鉆屑法監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上傳系統(tǒng)的應(yīng)用研究

袁騰飛,孔 震,車景礦,史 振,曹麗娜

(1.兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦,山東 菏澤 274700;2.內(nèi)蒙古雙欣礦業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000;3.尤洛卡(山東)礦業(yè)科技有限公司,山東 泰安 271000)

0 引言

沖擊地壓是指煤礦井巷或工作面周圍的煤巖體由于彈性能的瞬時釋放而產(chǎn)生的突然、劇烈破壞的動力現(xiàn)象[1-3],常伴有煤巖體瞬間位移、拋出、巨響及氣浪等。沖擊地壓的監(jiān)測方法有多種[4-5],鉆屑法作為一種簡單、可靠的沖擊地壓監(jiān)測手段[6],在沖擊地壓預(yù)測、卸壓效果檢驗(yàn)等方面具有重要作用,因而備受工程技術(shù)人員重視。鉆屑法是通過在煤體中施工小直徑鉆孔,根據(jù)單位孔深排粉量變化規(guī)律以及動力效應(yīng),了解煤體應(yīng)力集中程度、峰值大小及位置,從而鑒別沖擊危險的一種方法。鉆屑法監(jiān)測沖擊地壓的指標(biāo)主要有3種:鉆屑量指標(biāo)、鉆屑粒度指標(biāo)和動力現(xiàn)象指標(biāo),各臨界指標(biāo)反映的都是煤體應(yīng)力峰值大小及集中程度,在沖擊危險較高的區(qū)域,往往多種指標(biāo)會同時出現(xiàn)。

目前,鉆屑法預(yù)測沖擊地壓仍然采用人工鉆孔、取屑、稱重記錄等程序,監(jiān)測情況往往需要當(dāng)班人員升井后交予防沖部門,然后再由技術(shù)人員對監(jiān)測情況進(jìn)行分析,因而具有較大的滯后性?！笆奈濉币詠?智能化礦井的建設(shè)是各礦井發(fā)展的重要方向[7-10],當(dāng)前鉆屑的數(shù)據(jù)傳輸方式不符合礦井智能化發(fā)展的要求。鉆屑法監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上傳系統(tǒng)改變了監(jiān)測數(shù)據(jù)的滯后性問題,實(shí)現(xiàn)了3種鉆屑指標(biāo)的實(shí)時傳輸、數(shù)據(jù)的自動化分析,可將鉆屑情況及時反映給防沖人員,供技術(shù)人員綜合分析研判,使鉆屑法在對沖擊地壓的監(jiān)測中更加簡便、高效。

1 系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)組成:煤粉量數(shù)字計(jì)量裝置、稱重桶、手持操控器、KJ743應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)平臺以及地面數(shù)據(jù)分析軟件。

系統(tǒng)功能:將取屑過程中的煤粉量、動力現(xiàn)象通過KJ743應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時上傳到地面分析軟件,分析軟件實(shí)時接收煤粉量的數(shù)據(jù),自動出具每個孔的煤粉量曲線及日報(bào)表。

1.1 煤粉量數(shù)字計(jì)量裝置

該裝置采用STM32為控制核心,利用模塊化的設(shè)計(jì)方法,硬件結(jié)構(gòu)主要包括稱重模塊,數(shù)據(jù)采集和處理模塊,最小系統(tǒng)模塊,鍵盤和液晶顯示、無線Mesh通訊模塊及藍(lán)牙通訊模塊,裝置示意如圖1所示,主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 裝置主要技術(shù)指標(biāo)

圖1 煤粉量數(shù)字計(jì)量裝置示意

1.2 煤粉計(jì)量實(shí)時上傳功能

為了將煤粉量測量數(shù)據(jù)實(shí)時傳遞給井上工作人員、同時滿足設(shè)備簡單可靠的要求,系統(tǒng)采用無線路由Mesh自組網(wǎng)通訊方式,將鉆屑法監(jiān)測數(shù)據(jù)融入礦井在用監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸,如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)上傳示意

除了借用礦井在用監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳之外,系統(tǒng)根據(jù)礦井可能遇到的不同環(huán)境,提供另外2種監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳方式。①通過手持操控器的藍(lán)牙方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,當(dāng)井下有4G、5G或WiFi信號時,可直接將信號傳送到地面分析軟件;②將采集完數(shù)據(jù)的手持操控器拿到地面,通過藍(lán)牙方式把數(shù)據(jù)導(dǎo)入地面分析軟件。

