《煤礦多功能綜合監測技術

開發及應用研究》項目鑒定匯報

同煤集團技術中心山西德先科技有限公司

山東科技大學2014年3月1煤礦多功能綜合監測技術及應用研究目標與意義1.1我國煤礦安全現狀（1）中國煤礦的安全形勢日趨好轉（2）煤礦安全事故總體死亡人數在下降，但一次特大型事故死亡人數有所上升。（3）涉及到煤礦采掘工作面安全事故（如瓦斯、頂板、水、火等）的預防與控制沒有取得突破性進展1.2煤礦現有安全監測技術及存在問題 1）氣體檢測技術 2）水位檢測技術 3）溫度檢測技術 4）傳感技術現狀 5）采動應力監測技術研究現狀 6）巷道松動圈測試方法1.3本課題研究的必要性及意義

礦用光纖檢測技術對于煤礦安全檢測技術的本質安全性，多功能等方面將產生重要突破，也將成為瓦斯突出、頂板變形、水災等煤礦安全隱患遠的程在線檢測的重要技術手段。光纖傳感器綜合布置于井下，利用光纖傳感器無需供電、抗腐蝕、抗干擾等特點，當井下發生災害致使供電系統癱瘓時，可以通過傳輸光纜直接將井下應急信息傳輸到井上綜合分析系統中。煤礦安全光纖檢測及應急信息系統的推廣應用，將對提高我國煤礦安全技術水平，減少人員傷亡和大型事故的發生，建設和諧社會和提高工礦企業工作環境及安全系數，具有重要的社會意義。1.4課題研究目標及技術路線 1.4.1研究目標

項目基于光纖溫度、氣體、水位、壓力傳感器及煤體應力傳感器，研究了一個高穩定性、高精度的采空區火災、水位預測預警、礦壓等應急通信及信息系統。建立了煤礦現場多參數綜合監測監控數據庫、以便建立煤礦多參數災害預測預警系統，為預防煤礦災害提供基礎。

頂板壓力狀態監測系統、溫度監測系統、頂板沉降離層安全監測系統、水文監測系統、煤體應力監測系統、煤體松動聲波測試 1.4.2技術路線

在光纖煤礦安全生產綜合監測技術方面，本項目立足光纖煤礦安全生產綜合監測的重大需求，針對礦山重大災害多學科交叉的特點，以采空區氣體、頂板壓力狀態、水位、頂板離層、溫度為重點研究對象，探討煤礦重大災害威脅安全開采的重大科學問題，揭示煤礦開采重大災害的成災機理。在此基礎上，研究基于光纖傳感技術的重大災害過程信息監測新技術和新方法，并建立遠程實時安全在線預測和決策支持體系。本項目將運用工程力學、地質學、采礦學、數學、微電子學、計算機科學、光電子學等多學科理論，采用現場調研、室內測試、數值與物理模擬實驗等多種試驗方法，對煤礦開采重大災害的監測監控、光纖傳感監測技術與方法、信息集中采集和傳輸技術等進行深入研究，力爭對煤礦開采重大災害過程信息進行遠程實時安全在線監控、預警，取得重大突破。

課題組首先與廠家合作，研制精度高、有一定初撐力、連續、遠距離、自動記錄與分析等能力的煤體應力監測系統，并進行試驗驗證，然后在塔山礦8105工作面停采線與1070回風大巷之間的中間巷兩側煤體內布置煤體應力監測系統，和聲波測試系統，進行相應的測試工作，最后對實測結果進行分析，進一步驗證本項目的煤體應力監測系統，并給出合理的停采煤柱寬度建議。2煤礦多功能綜合監測關鍵技術及系統2.1煤礦安全綜合監測關鍵技術

本項目主要是基于光纖傳感技術研發光纖水位、光纖氣體、光纖點式溫度、光纖壓力及離層綜合監測預警系統，以及采動煤體應力監測系統及煤體松動聲波測試技術，從而根據需要形成適用于煤礦現場的礦用安全綜合監測系統。

