采用頂板災害監測預警技術可以提供壓力、位移量等過去肉眼看不到的信息，及時用軟件分析，采取對策，將有效預防采煤工作面冒頂

編者按

2012年9月，國家安全監管總局研究部署了第一批安全科技“四個一批”項目，煤礦頂板安全綜合監測預警技術被列為可推廣的安全生產先進適用技術。該技術可有效預防煤礦頂板冒頂事故，截至目前已成功應用于神華集團、山西潞安集團、山西晉城煤業集團、山西焦煤集團等大型煤炭企業?，F將該項技術詳解如下，供更多企業借鑒。

“過去我們煤礦一個月出24萬噸煤炭，都屬于‘點正’的，很有幾分碰運氣的成分?？勺詮牟捎昧隧敯鍨暮ΡO測預警技術后，情況大為改觀。”內蒙古扎賚諾爾煤業集團生產技術部主任張洪清高興地說，“說實在的，我們心里很感激。”

張洪清說的頂板災害監測預警技術是天地科技股份有限公司一項重點研發和推廣的項目。

“工作面年產從過去的不足250萬噸提高至350萬噸，對現場的安全管理起到了積極作用，取得了良好的經濟效益和社會效益。”該公司開采設計事業部采礦技術研究所所長毛德兵，這樣概括這項技術推廣后的應用效果。

“最主要是及時性。過去使用其他的設備，反應相對滯后，問題發生了才知道；現在可以提前預警，及時處理問題。”四川省煤炭產業集團攀枝花煤業公司副總工程師兼生產處長劉四平表示。

2012年，“礦井頂板災害監測系統研究與應用”項目成果經中國煤炭學會組織鑒定，達到國際領先水平，獲得了中國煤炭工業協會科技進步獎二等獎。

2012年9月，國家安全監管總局研究部署了第一批安全科技“四個一批”項目，即一批安全生產科研攻關課題、一批可轉化的安全科技成果、一批可推廣的安全生產先進適用技術、一批安全生產技術示范工程。其中，煤礦頂板安全綜合監測預警技術被列為一批可推廣的安全生產先進適用技術。

截至目前，頂板災害監測預警系統的應用范圍覆蓋了神華集團、潞安集團、晉城煤業集團、山西焦煤集團、同煤集團、中煤平朔集團、開灤集團、伊泰集團等大型煤炭企業。

不僅要增大支護阻力，更要加強監測和預警

按煤礦事故類別統計，2006年至2012年，煤礦頂板事故總量和死亡人數連續多年位居第一。2013年，頂板事故發生274起、死亡325人，分別占全國較大事故起數和死亡人數的45.4%和30.5%。

傳統觀念認為，頂板事故主要發生在支護不合格的地方中小煤礦。然而，近年來，隨著煤礦開采裝備水平的提高，支架支護阻力顯著增大，國有大型煤礦也會發生壓架和局部冒頂事故。

實踐證明，頂板事故的防治不僅要增大支護阻力，更要加強監測和預警。

“這些隱患都是肉眼看不出來的，要進一步減少死亡人數，就要做好煤礦頂板動態監測及相關頂板災害預警工作。”毛德兵認為，“比如，2012年我們在鄂爾多斯市煤炭局的大力支持下，對該市所屬煤礦開展了頂板隱患排查工作，效果不錯，得到了煤炭局的充分肯定。”

過去，天地科技股份有限公司的研究人員在頂板災害監測預警系統的實際使用中發現，集團或礦區下屬煤礦中，頂板監測系統管理分散，相互獨立，形成信息孤島與信息斷層，導致監測數據丟失嚴重，不僅無法開展系統深入的數據分析和頂板災害預測預報工作，更無法實現預警結果的互聯、互享與互動。

因此，該公司認為有必要建立統一的礦壓數據中心和監控平臺，將各礦的礦壓監測數據通過互聯網集合，實現集團頂板災害監測的集成化、實時化和智能化，“目前，我們已在鄂爾多斯準格爾旗和皖北煤電集團等建立了頂板災害監測預警平臺”。