1.3 手持遙控器研發(fā)

基于安卓系統(tǒng)開發(fā),支持5G、4G、WiFi及藍(lán)牙無線通信功能、具備前置雙攝、后置三攝功能?？赏ㄟ^藍(lán)牙方式對煤粉量數(shù)字計(jì)量裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,遙控器內(nèi)嵌數(shù)據(jù)采集分析顯示軟件,可就地查看煤粉數(shù)據(jù),也可通過井下5G、4G、WiFi信號將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到地面分析軟件。

1.4 井上軟件自動分析、預(yù)警功能

監(jiān)測服務(wù)器接收井下鉆屑監(jiān)測數(shù)據(jù)后,系統(tǒng)軟件可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢、曲線分析、出具監(jiān)測報(bào)表、煤粉量超限時自動預(yù)警等功能。同時,監(jiān)測數(shù)據(jù)可接入沖擊地壓綜合預(yù)警平臺,平臺基于系統(tǒng)中的鉆屑法預(yù)警參數(shù),計(jì)算沖擊危險性系數(shù),給出安全評價等級,以此指導(dǎo)安全生產(chǎn)。

2 系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 巷道基本情況

趙樓煤礦7306運(yùn)輸順槽位于七采區(qū)西翼,頂板由灰白色細(xì)砂巖,石英、長石、暗色礦物及云母組成,顆粒次圓狀,下部顆粒有所增大。硬度系數(shù)f=7～8?；疑凵皫r,平坦?fàn)睢⒇悮顢嗫?發(fā)育裂隙,充填方解石及黃鐵礦薄膜,下部巖芯破碎,硬度系數(shù)f=6～7。直接頂?shù)暮穸?.15～3.79 m,平均厚度3.47 m;底板灰色粉砂巖,平坦?fàn)?、貝殼狀斷?發(fā)育裂隙,充填方解石及黃鐵礦薄膜,下部巖芯破碎,硬度系數(shù)f=6～7。砂質(zhì)泥巖灰綠色,局部夾薄層砂巖,質(zhì)軟,硬度系數(shù)f=3～5;3號煤層厚度6.4～9.0 m,平均7.0 m。褐黑色條痕,瀝青光澤、玻璃光澤,層狀構(gòu)造,條帶結(jié)構(gòu),主要由亮煤組成,次為暗煤,為半亮型煤,階梯狀斷口,內(nèi)外生裂隙發(fā)育,充填方解石,含少量黃鐵礦晶粒。局部含不穩(wěn)定碳質(zhì)泥巖夾矸,質(zhì)較硬。煤層普氏系數(shù)f=0.8～2.3,平均1.6。主要用于7306工作面通風(fēng)、設(shè)備安裝、物料運(yùn)輸、行人等,7306運(yùn)輸順槽巷道設(shè)計(jì)施工長度1 755.9 m,巷道整體沿3號煤底板掘進(jìn),預(yù)計(jì)巷道底板標(biāo)高-987.05～-885.65 m,埋藏深,且掘進(jìn)過程中預(yù)計(jì)揭露Fd83、Fd61、Fd58斷層及煤層分岔區(qū)。

根據(jù)《趙樓煤礦7306掘進(jìn)工作面沖擊危險性評價》《趙樓煤礦7306掘進(jìn)工作面防沖設(shè)計(jì)》,7306運(yùn)輸順槽及聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)工作面的沖擊地壓危險狀態(tài)等級評定綜合指數(shù)Wt=0.57(等級:中等沖擊危險)。綜合評定將7306運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間沖擊危險區(qū)域劃分為2類:中等沖擊危險區(qū)域和強(qiáng)沖擊危險區(qū)域,鉆屑法監(jiān)測根據(jù)不同等級的沖擊危險區(qū)制定了不同的鉆屑措施。