2.1.1光纖光柵技術圖2.1光纖光柵基本結構圖2.2光纖光柵傳輸譜圖

2.1.2礦用光纖頂板壓力監測預警技術表2.1系統組成圖2.3礦用光纖光柵壓力傳感器

2.1.3光纖氣體監測預警技術圖2.4基于激光的光纖氣體檢測原理圖圖2.5高靈敏度氣體諧波法檢測原理框圖表2.3系統組成采空區氣體濃度監測技術指標： 1.CH4：測量范圍：0-10%；分辨率：0.1%；精度：±0.5%；響應時間：≤60s；校準周期：6個月。 2.一氧化碳（CO）：測量范圍：0~10000ppm；分辨率：100ppm；精度：±2%FS；響應時間：≤60s；校準周期：6個月。

2.1.4光纖溫度監測預警技術表2.4系統組成圖2.6YGSJ660(A)礦用光纖光柵解調儀圖2.7礦用光纖溫度傳感器

2.1.5光纖水位監測預警技術圖2.8光纖水位傳感器的機械結構圖2.9膜片在給定載荷下模中心位移0.14mm的仿真圖圖2.11光纖水位傳感器照片圖2.12光纖光柵水位監測系統構成圖

2.1.6采動煤體應力在線監測技術 2.1.7煤體松動聲波測試技術圖2.13測試原理圖2.2煤礦安全綜合監測預警系統 2.2.1煤礦光纖監測系統組成及特點圖2.13測試原理圖圖2.16微震實時監測曲線圖2.17皮帶機實時監測曲線圖2.18光纖瓦斯監測曲線圖2.19光纖多點溫度監測報表 2.2.2采動煤體應力監測系統組成及特點圖2.20液壓式鉆孔應力計觀測系統組成 2.2.3煤體松動聲波測試系統組成及特點圖2.21聲波單孔測試法

圖2.22聲波雙孔測試法38105采空區綜合監測系統試驗研究3.18105工作面工程概況 3.1.1礦井概況

同煤集團塔山煤礦設計生產能力為15Mt/a，是同煤集團開采石炭系煤層的第一對礦井。主采煤層為石炭二疊煤層3#～5#煤層，是3#、5#合并煤層，厚度11.1～31.7m，平均19.4m。由于煌斑巖的侵入破壞，煤層受熱變質或硅化，使煤層結構與煤質趨于復雜化，煤層由下向上依次為4m厚垂直節理發育煤層、6m厚傾斜節理發育煤層、5m厚層理發育煤層、2m厚破裂煤層和不到1m的破碎煤，上部為1～4m的硅化變質煤層。煤層節理間距在15～25cm，主節理間距1.0～1.2m，節理傾角55°。屬于典型的特厚復雜破碎煤層條件。塔山礦3#～5#煤層采用綜放一次采全高采煤法，由于一次采出煤層厚度大，頂板冒落高度及裂隙帶高度顯著增大，支承壓力影響范圍增大。

3.1.28105工作面概況圖3.18105工作面位置示意圖圖3.23#～5#煤層頂底板柱狀圖3.28105工作面采空區光纖監測系統的測點布置及施工圖3.38105工作面采空區安全監測系統施工簡圖圖3.5礦壓傳感器安裝圖圖3.6礦壓傳感器安裝圖圖3.7頂板離層傳感器安裝示意圖圖3.8頂板離層傳感器現場安裝圖圖3.9水位傳感器施工簡圖3.38105工作面中間巷內煤體應力計的布置及安裝3.3.1采煤煤體應力測試儀器（a）KJ216-F2本安型監測分站

（b）液壓式鉆孔應力傳感器圖3.10液壓式鉆孔應力計觀測系統組成3.3.28105工作面之間巷內煤體應力測試儀器布置圖3.11應力測點布置圖表3.1側幫應力計鉆孔位置

