專利名稱：一種頂板安全礦壓監(jiān)測方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及頂板安全礦壓監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種頂板安全礦壓監(jiān)測方法及裝置，能夠普遍適用于地下開采礦井中巷道或硐室的頂板安全礦壓監(jiān)測。
背景技術(shù)：
我國是能源大國，而煤炭占一次性能源比例超過70%，尤其是煤化油技術(shù)在我國的兩大煤炭基地神東和潞安的成熟應用，煤炭資源的重要性已經(jīng)提升到國家安全的戰(zhàn)略性地位上來。2010年我國的原煤產(chǎn)量超過30億噸，2011年我國原煤生產(chǎn)總量達35.2億噸，同比增加8.7%，約占世界產(chǎn)量的一半，我國煤炭工業(yè)確保了能源供需總體平衡，為“十二五”經(jīng)濟社會發(fā)展良好開局作出了積極貢獻。我國煤炭開采年限己經(jīng)有幾千年的歷史，煤炭是我國的主要能源及重要的工業(yè)原料，而幾乎95%的煤炭資源來自井下開采，因此，建設(shè)一批新的大型、特大型礦井己是國家經(jīng)濟建設(shè)和發(fā)展的必須。而且隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，對煤炭的需求日益增加，淺部煤炭資源在部分地區(qū)已經(jīng)開始枯竭，而新興的能源在很長一段時間內(nèi)不能滿足我國經(jīng)濟發(fā)展所需能源的要求。因此，實現(xiàn)煤炭資源的可持續(xù)發(fā)展，提高產(chǎn)量的出路在于開采那些賦存條件差、埋藏很深的煤炭資源，這就意味著今后的采掘工作將在高地應力、圍巖條件很差的環(huán)境中進行，開采深部煤炭資源即深井開采是我國未來煤炭發(fā)展的唯一方向。在礦體沒有開采之前，巖體處十平衡狀態(tài)。當?shù)V體開采后，形成了地下空間，破壞了巖體的原始應力，引起巖體應力重新分布，并一直延續(xù)到巖體內(nèi)形成新的平衡為止。在應力重新分布過程中，使圍巖產(chǎn)生變形、移動、破壞，從而對工作面、巷道及圍巖產(chǎn)生壓力。通常把由開采過程而引起的巖層運動 對支架圍巖所產(chǎn)生的作用力，叫做礦山壓力簡稱礦壓。而在礦壓作用下所引起的一系列力學現(xiàn)象，如頂板下沉和垮落、底板鼓起、片幫、支架變形和損壞、充填物下沉壓縮、煤巖層和地表移動、露天礦邊坡滑移、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等現(xiàn)象，均稱之為礦山壓力顯現(xiàn)。頂板下沉和垮落等礦山壓力顯現(xiàn)是礦山壓力作用的結(jié)果和外部表現(xiàn)。井下開采隨著開采深度的增加，煤層賦存條件復雜多變，頂板破壞嚴重，頂板事故比重和頻度相對增加。近年來，煤礦開采過程中的重大安全事故頻繁發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)造成巨大損失。以2009年為例，全國頂板事故起數(shù)805起，占事故總數(shù)的49.8%，死亡人數(shù)939人，占死亡總?cè)藬?shù)的35.7%，在各類煤礦事故中，礦壓引起的事故仍居前位。隨著生產(chǎn)能力的提高、開采強度的增大和向深部開采轉(zhuǎn)移，礦壓問題越來越凸現(xiàn)。頂板下沉、垮落引起事故均是礦壓作用的結(jié)果，因此，進行礦壓的有效檢測對人們的生命安全及礦井的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。我國幾乎所有煤礦都面臨開采頂板、底板、圍巖安全性評價問題，而這些問題往往由于局限于相對落后的監(jiān)測手段和信息處理技術(shù)而被忽略，這是礦壓管理不到位的主要原因。礦壓監(jiān)測尤為重要，沒有礦壓監(jiān)測，支護安全就沒有保障；沒有礦壓監(jiān)測支護缺失嚴密性，支護參數(shù)無法及時修正，其合理性無法驗證。