在攀煤公司，最先使用頂板災害監測預警系統的是花山煤礦。

“該礦傾角達40度，最大采高達5米，如果支架支護強度不夠，現場操作不到位，很容易發生冒頂、支架傾倒等安全事故。”劉四平說，“有了這套系統后方便了監督與管理，能有效預防頂板事故。”

“現在，攀煤公司實現了局域聯網，下屬煤礦的技術管理人員已經養成工作習慣，每天一上班先要看一看監測數據，然后再安排當天的工作。”毛德兵說。

而對于鐵北煤礦來說，過去的煩惱是一直找不到煤礦不達產的真正原因。

據了解，鐵北煤礦設計年產量為300萬噸，但工作面常發生壓架事故，工作面達不了產。

“過去我們總覺得設備需要升級，或者開采條件不允許。在認識上存在誤區。”張洪清說，“比如，我們工作面液壓支架的工作阻力已經很大了，但不能無限制增大，后來和天地科技股份有限公司的技術人員溝通后，發現國內同類型煤礦能達產，于是抱著試試看的心態，結果——成了。”

據介紹，天地科技股份有限公司經過駐礦一段時間的數據監測和分析，發現初撐力低、前后柱受力不均勻和安全閥頻繁開啟是鐵北煤礦壓架事故的主要原因。通過加強設備檢修，提高支架初撐力水平，成功解決了工作面頻繁壓架問題，工作面產量明顯提高。

“現在好了，采用頂板災害監測預警技術可以提供壓力、位移量等過去肉眼看不到的信息，根據這些信息再結合現場觀測到的實際情況，采取相應措施。特別是對于預防采煤工作面冒頂和頂板大面積來壓預警效果比較好。”張洪清表示。

一方面提高采樣頻率，另一方面及時進行軟件分析

“目前，我國生產礦壓監測系統的企業比較多，種類也多，但是大多數企業都是從事監測監控通訊技術，大多數的礦壓監測系統只具備顯示、生成曲線等功能，采樣間隔時間比較長，不具備深入分析礦壓數據和預警功能。”毛德兵說。

國內礦壓監測系統主要存在3個方面的問題：一是巡檢時間較長，不能有效捕捉災害發生前兆及過程；二是無自動分析數據模型和功能；三是沒有實現災害預警。

毛德兵認為，該技術最大的不同之處在于：一是首次開發了秒級及毫秒級智能采樣方式，最短數據采集時間間隔縮小至秒級或毫秒級，能夠監測頂板及圍巖變形破壞發生過程。二是提出了頂板災害預警指標及算法，首次建立頂板災害監測預警平臺。

天地科技股份有限公司的科研人員總結了7個回采工作面頂板災害預警指標：支架初撐力、末阻力、安全閥開啟率、來壓步距、不平衡率、不保壓率、地質構造區域；8個錨桿工作狀態預警指標：最大值、上限報警比例；最小值、下限報警比例；最大增速、增速報警比例；錨桿平均值、平均增速；9個圍巖變形狀態預警指標：深層最大、報警比例；淺層最大、報警比例；離層最大、報警比例；深層平均、淺層平均、離層平均。

“支架初撐力不足，容易導致冒頂事故，因此這個監測數據如果太低，會有提示；安全閥開啟率超過20%，則說明工作面有壓架的危險，要加快推進速度或對頂板進行卸壓。”毛德兵介紹，“一方面提高采樣頻率，另一方面及時進行軟件分析，兩者結合，才能準確找到問題所在，有的放矢地解決問題。”

據介紹，天地科技股份有限公司的頂板災害監測預警系統結構分為三層，主要是管理層，包括地面服務器、主機、調度室預警平臺；傳輸層包括電纜、光纜、無線傳輸以及工業以太環網構成的傳輸網絡；傳感器層包括用于工作面監測的支架壓力記錄儀、傾角測量儀和立柱伸縮量測量儀，用于巷道監測的圍巖移動傳感器、錨桿（索）測力計、壓力計和鉆孔應力計。系統通過傳感器監測可以得到反映頂板動態變化的環境參量和設備參量。

