第七章采场矿山压力监测.docx

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第七章采场矿山压力监测

第七章采场矿山压力监测

第一节概述

矿山压力监测就是利用矿压仪表实测采场及巷道的围岩应力分布特征、围岩变形、位移、顶底板破坏特征、支架受载及压缩等一系列矿山压力显现现象,采用合理的数学方法对各种矿山压力显现监测信息进行分析,总结采场及巷道矿压显现规律,预报矿压显现的发展趋势，用以解决具体的生产技术问题。

同时,在汇总大量监测数据与资料的基础上,总结出矿山压力的普遍规律,促进矿山压力理论研究的发展。

由于现场监测获得的资料是反映多种因素综合作用下的实际情况,利用这些较为可靠的资料论证分析，就可以解决某个矿井或某个采煤工作面的具体矿压问题。

一、矿压监测的目的和任务

根据煤炭工业有关技术政策和煤矿生产需要,矿压监测的主要目的和任务是：

（1）掌握采场上覆岩层运动规律,确定需控岩层范围,建立采场支架与顶板相互关系,进行老顶来压的监测预报。

根据采场顶板来压的特点提出合理的顶板管理措施,如支护方式、支护强度、特种支护、回采工艺等等,为工作面高产、高效、安全、低耗创造良好的技术条件；

（2）划分采场煤层直接顶的类别和老顶的级别,为支架选型和确定其合理技术参数提供依据；

（3）对正在使用的新型支护的适应性进行考察。

即从矿山压力控制的角度对在既定条件下使用的支架从型式、特性、参数和使用效果等方面进行适应性评价。

研究提出合理的支架结构、架型、工作阻力、支柱可缩量等；

（4）研究分析采场底板破坏规律。

对工作面底板进行分类，并提出松软底板控制技术措施,达到提高支护质量的目的；

（5）研究掌握采动影响和支承压力分布规律。

包括改进相邻采区或近距离煤层的开采顺序、确定煤柱的合理位置和尺寸,确定回采巷道断面形状、规格、及支架参数,确定煤壁前方巷道加强维护范围、沿空留巷和沿空送巷的支护措施、确定采场端头支护技术措施等,以便保证安全生产,提高资源回收率,提高技术经济效果；

（6）掌握巷道围岩活动规律,实现围岩控制的科学化。

包括:

选择巷道开掘的合理位置和时间,确定围岩松动范围,研究巷道围岩变形规律,进行围岩稳定性分类,确定合理的巷道支护型式、支架参数,对巷道、硐室的稳定性进行监测预报；

（7）对采用采掘新工艺、新技术（包括新采煤方法、新支护型式、新工艺组织等）进行资料积累,从矿山压力角度对应用效果提出评定性意见,例如研究和评价厚煤层放顶煤开采的顶煤可放性；

（8）对采掘工作面进行支护质量监测。

其任务包括:

监测日常生产过程中支架工作质量、围岩活动状况、不安全隐患情况等与安全生产有关的技术因素,监测和评价支架的井下实际支撑能力,以达到保证采掘工作面支护质量良好,安全生产可靠的目的,在保证采掘工作面顶板安全的前提下充分发挥支架的有效工作阻力；

（9）解决矿山压力与围岩运动控制方面的难题。

监测分析采场矿山压力分布和围岩运动规律、巷道大变形特性,从矿山压力与围岩控制原理出发,提出采场坚硬顶板和破碎顶板的控制技术、软岩和动压巷道大变形控制技术等；

（10）研究冲击地压等矿井动力现象的综合防治技术。

包括冲击地压的监测、危险区域的确定、煤层注水和松动爆破措施的制定，开采解放层的设计等。

二、现场矿山压力监测步骤

（一）准备工作

监测准备工作一般包括：

收集监测工作面内的地质、生产技术资料；根据监测目的和任务确定监测内容；选定监测方案和测区布置系统；编制矿山压力监测计划；培训监测人员；准备矿压监测仪器和工具及井下监测所必须的数据记录和整理表格等等。

收集监测范围内的地质及生产技术资料,对监测预报过程中数据分析整理有指导作用。

地质资料一般包括:

围岩性质及柱状,分层厚度及力学特性;围岩地质构造:

煤层赋存情况及对开采的影响程度；围岩节理、裂隙发育情况。

生产技术资料一般包括:

工作面或巷道技术参数；开采方式、支护形式及参数；支架型式及性能；邻面开采情况；生产作业方式等等。

具体内容应根据监测目的和分析需要来确定。

矿压监测计划是现场矿压监测研究工作的准则,编制矿压监测计划是现场矿压监测研究的主要工作之一。

矿压监测计划包括以下内容：

监测区域的地质及生产技术条件；矿压监测的目的及任务；测区布置、监测内容及方法；监测效果预计；监测工作制度；监测记录表格及资料整理表格设计。

回采工作面矿压监测主要指标有:

可见,采场矿山压力监测指标广泛,应根据监测目的和任务有选择地进行。

（二）日常监测预报

现场矿压监测工作要确保数据的可靠性、准确性、连续性和及时性,监测工作人员必须做到以下几点。

（l）了解矿压观测工作的目的、意义和任务,掌握基本的矿山压力监测方法,具有较强的责任心,诚实细心地测读每一个测量数据；

（2）正确使用矿压仪器仪表。

仪器仪表安装、测读必须符合要求,保持监测资料的连续性和准确性；

（3）明确所监测数据的用途,测取最有代表性的观测数据,即最能为观测目的和任务服务的数据；

（4）观测数据必须在井下及时记录,对于特殊情况或必须说明的问题,应在备注栏内记录清楚,对典型矿山压力现象应附有现场实际素描草图；

（5）连续观测时,要严格执行井下交接班制度.本班记录交给下一班,以便连续记录。

上班记录及时带到井上交资料整理人员,并说明监测情况；

（6）如果在井下监测中,发现监测仪器不正常或顶板异常,应及时向负责同志汇报,以便及早处理。

正常的矿压监测阶段,要及时初步整理观测资料,以便发现和检查观测中所存在或出现的问题,发现资料缺少时应及时进行补测。

同时,可以及时掌握监测过程中的矿压显现和岩层运动规律,预报矿压显现情况。

必要时,可以发出矿压监测简报,指导生产。

特别是进行老顶来压监测预报时,应及时分析顶板活动状态及支承压力分布情况,来压前夕发出简报,及时为生产服务。

整理资料时要实事求是,不许对原始资料进行随意涂改,以保证井下原始资料的真实性。

日常资料整理一般应及时绘制各种矿山压力监测曲线图。

（三）矿压监测的技术总结

现场矿压监测完成一个阶段后（如完成一个采场的监测工作或一条巷道的监测工作以及某一专项监测工作）,要对监测资料进行系统的整理、分析。

在平时资料整理的基础上,按数理统计方法分析规律,对监测内容按不同地质条件和生产技术条件进行对比,从中找出各矿压参数之间以及矿压参数与地质及生产技术因素之间的关系。

从局部到整体,从现象到本质,阐述所监测采场或巷道的矿压规律。

对所监测采场或巷道从工艺、支护、矿压规律、围岩适应性等方面给予评价和建议,并依此提出围岩控制的合理技术方案。

汇总编写成矿压监测报告。

第二节采场矿压监测的常用仪器

一、围岩变形破坏监测

（一）围岩相对移近量监测仪器

围岩相对移近量监测仪器有测杆（DDS-2.5）、测枪（BHS-10）、顶板下沉速度报警仪（DSB-1）及顶板动态仪等。

下面重点介绍在煤矿现场广泛应用的顶板动态仪，并以KY-82型顶板动态仪为代表进行介绍。

1）用途KY-82型顶板动态仪是一种普及型机械式高灵敏度、大量程位移计，主要用来监测采场顶底板相对移近量、移近速度,是监测巷道和硐室稳定性、研究顶板活动规律、支承压力分布规律以及进行采场来压预测预报的常用仪器。

2）原理及结构仪器结构如图7-1所示。

主要部件是齿条7、指针9、与指针轴啮合的齿轮（图上见不到）、微读数刻线盘8及粗读数指针（齿条下端的游标）13和粗读数刻度套管10。

使用时动态仪安装在顶底板之间,依靠压力弹簧5固定。

粗读数或大数由游标13指示，从刻度套管10上读出,每小格2mm,微读数或小数由指针9指示,从刻线盘8上读出,刻度盘上每小格为0.0lmm,共200小格,对应2mm。