隨著開采技術(shù)的日趨成熟，現(xiàn)如今，巷道頂板礦壓監(jiān)測內(nèi)容主要分為巷道位移監(jiān)測、頂板離層監(jiān)測、錨桿受力監(jiān)測、深部位移監(jiān)測等。頂板礦壓監(jiān)測的數(shù)據(jù)體現(xiàn)著頂板的安全性，一般地，人們往往通過單方面的巷道表面位移監(jiān)測或頂板離層監(jiān)測或錨桿受力監(jiān)測或深部位移監(jiān)測來判別頂板安全性，抑或考慮到錨桿受力監(jiān)測的精密性，為避免其他監(jiān)測對錨桿監(jiān)測造成附近應力集中而影響錨固力監(jiān)測，從而少有多種礦壓監(jiān)測的共同耦合，這往往會導致因正在監(jiān)測部分因素數(shù)據(jù)顯示頂板正常，而忽略未監(jiān)測因素已導致頂板具有失穩(wěn)危險，從而誤認為頂板安全，以致造成不必要的事故傷亡，給人身安全和礦井安全生產(chǎn)造成嚴重威脅。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中的不足，提供一種頂板安全礦壓監(jiān)測方法及裝置，結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、通過頂板錨固力、離層量和下沉數(shù)值的綜合比對分析，以復合多指標精細、準確判斷頂板安全的礦壓耦合監(jiān)測方法。本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種頂板安全礦壓監(jiān)測方法，
(1)對于頂板離層，以多因素分析法的頂板離層臨界值Ud為頂板安全臨界狀態(tài)指標；
(2)對于平均錨固載荷，以實踐經(jīng)驗法的0.3Pd為頂板安全臨界狀態(tài)指標，其中Pd為設(shè)計錨固力；
(3)對于頂板整體下沉，以標準下沉量取值估算法的頂板下沉量臨界值S為頂板安全臨界狀態(tài)指標；
(4)基于錨固載荷、離層和下沉的耦合，以其復合指標判別頂板安全狀態(tài)，對頂板安全進行預警預測；具體安全狀態(tài)判斷如下:
如果頂板離層>Ud，平均錨固載荷>0.3Pd，整體下沉〈S，為不安全狀態(tài)； 如果頂板離層<Ud，平均錨固載荷〈0.3Pd，整體下沉〈S，為不安全狀態(tài)；
如果頂板離層<Ud，平均錨固載荷>0.3Pd，整體下沉>S，為不安全狀態(tài)；
如果頂板離層>Ud，平均錨固載荷〈0.3Pd，整體下沉〈S，為極不安全狀態(tài)；
如果頂板離層>Ud，平均錨固載荷>0.3Pd，整體下沉>S，為極不安全狀態(tài)；
如果頂板離層<Ud，平均錨固載荷〈0.3Pd，整體下沉>S，為極不安全狀態(tài)；
如果頂板離層>Ud，平均錨固載荷〈0.3Pd，整體下沉>S，為最不安全狀態(tài)。一種頂板安全礦壓監(jiān)測裝置，
回采巷道掘進時隨巷道掘進逐步安裝多個礦壓監(jiān)測測站，礦壓監(jiān)測測站在巷道的同一斷面同時進行錨固力、頂板深部圍巖的穩(wěn)定和表面下沉量的監(jiān)測，礦壓監(jiān)測測站間距為5(Tl00m ;巷道頂板中央安裝頂板離層監(jiān)測裝置；巷道一側(cè)肩部和幫部安裝錨固力監(jiān)測裝置；巷道另一側(cè)肩部及幫部均安裝深部位移監(jiān)測裝置，巷道兩側(cè)幫部的監(jiān)測裝置處于同一水平面；在頂板離層監(jiān)測裝置及巷道兩側(cè)幫部錨固力監(jiān)測裝置、深部位移監(jiān)測裝置上安裝有巷道表面位移監(jiān)測裝置，巷道表面位移監(jiān)測裝置所需頂板基本測點在巷道頂板中央的頂板離層監(jiān)測裝置上，幫部基本測點在巷道兩側(cè)幫部保持同一水平面的錨固力監(jiān)測裝置上，所需底板基本測點布置在頂板離層監(jiān)測裝置相對于巷道底板平面的鉛垂投影處；通過幫部測點間拉水平線，運用激光測距儀測量垂直方向的位移；所述的頂板離層監(jiān)測裝置、錨固力監(jiān)測裝置、深部位移監(jiān)測裝置通過光纜或電纜傳輸系統(tǒng)與地面計算機系統(tǒng)連接。
其進一步是:所監(jiān)測的巷道即可以是回采巷道，也可以是開拓巷道、準備巷道和井下硐室；裝設(shè)的礦壓測站既可以在巷道掘進期間進行安設(shè)，也可以在回采期間或加固時期安設(shè)。所述的頂板離層監(jiān)測裝置可以采用機械式離層儀、電阻式離層儀或多點位移計。錨固力監(jiān)測裝置采用分布式光纖錨桿及在線錨固力測力計。所述的錨固力測力計為振弦式測力儀或電阻式測力儀或液壓式測力儀。深部位移監(jiān)測裝置用多點位移計進行監(jiān)測。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明在巷道或硐室的同一斷面同時進行錨固力、頂板深部圍巖的穩(wěn)定和表面下沉量的監(jiān)測，不但方便監(jiān)測，結(jié)構(gòu)簡單，同時巷道表面位移監(jiān)測裝置與頂板離層監(jiān)測裝置、錨固力監(jiān)測裝置、深部位移監(jiān)測裝置相融合，避免了因安裝表面位移測站給錨固力監(jiān)測、離層監(jiān)測、深部位移監(jiān)測造成的附加應力，使監(jiān)測數(shù)據(jù)更加準確；有線在線監(jiān)測較之無線在線監(jiān)測抗干擾能力更強，又有信號獲取元器件上備份數(shù)據(jù)的存在，避免了因在線監(jiān)測故障導致監(jiān)測失效，保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性及有效性；此外，復合監(jiān)測指標綜合了七種條件指標將頂板危險性劃分為三個等級(不安全、極不安全、最不安全)，全面、準確地體現(xiàn)了頂板的安全狀態(tài)，同時避免了因頂板下沉外部表現(xiàn)不明顯而其它單個或兩個因素超標時誤認為頂板處于安全狀態(tài)所帶來的風險，本發(fā)明的監(jiān)測方法更安全、更有效、更科學、更合理，為煤礦、金屬礦山等地下工程的安全生產(chǎn)提供有力保障。


圖1所示為本發(fā)明的礦壓監(jiān)測測站布置平面示意圖。圖2所示為本發(fā)明的礦壓監(jiān)測測站布置剖面示意圖。1、礦壓監(jiān)測測站；2、頂板離層監(jiān)測裝 置；3、錨固力監(jiān)測裝置；4、深部位移監(jiān)測裝置；5、巷道表面位移監(jiān)測裝置。
具體實施例方式如圖1和圖2所示，回采巷道掘進時隨巷道掘進逐步安裝多個礦壓監(jiān)測測站1，礦壓監(jiān)測測站I在巷道的同一斷面同時進行錨固力、頂板深部圍巖的穩(wěn)定和表面下沉量的監(jiān)測，礦壓監(jiān)測測站I間距為5(Tl00m ；
巷道頂板中央安裝頂板離層監(jiān)測裝置2，頂板離層監(jiān)測裝置可以采用機械式離層儀、電阻式離層儀或多點位移計等，可以實時監(jiān)測頂板深部離層情況，當因頂板離層過大導致頂板處于非安全狀態(tài)時，給予警報。巷道一側(cè)肩部和幫部安裝錨固力監(jiān)測裝置3，錨固力監(jiān)測裝置可以采用分布式光纖錨桿及在線錨固力測力計，支護載荷可以采用振弦式、電阻式或液壓式；巷道另一側(cè)肩部及幫部均安裝深部位移監(jiān)測裝置4，保證巷道兩側(cè)幫部的監(jiān)測裝置處于同一水平面，深部位移監(jiān)測裝置可采用多點位移計進行監(jiān)測。