3.3.38105工作面之間巷內煤體應力安裝方式

煤巖鉆孔應力傳感器采用直徑55mm水平鉆探安裝。①首先通過鉆機將鉆孔打出，用風或水壓清洗鉆孔，將應力傳感器的受力面朝上用推桿將傳感器緩慢推入。②將壓力傳感器與油管末端的快速插頭連接好，并插好U形銷。旋轉截止桿，打開截止閥，將手動泵（或其他泵源）的出油管連接至注油口，手動泵升壓至3.0MPa，旋轉截止桿，關閉截止閥，然后卸除手動泵壓力，移除手動泵連接到注油口上的油管。③固定好壓力傳感器、變送器。將壓力傳感器的輸出信號電纜，按信號順序接入到三通接線盒。3.48105工作面中間巷聲波測試儀器及安裝

3.4.1巷道圍巖松動圈聲波測試儀

圖3.12ZW/BA-Ⅱ礦用超聲波圍巖松動圈測試儀圖3.13封孔器結構示意圖3.4.28105工作面之間巷圍巖松動圈聲波測試系統布置圖3.45鉆孔布置圖圖3.15聲波探測鉆孔示意圖表3.2聲波測試鉆孔具體位置48105采空區綜合監測及測試結果分析

4.1溫度監測結果距風門5m數據曲線距風門10m數據曲線距風門15m數據曲線距風門20m數據曲線距風門25m數據曲線距風門30m數據曲線距風門35m數據曲線距風門60m數據曲線距風門65m數據曲線距風門70m數據曲線距風門75m數據曲線距風門80m數據曲線距風門85m數據曲線距風門90m數據曲線4.2頂板離層監測結果由圖4.15-4.18可見，頂板離層較小。其中，1#測點頂板離層0.2mm，2#測點頂板離層6mm，3#測點頂板離層0.mm，4#測點頂板離層.5mm。4.3水位監測結果圖4.19密閉墻4左側30m水位數據曲線由圖4.19可見，密閉墻4左側30m處，水位變化較小，只有0-0.8cm。4.4瓦斯監測結果圖4.20切眼密閉墻內瓦斯曲線圖4.21密閉墻3右側20m瓦斯曲線由圖4.20-圖4.21可見，切眼密閉墻內瓦斯濃度為9-14%，并有逐漸增加趨勢。密閉墻3右側20m，瓦斯濃度為4-9%，并有逐漸增加趨勢。4.5礦壓監測結果由圖4.22-圖4.27可見，1#測點頂板壓力增加值，波動范圍為0-10MPa；2#測點頂板壓力增加值，波動范圍為0-1MPa；3#測點頂板壓力增加值，波動范圍為0-16MPa；密閉墻3右側8m的4#測點頂板壓力逐漸增加，由0增加到4.0MPa；密閉墻2左側3m的5#測點-頂板壓力逐漸增加，由0增加到4.0MPa；6#測點頂板壓力波動范圍0-0.5MPa。4.6采煤煤體應力測試結果（a）1#應力計應力曲線圖（b）2#應力計應力曲線圖（c）3#應力計應力曲線圖4.6采煤煤體應力測試結果（d）4#應力計應力曲線圖（e）5#應力計應力曲線圖（f）6#應力計應力曲線圖（g）7#應力計應力曲線圖（h）8#應力計應力曲線圖（i）9#應力計應力曲線圖（j）10#應力計應力曲線圖（k）11#應力計應力曲線圖（l）12#應力計應力曲線圖（m）13#應力計應力曲線圖（n）14#應力計應力曲線圖（o）15#應力計應力曲線圖（p）16#應力計應力曲線圖（u）21#應力計應力曲線圖圖4.29應力終值變化曲線圖應力觀測結果，可以得出以下結論：1）8105面停采線煤柱（一側180m、另一側206m）寬度情況下，中間巷的穩定性較好，受工作面動壓影響的程度較小；對1070大巷的影響很小。