系統的主要作用：一是監測支架工況及圍巖穩定性，發現異常變化，及時預警，采取措施，防止頂板事故發生；二是通過分析初撐力、不保壓率、安全閥開啟率等數據，評價支架質量及其與地質的適應性；三是通過分析監測數據，研究頂板事故發生原因，提出巷道圍巖及工作面頂板控制技術措施。

此外，系統還在以下幾方面進行創新：采用濺射薄膜壓力傳感器，確保監測數據準確性；設計了自動上傳緩存數據功能，確保監測數據的連續性；開發了兼容電纜、光纖以及無線傳輸方式的頂板災害監測預警系統，保證了系統數據的可靠、穩定傳輸。

預警分級和立體化監測是下一步重點

“在實踐中，我們發現在很多煤礦頂板監測只是擺設，沒有起到相應的效果，究其原因，不會分析是其使用不到位的主要原因。為解決這個問題，同時從推動技術進步的角度出發，我們開始研究這項技術。”該公司開采事業部采礦技術研究所副研究員付東波談起研究這項技術的初衷時說。

如今的頂板災害監測預警系統完全可以做到對礦山壓力的常規監測，“一些難采、復雜條件下的煤層更需要加強頂板災害的監測預警。”付東波表示。

但是，任何一項新技術的推廣應用都有一個過程，頂板災害監測預警系統也不例外。

“2005年，攀煤公司的綜采工作面經常冒頂，一年下來只推進100米，工人整天處理冒頂，支架傾倒、咬架，形成惡性循環。”毛德兵說，“后來，我下井實際看了一下，覺得支架管理最重要，如果支架管理不到位，肯定影響生產。結果，他們說，你要能做好你來做。”

為了幫助攀煤公司解決問題，毛德兵從其他礦區招了十幾個人，半個月后，工作面就恢復了正常工作。“后來又留下來給他們做了一些指導，共3個月。從那以后，他們的綜采逐步發展起來了。”毛德兵介紹，“2012年，攀煤公司上了一個放頂煤的工作面，我認為這種情況下，更要加強監測預警。為了打消他們的顧慮，先讓他們免費試用，看看效果如何?，F在，攀煤公司每上一個綜采工作面，就安裝一套頂板災害監測預警系統。”

從目前運行情況來看，攀煤公司通過預警、加強設備管理，確保工作面液壓支架支撐、防滑作用的正常發揮，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采工作面設備防倒防滑問題。

此外，在技術推廣過程中，毛德兵認為，主要是人才和觀念問題。

在實際推廣中，有些煤礦覺得監測預警可有可無，重視程度不夠，因此對年輕的技術人員來說，沒有形成吸引力。剛分來的大學生一般只在監測預警的工作崗位上待一兩年，就很快去做別的工作了，對人才儲備不利。

還有的煤礦認為，上了監測預警系統后，工作壓力更大了，“沒上系統時，如果出現頂板事故，是現場管理的問題；上了系統后，如果出現預警沒有及時處理，反而變成了自己的責任”。

因此，預警分級和立體化監測是天地科技股份有限公司下一步工作重點。

預警分級，即結合集團公司的實際情況，將災害預警情況分等級通報。比較嚴重的災害預警直接反映到集團公司，一般的災害預警反映到礦上就可以了。“今年在中煤平朔集團就有一個類似的項目。目前，處于推廣階段。”毛德兵說。

立體化監測，即實現對煤層覆巖與采掘空間支護體及圍巖的多參量監測。

據介紹，目前的頂板災害監測預警系統可以實現遠程監測，主要監測局部重點區域和工作場所。下一步，把頂板監測和反映覆巖及煤層破壞的微震、地音監測結合起來，這樣就能分析是否會發生大的頂板災害。

“對煤巖層破裂區域進行定位，過去主要應用于沖擊地壓，今后可以把大范圍的監測和局部監測結合起來，形成一個立體化的監測，這樣對頂板災害預警就有了更多的指標。”毛德兵介紹。

談到未來的發展，“可以把煤礦所有的隱蔽致災因素監測結合在一起，如頂板、水、火、瓦斯等形成一個大的預警平臺，實現統一監測。”毛德兵說。