光纖錨桿及在線錨固力測力計組成的錨固力監(jiān)測裝置可以準確測量錨桿的粘錨力及托錨力，深部位移監(jiān)測裝置可良好體現(xiàn)圍巖深部因應力場變化而發(fā)生的破壞變形，同時巷道兩側(cè)幫部的錨固力監(jiān)測裝置及深部位移監(jiān)測裝置處于同一水平面，方便于布置巷道表面位移監(jiān)測測站，保證了表面位移監(jiān)測的準確性。巷道表面位移監(jiān)測可采用“十”字斷面法進行，在頂板離層監(jiān)測裝置2及巷道兩側(cè)幫部錨固力監(jiān)測裝置3、深部位移監(jiān)測裝置4上安裝有巷道表面位移監(jiān)測裝置5，巷道表面位移監(jiān)測裝置所需頂板基本測點在巷道頂板中央的頂板離層監(jiān)測裝置上，幫部基本測點在巷道兩側(cè)幫部保持同一水平面的錨固力監(jiān)測裝置上，所需底板基本測點布置在頂板離層監(jiān)測裝置相對于巷道底板平面的鉛垂投影處；通過幫部測點間拉水平線，運用激光測距儀測量垂直方向的位移，監(jiān)測頂板下沉。頂板離層監(jiān)測裝置、錨固力監(jiān)測裝置、深部位移監(jiān)測裝置通過光纜或電纜傳輸系統(tǒng)與地面計算機系統(tǒng)連接，監(jiān)測所得數(shù)據(jù)可通過傳輸系統(tǒng)傳輸至地面進行在線監(jiān)測，亦因同時數(shù)據(jù)備份在信號獲取元器件上，可通過采集儀進行數(shù)據(jù)采集，進行滯后分析監(jiān)測?；阱^固載荷、離層和下沉的耦合，以其復合指標判別頂板安全狀態(tài)。頂板離層大于多因素分析法的頂板離層臨界值Ud時，頂板為不安全狀態(tài)；平均載荷小于實踐經(jīng)驗法的
0.3倍設(shè)計錨固力Pd時，頂板為不安全狀態(tài)，頂板整體下沉大于標準下沉量取值估算法的頂板下沉量臨界值S時，頂板為不安全狀態(tài)。其中多因素分析法的頂板離層臨界值Ud的計算方式為
權(quán)利要求
1.一種頂板安全礦壓監(jiān)測方法，其特征在于: (1)對于頂板離層，以多因素分析法的頂板離層臨界值Ud為頂板安全臨界狀態(tài)指標； (2)對于平均錨固載荷，以實踐經(jīng)驗法的0.3Pd為頂板安全臨界狀態(tài)指標，其中Pd為設(shè)計錨固力； (3)對于頂板整體下沉，以標準下沉量取值估算法的頂板下沉量臨界值S為頂板安全臨界狀態(tài)指標； (4)基于錨固載荷、離層和下沉的耦合，以其復合指標判別頂板安全狀態(tài)，對頂板安全進行預警預測；具體安全狀態(tài)判斷如下: 如果頂板離層>Ud，平均錨固載荷>0.3Pd，整體下沉〈S，為不安全狀態(tài)； 如果頂板離層<Ud，平均錨固載荷〈0.3Pd，整體下沉〈S，為不安全狀態(tài)； 如果頂板離層<Ud，平均錨固載荷>0.3Pd，整體下沉>S，為不安全狀態(tài)； 如果頂板離層>Ud，平均錨固載荷〈0.3Pd，整體下沉〈S，為極不安全狀態(tài)； 如果頂板離層>Ud，平均錨固載荷>0.3Pd，整體下沉>S，為極不安全狀態(tài)； 如果頂板離層<Ud，平均錨固載荷〈0.3Pd，整體下沉>S，為極不安全狀態(tài)； 如果頂板離層>Ud，平均錨固載荷〈0.3Pd，整體下沉>S，為最不安全狀態(tài)。