例如,图7-1画面上初读数2+1.30=3.30mm。

经过一定时间t（例如2h）后,由于顶底板相对移近，作用力通过压杆3压缩弹簧5并推动齿条7，齿条再推动齿轮带动指针9顺时针方向转动,于是读数增大,将后次读数减前次读数即得这段时间内的顶底板移近量s,于是得出此段时间的平均移近速度V=s/t,单位为“毫米/时“（mm/h）。

3）主要技术特征

分辨率（mm）0.01

精度粗读数误差<1%，微读数差误<2.5%

量程（mm）200

使用高度（m）1～3

总质量（kg）7

由于KY-82型顶板动态仪需要观测人员在现场测读，工作量较大，研究单位又相继开发了RD1501数显式动态仪，DD-1A型电脑动态仪及DCC-2型顶板动态遥测仪。

这些仪器读数误差得到有效清除，并可自动储存和分析测读数据。

（二）岩体内钻孔位移监测仪器

1．用途为了深入研究支架与围岩的相互作用，正确评价围岩和支架的稳定或局部破坏情况，合理选择维护措施,不仅要了解表面位移和变形规律,而且还必须在较大范围内了解围岩内部的活动情况,测定围岩深部各个位置上的径向位移和应变及其随时间的变化过程,即开展岩体内部位移和应变监测。

为此必须在围岩内打观测钻孔,在孔内布设（固定）若干测点,利用测试仪器和机具在孔外测定不同深度测点的位移情况。

由于必须依靠钻孔才能测量岩体内部位移,所以,岩体内部位移亦称钻孔位移,而测量钻孔位移的仪表及测点构造和测点布置等则统称为钻孔位移计,常用于监测巷道深部围岩移动状况、采场上覆岩层和底板活动规律等。

2．基本原理在进行钻孔位移监测时,一般都以钻孔底的最深测点为基准点,而测定其它各测点（包括孔口表面点）与孔底点的相对位移。

如果钻孔有相当的深度,使孔底基准点处于采动圈以外,则可认为它是不动点。

相对于此不动点所测得位移就是绝对位移。

若钻孔深度不

图7-1KY-82动态仪结构示意图

1--顶盖；2--万向接头；3--压杆；4--密封盖；5--压力弹簧；6--万向接头；7--齿条；

8--微读数刻线盘；9--指针；10--刻度套管；11--有机玻璃罩管；12--底链；13—粗读数游标；14--连接螺母；15--内管；16--卡夹套；17--卡夹；18--外管；19--带孔铁钎

