矿压监测可行性研究报告

1、 煤矿顶板压力自动化监测与分析系统的应用研究 可行性研究报告结论： 1、必要性：目前顶板监测没有连续在线监测和预警功能,顶板灾害监测监控方面相对滞后，未能建立有效的预防决策机制，使得顶板事故频繁发生。对矿井围岩进行实时监测，不仅能够预测各种来压规律，还可以得到顶板离层的准确数据，及早发现顶板失稳征兆的安全隐患，采取必要的加强支护措施，避免冒顶事故的发生。2、可行性及先进性：以顶板状态参量的先进传感技术和计算机监测技术为核心，通过预警算法对采集的顶板状态的多参量数据处理与预案决策，达到安全预警的目的。3、本项目的研究不但在阳煤集团具有广阔的应用前景，具有重要的现实意义和理论价值，而且具有极高的推

2、广价值及良好的经济和社会效益。市场前景良好。编制单位： 阳泉煤业（集团）股份有限公司 协作单位： 山西巨安电子技术有限公司 编制时间： 2011年9月1日 1一、项目提出的必要性及市场分析预测（一）项目提出的必要性：目前顶板监测没有连续在线监测和预警功能，顶板灾害监测监控方面相对滞后，未能建立有效的预防决策机制，使得顶板事故频繁发生。本项目以矿山压力与岩层控制理论为基础，以顶板状态参量的先进传感技术和计算机监测技术为核心，通过预警算法对采集的顶板状态的多参量数据处理与预案决策，达到安全预警的目的。这也正符合在国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）中提到的“大力发展煤炭清洁、高效

3、、安全开发和利用技术”发展思路。在我国所提出的“十一五”国家科技支撑计划“煤矿瓦斯、火灾与顶板重大灾害防治关键技术研究”中大部分是关于瓦斯灾害防治与监测监控，针对顶板灾害连续监测和安全预警方面的内容相对比较缺乏，因此该项目的研制成功必将最大限度地消除安全生产隐患，避免矿井顶板事故的发生，减少或避免设备损坏和人员伤亡，保障井下人员的生命安全，提高矿井生产的经济效益和社会效益。目前，煤矿行业的安全生产监控系统中，常规的瓦斯超标报警，风速粉尘等监测监控技术发展较快，唯独顶板灾害监测监控方面相对滞后，未能建立有效的预防决策机制，使得顶板事故频繁发生。值得注意的是，虽然每次冒顶事件伤亡人数较少，但它的全

4、年累计数却大大高于其它煤矿事故的全年累计数，因此国家煤矿管理机关已经开始加大对煤矿顶板管理和岩层控制以及灾害事故预警防治的研究组织与经费投入，为本研究提供了广阔的推广应用前景，并且在矿山企业的市场前景也是非常好。目前国内煤炭行业效益良好，企业有足够的经济承受能力；利用新技术新设备创造良好的安全生产环境，也是煤炭行业的迫切需求。“不要带血的煤”，随着国家煤炭行业管理机关对安全生产管理的不断加强，安全生产监控系统成为采矿挖煤的必备硬件，顶板灾害连续监测与安全预警系统将作为该系统必不可少的一个子系统，并为矿井顶板维护与预警决策提供安全可靠的重要技术保障。根据煤矿安全规程规定，全国所有矿井都必须装设能

5、够满足本矿测点要求的安全生产监测监控系统。仅山西省就有4000余座煤矿，大部分顶板监测并没有连续在线监测和预警功能，由此可见该项目的应用前景非常广阔。根据煤矿安全操作规程结合国家煤矿安全十一五规划中 “煤矿要逐步改革采煤方和采煤工艺，加强支护，完善顶板监测系统”的明确要求，全国所有矿井都必须装设能够满足本矿测点要求的安全生产监测监控系统。仅山西省就有4000余座煤矿，大部分顶板监测并没有连续在线监测和预警功能，由此可见该项目的应用前景非常广阔。本项目产品为顶板灾害多参数在线监测和预警分析系统因此，本项目研制完成将在同行业中具有无可比拟的竞争力因此，针对阳泉矿区高应力围岩巷道与采场的地质条件，进