2）在工作面停止回采的情況下，8105面停采線前方中間巷側幫煤體中的應力測試，反映的是鉆孔位置固定支承壓力引起的鉆孔變形量的大小。從鉆孔應力末值看，8105面的固定支承壓力影響范圍為108m左右（按鉆孔應力出現松弛現象分析）。（a）1#鉆孔聲波測試曲線（b）2#鉆孔聲波測試曲線（c）3#鉆孔聲波測試曲線（d）4#鉆孔聲波測試曲線4.7聲波測試結果（e）5#鉆孔聲波測試曲線（f）6#鉆孔聲波測試曲線（g）7#鉆孔聲波測試曲線（h）8#鉆孔聲波測試曲線（i）9#鉆孔聲波測試曲線（j）10#鉆孔聲波測試曲線（k）11#鉆孔聲波測試曲線（l）12#鉆孔聲波測試曲線（m）13#鉆孔聲波測試曲線（n）14#鉆孔聲波測試曲線（o）15#鉆孔聲波測試曲線（p）16#鉆孔聲波測試曲線（q）17#鉆孔聲波測試曲線（r）18#鉆孔聲波測試曲線（s）19#鉆孔聲波測試曲線（t）20#鉆孔聲波測試曲線（q）17#鉆孔聲波測試曲線表4.3各鉆孔松動范圍表4.3各鉆孔松動范圍由表4.3及圖4.31可見，隨著遠離停采線位置，中間巷煤幫松動范圍逐漸減小，至160m以外減小到最小，但松動范圍大于2.0m的影響范圍為103m（8#孔位置）。表4.3各鉆孔松動范圍表4.3各鉆孔松動范圍由表4.4及圖4.32可以看出，裂隙發育區與不發育區聲波的傳播速度相差不大，二者比值為0.72-0.93。說明中間巷內，側幫煤體裂隙雖有發育，但是發育程度較低，松動程度較低。觀測表明，在工作面停止回采的情況下，8105面停采線前方中間巷側幫煤體中的松散圈測試，反映的是巷道從掘進到經受采動影響的總體變形與破壞。因此，從合理停采煤柱寬度設計角度，其結果更有參考價值。聲波測試結果表明，中間巷側幫松動圈內的波速降低幅度較小，與未破壞區比值為0.72-0.93。說明中間巷內，側幫煤體裂隙雖有發育，但是發育程度較低。從松動圈大小變化曲線看，松動范圍大于2.0m的超前范圍為103m左右。4.8現場觀測結論綜合上述幾種觀測方法的結果，可以得出以下結論：1)8105綜放工作面采空區及中間巷的溫度變化較穩定，一般變化范圍為25-25度，最大值達58度，沒有出現煤炭自然發火事故。2)8105綜放工作面中間巷頂板離層較小，最大頂板離層量為6mm，頂板穩定性較好，并已經穩定。3）8105綜放工作面中間巷密閉墻4左側30m處，水位變化較小，只有0-0.8cm，沒有發生突水的可能。4）8105綜放工作面中間巷密閉墻內瓦斯濃度最大為9-14%，已達到瓦斯爆炸的濃度，因此應嚴禁采空區火源的產生，防止瓦斯事故。5）8105綜放工作面中間巷頂板壓力增加值，最大波動范圍為0-16MPa，均未超出錨桿強度極限。6）8105綜放工作面中間巷煤柱應力，在應力計初讀數為3.0Mpa時，最大應力讀數為3.9MPa，最小為2.5MPa，說明工作面前方煤體應力在工作面停采之后變化較小，超前支承壓力分布已基本穩定；可以將108m作為固定支承壓力的最大影響范圍。7）105綜放工作面中間巷煤柱聲波測試，煤幫松動圈內的波速降低幅度較小，與未破壞區比值為0.72-0.93。