够,所测得的位移是相对位移。

测量时,通常量测各测点对应于钻孔口附近固定点间的径向相对位移。

经过计算,获得各测点的位移。

3．钻孔位移计的结构

在钻孔内安装一个测点的称单点位移计,安设两个或多个测点的称为两点或多点位移计。

钻孔位移计的结构如图7-2所示。

主要由连接杆、测点锚固器、测量头、测量计等组成。

1）连接件

连接件为岩体位移的传递元件，将位移正确地传递到孔口测量头处,以便进行测量。

连接件主要有两种形式：

（l）钢丝连接件（也称导丝）用钢丝作为连接件的

也称为钢丝钻孔位移计。

常用的有铟钢丝和镍铬

合金钢丝,丝径为0.5～1mm；

（2）杆式连接件（也称导杆）用杆作为连接件的也称杆式钻孔位移计。

一般用直径Φ8～12mm的圆钢或小钢管制作。

2）测点锚固器

钻孔位移观测中常用的锚固器有下列几种类型：

（1）木锚固器常用的是压缩木式锚固器；

（2）注浆式锚固器注入水泥砂浆或混凝土以固定测点；

（3）机械式锚固器如弹簧式、楔胀式、支撑式等；

（4）混合式锚固器由

（1）与（3）合理组合而成。

3）测量头

测量头是在孔口监测钻孔内各个测点位移的装置。

测得各点的位移量是钻孔口至各测点的相对位移,是以孔口固定板为基准的,所以测量头必须牢固可靠地固定在孔口处。

位移的测量是在测量头安装相应的测量计来实现的。

测出各测点对于孔口的相对位移后,可换算出各点对于孔底固定点的相对位移或绝对位移。

4）测量计与钻孔位移计结构

可分为机械式位移计和机电测试位移计。

二、支架载荷监测仪器

（一）金属支柱载荷观测仪器

主要有机械式（AD5-45型）测力计、液压式（HC型）测力计等。

现场应用较广泛的是钢弦测力计。

下面对钢弦式测力计作适当介绍。

1．钢弦测力计用途

钢弦测力计主要是GH系列双线圈自激型钢弦压力盒与GSJ-1型频率计（或DK-1、2型遥测仪）配套使用的安全火花型传感器。

其型号、规格及用途见表7-1。

表7-1GH系列钢弦压力盒

名称

型号

规格

主要用途

配套接收仪表名称

压力盒

GH-50

0～490×103

单体支柱

GSJ-1型频率计

DK-1、DK-2遥测仪

压力盒

GH-25

0～245×103

巷道支架

GSJ-1型频率计

DK-1、DK-2遥测仪

压力盒

GH-10

0～98×103

巷道支架、井壁

GSJ-1型频率计

DK-1、DK-2遥测仪

压力盒

DGH-600

0～5880

外注式单体液压支柱

GSJ-1型频率计

DK-1、DK-2遥测仪

压力盒

ZGH-600

0～5880

综采液压支架

GSJ-1型频率计

DK-1、DK-2遥测仪

2．原理及结构

该产品以GH-50型为例，其结构示意图如图7-3所示。

当支柱压力P通过导向球面覆盖1作用于工作膜3时，工作膜受力挠曲，两钢弦柱4张紧钢弦5，使弦的振动频率f升高，P越大则f越高。

将压力盒电缆插头9与GSJ-1型频率计（或DK-l巡测仪）相接时,仪器中的激发放大器输入端与感应磁头7接通,输出端与激发磁头6相接。

接通电源后,弦振动在感应磁头中感应的微小电压,经激发放大器放大后输出给激发磁头,增大弦的振幅,在感应磁头7中感应更强的电压,如此反复作用,直到最后能量平衡而达到稳定。

