，原放马沟村保护煤柱东部，307 国道保护煤柱南部。 工作面采用“U+L”型布置方式，工作面走向长648 m，面长190 m。 工作面整体地势北高南低，位于放马沟向斜构造东北翼，煤层东西走向呈起伏变化，煤层倾角一般为7°～20°，平均15°。 切巷靠回风侧局部最大倾角26°，两巷高差37～65 m。 初采煤层倾角18°～26°，为缓倾斜煤层到倾斜煤层，由于倾角较大，回采期间将造成煤帮及顶板压力增大，应加强顶板及煤壁的维护工作。9402 工作面煤层顶底板岩性及综合柱状如图1 所示。

图1 9402 工作面顶底板柱状图

2 GUD-240 围岩移动传感器简介

2.1 系统结构组成

GUD-240 围岩移动传感器作为机械式顶板离层仪的升级换代产品，是一种新型的智能型数字显示传感器，具有光控数显、红外数据通信、自动采集上传等先进功能，而且体积较小，配合伸缩杆采集器，操作非常方便，采集数据及时、准确、可靠。 它具有与FCH64/2 矿用本安手持采集器进行红外通信的功能，可与多台围岩传感器、矿用本安型数字压力计、矿用本安型锚杆（索）应力传感器配合使用，组成可靠性和安全性都兼顾的矿井巷道围岩离层监测系统，且能够在井下长期使用[4]。

GUD-240 围岩移动传感器跟踪检测系统主要分为两套子系统，一套是由围岩传感器、采集器和井上计算机组成的红外离层数据监测系统；另一套是由围岩传感器与井上计算机之间通过采集器进行数据传输的传输系统，如图2 所示。

图2 围岩传感器结构

2.2 安装及操作说明

为了准确反映巷道顶板离层变化情况，围岩传感器要及时在掘进工作面迎头安装。 根据9402进风顺槽顶板岩性，其巷道支护方式如图3所示。

图3 9402 工作面进风顺槽支护断面

围岩传感器的安装方法：首先确定传感器深、浅基点安设位置，确定位置后剪开铁丝网确保传感器直接与巷道顶板相接触；用锚索钻机φ32 钻头打7.5 m 深的孔用于安装深部基点，用安装杆将深部基点锚固器推入孔中，直至孔底，抽出安装杆后，手拉一下钢丝绳，确认锚固器已卡住，深部基点应固定在顶板锚索支护端头附近。 其次安装浅部基点，用安装杆推入浅部基点锚固器至2～2.2 m处，抽出安装杆后用手拉一下钢丝绳，确认锚固器已固定住。 最后将连接管插入安装孔，使围岩传感器托盘紧贴巷道顶板。 安装过程中必须将深、浅基点钢丝绳手动拉紧绷直，固定好围岩传感器后，操作按键面板，进行初始化操作，依次实现显示、远程改号、远程清零、离层预警值等设置，并将围岩传感器显示界面清零[5]。

2.3 数据采集

数据采集前先将手持采集器本地校时，使手持采集器显示时间与存储数据电脑时间一致，将手持采集器本地清空，清除手持采集器内部存储。手持采集器首先移动到采集选项，然后将传感器光控唤醒，使数码管正常显示数值时确认采集，直至手持采集器显示采集成功后结束。 数据采集成功后将传感器进行远程清空，目的是清除传感器内存，避免下次采集时数据重叠及内存满后数据无法正常记录。

数据采集注意事项：

（1）锚杆（索）传感器每5 分钟采集一次数据并存储，内部大约可以存储7 天的数据量。

（2）采集器一周至少采集一次锚杆（索）传感器数据，采集完成后远程清空锚杆（索）传感器内存。

（3）采集器采集锚杆（索）传感器数据之前，必须本地清空采集器内数据。

（4）数据采集时手持采集器红外收发管必须正对传感器显示视窗且距离不超过2 m。

（5）数码管正常显示时对数据采集才有效，否则无效。

（6）传感器显示通讯窗口应保持清洁，积聚煤尘应清除，否则光控不能唤醒影响正常数据采集。

3 工作面进风顺槽位移监测

3.1 测点布置

在9402 工作面进风顺槽设置位移监测站，监测站沿9 号煤层掘进巷道顶板布置，间距不大于100 m，当围岩地质和生产条件发生显著变化时，应增减测站数目。 在试验前，对检测站进行编号，由切巷至顺槽口依次布置1#、2#……6#共6 个观测站，具体位置如图4 所示。

图4 9402 工作面进风顺槽测站布置

3.2 监测结果及分析

在9402 工作面测站布置完成后，对9402 进风顺槽在工作面回采过程中的顶板离层情况进行长期连续在线监测。 以工作面推进到150 m 时1#和2#测站的监测结果为例进行分析，详细数据如表1、表2 所示。

表1 1#站观测数据

从表1 中可以看出，9402 进风顺槽随着工作面的推进，1#测站附近巷道围岩受采动超前支承压力的影响，出现围岩移动、离层现象。 工作面推进至60 m 处浅部岩层开始出现较大离层；推进至20 m 处，深、浅基点岩层离层几乎都达到最大值，其中，浅基点达到45 mm，深基点达到20 mm；之后至开采结束无较大变化。 表2 中2#测站围岩变化规律跟1#测站相同，但离层变形量更小。 由上述数据分析可知，随着工作面的推进，测站距工作面越来越近，由于受采动影响离层量有所增加，但远小于预警上限[6]。

表2 2#站观测数据

总的来说，9402 工作面开采以来进风顺槽巷道顶板离层变化不大，在可控范围内，基本上处于稳定状态，围岩离层传感器也能及时、准确地反应顶板离层情况。

4 结语

针对机械式顶板离层仪使用中存在的不足，结合9402 工作面倾角较大的特点，在进风顺槽布设围岩移动传感器，对巷道顶板深、浅位置岩层离层位移情况进行了实时监测记录。 通过对采集数据的集中处理分析，详细地得出顶板离层情况，顶板岩层位移量处于安全可控、 且在允许变形范围内，巷道顶板整体无明显的离层、 局部跨落等现象，巷道整体上可以满足安全生产需求。 同时，证明现有的锚杆、 锚索支护方式及支护参数是合理可靠的，为以后类似巷道支护参数优化的改进提供了重要的依据。