2.一種頂板安全礦壓監(jiān)測裝置，其特征在于: 回采巷道掘進時隨巷道掘進逐步安裝多個礦壓監(jiān)測測站(1)，礦壓監(jiān)測測站(1)在巷道的同一斷面同時進行錨固力、頂板深部圍巖的穩(wěn)定和表面下沉量的監(jiān)測，礦壓監(jiān)測測站(1)間距為50-l00m ;巷道頂板中央安裝頂板離層監(jiān)測裝置(2);巷道一側(cè)肩部和幫部安裝錨固力監(jiān)測裝置(3);巷道另一側(cè)肩部及幫部均安裝深部位移監(jiān)測裝置(4)，巷道兩側(cè)幫部的監(jiān)測裝置處于同一水平面；在頂板離層監(jiān)測裝置(2)及巷道兩側(cè)幫部錨固力監(jiān)測裝置(3)、深部位移監(jiān)測裝置(4)上安裝有巷道表面位移監(jiān)測裝置(5)，巷道表面位移監(jiān)測裝置所需頂板基本測點在巷道頂板中央的頂板離層監(jiān)測裝置上，幫部基本測點在巷道兩側(cè)幫部保持同一水平面的錨固力監(jiān)測裝置上，所需底板基本測點布置在頂板離層監(jiān)測裝置相對于巷道底板平面的鉛垂投影處；通過幫部測點間拉水平線，運用激光測距儀測量垂直方向的位移；所述的頂板離層監(jiān)測裝置(2)、錨固力監(jiān)測裝置(3)、深部位移監(jiān)測裝置(4)通過光纜或電纜傳輸系統(tǒng)與地面計算機系統(tǒng)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種頂板安全礦壓監(jiān)測裝置，其特征在于:所監(jiān)測的巷道即可以是回采巷道，也可以是開拓巷道、準備巷道和井下硐室；裝設(shè)的礦壓測站既可以在巷道掘進期間進行安設(shè)，也可以在回采期間或加固時期安設(shè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種頂板安全礦壓監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的頂板離層監(jiān)測裝置(2)可以采用機械式離層儀、電阻式離層儀或多點位移計。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種頂板安全礦壓監(jiān)測裝置，其特征在于:錨固力監(jiān)測裝置(3)采用分布式光纖錨桿及在線錨固力測力計。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種頂板安全礦壓監(jiān)測裝置，其特征在于:所述的錨固力測力計為振弦式測力儀或電阻式測力儀或液壓式測力儀。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種頂板安全礦壓監(jiān)測裝置，其特征在于:深部位移監(jiān)測裝置(4 )用多點位移計進行監(jiān)測。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種頂板安全礦壓監(jiān)測方法及裝置，涉及頂板安全礦壓監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。該方法在巷道或硐室的同一斷面同時進行錨固力、頂板深部圍巖的穩(wěn)定和表面下沉量的監(jiān)測，其監(jiān)測裝置包括頂板離層監(jiān)測裝置、錨固力監(jiān)測裝置、深部位移監(jiān)測裝置、巷道表面位移監(jiān)測裝置，各個裝置均通過傳輸系統(tǒng)與地面控制系統(tǒng)相連接，監(jiān)測裝置設(shè)有信號獲取元器件實現(xiàn)了在線監(jiān)測與滯后監(jiān)測并行；通過頂板錨固力、離層量和下沉數(shù)值的綜合比對分析，采用復合多指標比對預警預測頂板安全，為煤礦、金屬礦山等地下工程的安全生產(chǎn)提供有力保障。
文檔編號E21F17/18GK103233777SQ20131018429
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月17日
發(fā)明者吳繼忠, 鄭西貴, 余達桂, 張農(nóng), 楊高干, 闞甲廣, 陳步躍, 張磊, 劉玉棟, 曹栩 申請人:上海大屯能源股份有限公司