由频率计显示振弦的频率f,再从P-f标定曲线中查得P值。

3.主要技术特征

测量精度（误差不超过量程%）2

灵敏度（可分辨量程）1/500～1000

工作频率范围（Hz）700～2300

温度系数（0～40℃范围）（Hz/°C）<0.5

4．GSJ-1型频率计

GSJ-1型数字频率计是钢弦式压力盒的数字转换器，借此可以算出压力盒的压力。

图7-3GH-50钢弦压力盒示意图

1-球面盖；2-橡胶垫；3-工作膜；4-钢弦柱；5-钢弦；6-激发磁头；7-感应磁头；

8-后盖；9-电缆插头；10-护罩；11-磁头板

随着压力监测要求的提高，进一步可用DK-1、DK-2型矿压遥测仪进行多点有效巡测，并通过矿井电话电缆送至地面接收机，由地面微机处理测得的支柱压力数据。

（二）液压支架（柱）载荷监测仪器

1．SY-40（40B）微表式单体液压支柱工作阻力检测仪

1）用途

该仪器用于检测单体液压支柱初撑力及工作阻力,是单体液压支护工作面支护质量监测的主要仪器。

具有体积小、便于操作（压杆式）、精度高等特点。

2）原理与结构

该测力仪由阀体、锁紧装置、压力表及增压装置（SY-4OB型）等组成。

阀体是整个测力计主体,它主要保证整体无泄漏；锁紧装置使之与阀筒锁牢；压力表显示读数。

测压时,压下压杆打开三用阀的单向阀,高压液体流入测压仪,压力表即显示压力值,SY-40B是用增压装置注液逐渐增压的方式打开三用阀,不产生漏液卸载现象。

测压后,将压杆复位,支柱单向阀重新关闭,取下测力计,完成测试过程。

3）主要技术特征

测量范围（MPa）0～40

精度（FS）2.5%

显示方式微表示

质量（Kg）1

2．圆图自记仪及其数据处理系统

1）用途

圆图自记仪主要用于测量和记录液压支架及各种设备的液体压力。

圆图自记仪数据计算机处理系统主要将记录仪记录的数据信息通过计算机,绘出直观的受力分析图。

这是综采液压支架支护质量监测的主要仪器。

2）原理与结构

圆图自记仪由测量和记录两部分组成。

主要部件有表门、表壳、弹簧管、自记钟、传动机构和记录机构等。

它的工作原理是：

当被测介质的压力进入测量机构的钢弹簧管以后,由于涨力的作用,钢弹簧管自由端产生一个微小位移,给传动机构拉杆A一个拉力,通过杠杆1、2和拉杆B、杠杆3,将弹性位移量进行放大并传递给记录笔5,使其沿记录纸半径方向摆动,从而指示出压力值,并通过记录笔在记录纸上作出记载。

记录纸是固定在托纸盘上,由钟表机构驱动,每24小时旋转一周。

因此,当记录笔在记录所指示压力值的同时记录纸在圆图方向指示时间值。

同时,任一时刻的压力值亦可在标尺上直接读出。

圆图压力记录仪工作原理如图7-4所示。

图7-4圆图自记仪工作原理图

1,2,3-杠杆；4-弹簧管；5-记录笔；A,B-拉杆

3）主要技术特征

精度等级1.5级；2.5级

测量范围（MPa）0～60；0～100

连续记录时间（h）不小于24

记录纸速度（r/24h）1

外形尺寸（mm）Ф272×118

质量（Kg）约6

圆图自记仪数据计算处理系统主要由数字化仪、IBM-PC系列机及兼容机等组成。

利用计算机图形处理设备，先将综采圆图自记仪记录的压力-时间曲线圆图纸平放在数字化仪上，通过扫描笔将圆图纸上的压力-时间曲线上的特征点，扫描进入计算机处理系统，处理系统对扫描信息进行数学、力学统计分析，最终输出直角坐标系下的支柱受力状态图。

3．ZYDC-1综采支架压力计算机监测系统

1）用途

它是一种适用于煤矿高产高效工作面综采支架压力参数进行远距离监测的分布式在线监测系统。

2）系统结构

系统组成结构见图7-5。

系统分井下、井上两大部分，井下部分包括：

工作面压力分机、通讯分机、本安电源、通讯电缆等，工作面内可连接1-46个压力分机，分机之间有专用电缆串联至通讯分机，通讯分机的输出数据信号通过电话通讯线路发送至井上。