2.2 系統(tǒng)的應(yīng)用

7306運(yùn)輸順槽掘進(jìn)期間主要采用鉆屑法、應(yīng)力在線、微震聯(lián)合監(jiān)測,并輔以動壓顯現(xiàn)進(jìn)行觀測,鉆屑法監(jiān)測在7306運(yùn)輸順槽沖擊地壓局部監(jiān)測預(yù)警、預(yù)警驗(yàn)證、卸壓效果檢驗(yàn)中具有重要作用。鉆屑法監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上傳系統(tǒng)使用前,鉆屑工人采用人工鉆孔的方式獲取每米鉆屑量,將煤粉引入收集桶中進(jìn)行稱重,礦井采用專用表格記錄打眼地點(diǎn)、時間、鉆屑排出量,以及打眼過程中出現(xiàn)的鉆桿跳動、卡鉆、吸鉆、劈裂聲和微沖擊等動力現(xiàn)象,本班鉆屑任務(wù)結(jié)束后,當(dāng)班人員升井后將鉆屑監(jiān)測情況交予防沖部門,再由技術(shù)人員對監(jiān)測情況進(jìn)行分析。鉆屑法監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上傳系統(tǒng)研發(fā)后,改變了傳統(tǒng)的操作方法,該系統(tǒng)首先在7306運(yùn)輸順槽使用,如圖3所示。鉆屑工作仍采用人工打孔,煤粉的測量以及動力效應(yīng)等信息的記錄采用該系統(tǒng),每打完1 m鉆孔,將收集的煤粉量放入煤粉量數(shù)字計(jì)量裝置上進(jìn)行稱量,同時還可添加鉆孔過程中的動力效應(yīng),點(diǎn)擊“確定”鍵,就可將本次煤粉量數(shù)據(jù)及動力現(xiàn)象通過系統(tǒng)發(fā)送至分站及地面服務(wù)器,地面分析軟件可實(shí)現(xiàn)鉆屑數(shù)據(jù)查詢、沖擊危險情況自動分析、鉆屑報(bào)表自動生成等功能,如圖4所示。也可通過手持操控器的藍(lán)牙方式進(jìn)行稱重裝置的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集,操控器內(nèi)嵌數(shù)據(jù)采集分析軟件,可就地查看煤粉數(shù)據(jù),當(dāng)井下有4G、5G或WiFi信號時,可直接將信號傳送到地面分析軟件,也可到地面通過藍(lán)牙方式把數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)分析軟件中。

圖3 系統(tǒng)的使用

圖4 鉆屑報(bào)表查詢

該系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的煤粉稱重、數(shù)據(jù)記錄及上傳方式,改變當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏笮?且該系統(tǒng)具有操作簡單、傳輸可靠、自動分析等優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了鉆屑數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸、數(shù)據(jù)的自動化分析,可將鉆屑情況及時反映給相關(guān)人員,使鉆屑法在對沖擊地壓的監(jiān)測中更加簡便、高效。

3 結(jié)論

(1)鉆屑法監(jiān)測數(shù)據(jù)自動上傳系統(tǒng)主要由煤粉量數(shù)字計(jì)量裝置、手持遙控器、分析軟件等組成,其中煤粉量數(shù)字計(jì)量裝置精度高、實(shí)時性強(qiáng)、當(dāng)超限時自動報(bào)警;井上分析軟件實(shí)現(xiàn)鉆屑情況自動分析、自動預(yù)警、自動生成報(bào)表。

(2)系統(tǒng)提供3種鉆屑監(jiān)測結(jié)果的上傳方式:采用無線路由自組網(wǎng)通信方式,借用應(yīng)力在線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),將煤粉量數(shù)據(jù)實(shí)時傳送到地面,不需要單獨(dú)鋪設(shè)專網(wǎng);通過手持操控器的藍(lán)牙方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,當(dāng)井下有4G、5G或WiFi信號時,可直接將數(shù)據(jù)傳送到地面分析軟件;將采集完數(shù)據(jù)的手持操控器拿到地面,通過藍(lán)牙方式把數(shù)據(jù)導(dǎo)入地面分析軟件。

(3)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、智能化程度高,可將鉆屑過程中鉆孔每米煤粉量、動力效應(yīng)等信息實(shí)時傳送至地面,及時對鉆孔信息情況進(jìn)行分析,完全滿足鉆屑法監(jiān)測的相關(guān)要求,使鉆屑法在對沖擊地壓的監(jiān)測中更加簡便、高效。