說明側幫煤體裂隙雖有發育，但是發育程度較低。從松動圈大小變化曲線看，松動范圍大于2.0m的超前范圍為103m左右4）8105綜放工作面中間巷密閉墻內瓦斯濃度最大為9-14%，已達到瓦斯爆炸的濃度，因此應嚴禁采空區火源的產生，防止瓦斯事故。5）8105綜放工作面中間巷頂板壓力增加值，最大波動范圍為0-16MPa，均未超出錨桿強度極限。6）8105綜放工作面中間巷煤柱應力，在應力計初讀數為3.0Mpa時，最大應力讀數為3.9MPa，最小為2.5MPa，說明工作面前方煤體應力在工作面停采之后變化較小，超前支承壓力分布已基本穩定；可以將108m作為固定支承壓力的最大影響范圍。7）105綜放工作面中間巷煤柱聲波測試，煤幫松動圈內的波速降低幅度較小，與未破壞區比值為0.72-0.93。說明側幫煤體裂隙雖有發育，但是發育程度較低。從松動圈大小變化曲線看，松動范圍大于2.0m的超前范圍為103m左右7）105綜放工作面中間巷煤柱聲波測試，煤幫松動圈內的波速降低幅度較小，與未破壞區比值為0.72-0.93。說明側幫煤體裂隙雖有發育，但是發育程度較低。從松動圈大小變化曲線看，松動范圍大于2.0m的超前范圍為103m左右5主要結論根據課題計劃任務書規定，課題組完成了“煤礦多功能綜合監測技術開發及應用研究”，開發了光纖礦壓、瓦斯、多氣體、溫度、水位及煤體應力在線監測、聲波測試等綜合監測預警系統，并采用此系統應用于塔山礦8105綜放工作面采空區及中間巷內瓦斯、多氣體、溫度、水位及煤體應力監測及聲波測試，給出了采空區安全評價及合理煤柱寬度建議。主要結論如下：1)在光纖氣體監測技術方面，采用波長掃描、內部參考氣室設計、頻譜基線修正以及對溫度和傳輸損耗的自適應算法，成功地減小了粉塵、潮濕、溫度的影響，提高了對煤礦井下惡劣環境的適應能力。通過更換不同光源可以實現不同氣體的檢測，集成多種氣體分析系統。系統測試靈敏度達到ppm量級，滿足束管系統檢測要求。用一臺儀器就可滿足多種氣體的在線分析，結構簡單，使用方便。研制的礦用激光甲烷傳感器不但滿足傳統礦用甲烷傳感器的技術要求，還具有自診斷功能，其響應時間、標校周期、測量精度較高。2）在采空區溫度的實時在線監測方面，本課題研制的光纖溫度傳感器相比傳統電子溫度傳感器有無源不帶電的優勢，同時光纖溫度傳感器還具有多點復用，耐腐蝕，穩定性好，遠程監測的特點。通過對密閉采空區內溫度的監測，可以及時發現采空區內部熱點，預防采空區火災的發生。3）在采空區內部積水的變化情況實時測量方面，本課題研制的光纖水位傳感器，在研究采空區積水變化規律，掌握積水量，及時對采空區積水進行處理，防止長期積水，預防水害的發生方面，具有較大適用性。4）項目研制的井下光纖光柵檢測分站具有同時檢測溫度、壓力、位移等低頻量和機械振動高頻傳感器的功能，單個分站可以實現對工作面頂板、采空區溫度等多達300余點且不同參數的檢測。5）本課題研制的礦用光纖頂板沉降離層傳感器、頂板變形壓力在線監測技術，解決了采空區頂板變形及頂板壓力在線監測問題，對局部冒頂與沖擊地壓等進行數據采集和預測預警。