图7-5ZYDC-1综采支架压力计算机监测系统

井上部分包括：

接收机、计算机、打印机等。

接收机内置数据收发单元完成数据存储和与PC计算机的数据通讯，接收机输出信号与PC计算机的RS-232接口连接。

3）技术指标

巡测周期≤5S

通讯方式异步串行通讯，1200bps

系统分机容量1～32台（0～128个测点）

通讯距离<10Km

巡测精度2.5%

传感器量程0～60MPa

第三节单体液压支柱采场矿压监测

实践表明单体液压支柱具有初撑力强、增阻和恒阻性能稳定的优越性，并且支设灵活、搬迁方便、投入少、产出高，尤其适用于煤层赋存条件复杂的工作面。

鉴于我国的煤层地质条件和经济实力，单体液压支柱成为我国采场支护的主要装备之一。

单体支柱工作面顶板管理、矿压和支护质量监测等是顶板控制的重要内容，因此，加强单体支柱工作面矿压监测工作，是顶板控制设计、防止顶板事故、确保安全生产的关键。

单体液压支柱工作面矿压监测的主要内容有：

“三量”监测、须控岩层范围和运动参数的监测分析、支护质量监测、底板比压测定等。

与采煤工作面支护质量有关的参数主要有两类：

一类是位移，即顶底板移近量，支柱活柱下缩量，支柱钻底量等。

另一类是压力，即支柱初撑力和工作阻力。

实践证明，初撑力和工作阻力、顶底板移近量与活柱下缩量的比值能较好的反映采面支柱的支护质量。

若采面支柱支得好，初撑力和工作阻力大、顶底板移近量与活柱下缩量的比值必定在确定的合理范围内，若比值超出合理范围，说明支护质量差。

因此可根据上述指标，对采面支护质量进行监测，为采面实现科学管理安全生产提供科学依据。

一、采场“三量”监测

（一）监测目的

单体面常规矿压监测项目主要有顶底板移近量、支柱活柱下缩量和支架载荷（统称“三量”）。

采场“三量”监测的目的在于掌握采场老顶来压显现特点、步距和强度，了解支架井下实际工作状态,掌握顶板运动规律,确定需控岩层范围和参数,分析采煤空间支架围岩相互作用关系,为研制支护设备、合理安排工序、合理选择采煤参数、进行顶板控制设计提供科学依据。

（二）测区布置

采场"三量"监测的测站布置如图7-6所示。

具体采场可根据情况适当简化。

一般可沿采场内设上、中、下3个测站。

中部测站要设置2～5条测线,观测项目要全,这是因为中部不受两端护巷煤柱的影响,其矿压显现具有代表性,是重点观测区。

上、下测站可设1～2条测线,上、下测站距顺槽煤柱的距离应大于15m,观测项目可酌情而定。

测量顶底板移近量和移近速度，必须在顶底板中安设牢固的基点。

图7-6单体支柱工作面“三量”监测测站布置

（三）数据采集及数据分析

1．数据采集

由于单体支柱工作面顶板暴露面积较大，没有移架和反复支撑等问题，基点容易保护，观测也比较方便，因此，可同时安设和观测较多的点。

在观测顶底板移近量时，要同时监测支柱压缩量、柱帽压缩量、支柱载荷、支柱压入底板量等。

一般可每隔1～2小时测读一次，测量结果一并记入表7-2内。

表7-2单体支柱工作面“三量”观测记录表

工作面____年月日班记录人___

测点编号

时间

（时、分、秒）

测点位置

顶底板移近量读数

（mm）

柱帽压缩量

（mm）

压入底板量（mm）

支柱缩量读数

支柱载荷读数

测力计号

备注

（生产工序等）

距煤壁（m）

距采空区（m）

2．数据分析

首先将表7-2记录的数据，从设点起至测点进入采空区止，按测点读入表7-3中。

用表7-3中所列的数据，按循环整理后，填入表7-4中。

表7-3单体支柱回采工作面矿压“三量”整理表

采场测点号测力计号零读数

观测时间

顶底板

移近量

活柱下缩

支柱载荷

测点位置

备注

（工序等）

月

日

时

分

读数

移近量（mm）

读数

下缩量（mm）

读数

读数差

载荷（t）

至煤壁（m）

至采空区（m）

表7-4单体支柱工作面“三量”按循环整理表

项目

顶底板移近量（mm）

活柱下缩量（mm）

压入底板量（mm）

支柱载荷（t/根）

至煤壁距离（m）

Ⅰ1Ⅱ2Ⅲ

ⅠⅡⅢ

平均值

最大值

最小值

根据上述整理的表格,做如下整理和分析：

（1）统计计算控顶区内累积顶底板移近量SD、循环移近量Sc和单位顶板移近SDO。

SDO——工作面每推进一米，每米采高的顶底板移近量，由下式计算：

式中SD———控顶距内累积顶底板移近量，m；

Lk——控顶距,m；

M——采高，m。

根据计算整理结果,可绘制出控顶区内累积顶底板移近量曲线（如图7-7所示）和距煤壁不同距离处的循环移近量分布曲线（如图7-8所示）,用来分析顶板的挠曲离层情况。

图7-7控顶区内累积顶底板图7-8循环顶底板移近量分布曲线

移近量曲线1-非周期压时期2-周期压时期

由图7-7和图7-8可以看出,控顶区内顶底板移近量与到煤壁的距离并不成线性关系。

无立柱空间存在较大的挠曲现象,这是下位岩层离层的结果。

不同的顶板和支护条件,其挠度也不同。

因此,确定既定条件工作面的顶板挠度和容许的极限挠度,对顶板控制是十分有用的。

由于积累移近量SD受控顶距离和采高的影响很大，为此换算成单位顶板移近量