6）本課題基于多種光纖傳感器的煤礦安全生產綜合監測系統，實現了對采空區溫度分布、甲烷與一氧化碳氣體、頂板離層、礦壓、水位的在線監測和災害預警；利用光纖傳感器不帶電的獨特優勢，建立了采空區綜合在線監測預警系統，對于煤礦應急救援具有重要價值。7）本課題開發了精度高、有一定初撐力、連續、遠距離、自動記錄與分析等能力的煤體應力監測系統，為煤體應力監測提供了較可靠的技術儲備。8)塔山礦8105綜放工作面采空區及中間巷的監測結果明，采空區及中間巷的溫度變化范圍為25-25度，最大值達58度，沒有出現煤炭自然發火事故；最大頂板離層量為6mm，頂板穩定性較好，并已經穩定；中間巷水位只有0-0.8cm，沒有發生突水的可能；密閉內瓦斯濃度最大為9-14%，已達到瓦斯爆炸的濃度，因此應嚴禁采空區火源的產生，防止瓦斯事故；中間巷頂板壓力波動范圍為0-16MPa，未超出錨桿強度極限；中間巷煤柱應力，在應力計初讀數為3.0Mpa時，最大應力讀數為3.9MPa，最小為2.5MPa，說明煤體應力在工作面停采之后變化較小，超前支承壓力分布已基本穩定，可以將108m作為固定支承壓力的最大影響范圍；煤幫松動圈內的波速與未破壞區比值為0.72-0.93，說明側幫煤體裂隙發育程度較低，松動范圍大于2.0m的超前范圍為103m左右。9）對礦用光纖綜合監測預警系統及煤體應力測試的現場試驗表明，本系統的e各項性能都達到了煤礦應用要求，性能可靠、工作穩定、可以在類似條件下推廣使用。6項目創新點1）運用本質安全型的采空區光纖溫度、礦壓、水位、瓦斯、一氧化碳傳感器監測技術，建立了基于光纖的實時在線遠程監控綜合系統，實現采空區溫度、頂板壓力、水位、瓦斯、一氧化碳等實時綜合在線監測，解決了采空區禁電情況下安全監測的技術難題。2)研制了精度高、有一定初撐力、連續、遠距離、自動記錄與分析等能力的煤體應力監測系統，為采動煤體應力監測、沖擊地壓預測預報、煤柱長期穩定性研究等提供了可靠實用的技術手段。效益分析報告1.經濟效益分析本項目基于光纖溫度、氣體、水位、礦壓傳感器及煤體應力測試技術，形成一套煤礦安全生產綜合監測系統，為建立煤礦現場多參數綜合監測監控數據庫和煤礦多參數災害系統奠定了新的基礎。1.1光纖檢測系統運行時僅主機需要供電，低功耗。利用光纖進行溫度感測，可實現連續數千個測溫點的檢測不需要供電，很大程度上減少了傳統傳感器的數量，大大降低了傳感器的安裝和維護成本。1.2光纖多氣體檢測系統可同時監測一氧化碳、甲烷氣體，可代替煤礦目前采空區的色譜監測和紅外檢測儀，大大降低了煤礦自然發火預測系統的成本。1.3光纖檢測系統在采空區防滅火中的應用，可大大提高礦井防滅火技術裝備水平，有效提高設備的使用效率，節省人力、物力，大大減少生產成本。光纖檢測系統可以有效的定位火災發生位置，大大提高火災治理的針對性，節省防滅火設備和材料，提高工作效率，防滅火成本大為降低。1.4光纖檢測系統有效保證采煤工作面的安全生產，大大減少安全事故的發生概率，帶來的經濟效益難以估量。1.5光纖礦壓監測系統具有屬于本安型系統，長期穩定性好，靈敏度高，抗電磁干擾，相比電子設備具有明顯優勢，擁有巨大的市場需求。與進口的容量為16通道相同性能系統相比，光纖微震監測系統的費用僅為其二分之一，大大降低企業的設備投資，提高經濟效益。