6、行顶板灾害预警技术的研究，无疑对矿区的安全、高产、高效开采是必要的。（二）市场分析预测 根据煤矿安全操作规程结合国家煤矿安全十一五规划中 “煤矿要逐步改革采煤方和采煤工艺，加强支护，完善顶板监测系统”的明确要求，全国所有矿井都必须装设能够满足本矿测点要求的安全生产监测监控系统。项目拟针对阳泉矿区高应力地质条件下巷道与采场的支护难题研发的，矿区大部分顶板监测并没有连续在线监测和预警功能，由此可见该项目的应用前景非常广阔。因此，本研究成果可以在解决阳泉矿区 巷道与采场顶板灾害提前预警，验证巷道与工作面支护合理性、可靠性，降低支护成本，创造良好的技术经济效益。故本项目的研究不但在阳泉煤业（集团）股份

7、有限公司具有广阔的应用前景，具有重要的现实意义和理论价值，而且具有极高的推广价值及良好的经济和社会效益。市场前景良好。二、国内外技术水平及发展趋势，生产现状（一）国内、外技术水平现状国内外技术现状和技术发展趋势：国内在20世纪中后期都已经有各种机械式的顶板观测仪器，但大部分采用顶板钻孔方式安装和人工观察记录，测量数据少，比较离散，难以如实地反映顶板状态参数变化的连续性和实时性，不能迅速地预测顶板灾害的发生预兆，并有目的地实施主动的防灾减灾措施。目前国内外相继研制出各种类型的位移与应力（或流体压强）传感器，精度、线性度等有很大的提高，然而在煤矿井下的应用不是很理想，主要集中在传感器安装困难、灵敏

8、度、抗冲击能力等不高。随着计算机技术的发展，国内现有煤矿安全生产监测监控系统研制，形成了百花齐放、百家争鸣的局面，到目前为止，仅煤矿安全监测监控系统的类型就不下30余种，生产的厂家就更多了。由此，优势是安全监测系统选择的余地很宽，能有力地推动我国煤矿安全生产监测监控系统的技术进步，而带来的问题是因多家开发研制，出于市场竞争的需要，监测系统均自成体系，兼容性明显存在障碍。在顶板自动监测中大部分主要针对顶板下沉和鼓起量、工作面支架载荷的测量，而顶板断裂运动状态与灾害发生预兆的监测参量较少，不能全面地反映采场顶板来压和巷道顶板垮落的真实情况。 （二）发展趋势近年来，在矿山压力理论与岩层控制实践研究中

9、，我国的理论研究基础非常深厚，且取得了大量的科技成果，在顶板岩层运动的理论研究也有大量的理论成果，著名的“关键岩层理论”、“传递岩梁理论”以及“坚硬顶板的暂态平衡理论”均发挥了积极的顶板岩层控制与灾害预测防治的理论应用价值和工程指导作用。因此，在我国顶板安全状态监测监控与灾害预警系统的开发研制方面，具有很好的理论研究基础。过去对顶板灾害的预警通过对观测的数据进行理论人工分析，得出一个预警值，然后再根据预警值进行预警，这样即分析复杂又不精确，此外缺乏实时性，灾害防治方案与技术措施的实施严重滞后，并不能起到明显的减灾防灾效果，且会带来很大的人力、物力损失。目前为止，针对顶板灾害的多因素参数监测和能

10、同时给出顶板灾害预兆与灾害程度的预警专家决策系统仍然是一个空白，专家决策系统在其他领域中有很好的应用先例，该系统能达到自我学习，自我预测，自我评估等，从而达到完全智能化。国外在六、七十年代已经具有了煤矿计算机监测监控系统，技术比较先进，但随着国际能源结构和政策的变化，目前国外主要集中在石油、天然气开采上，煤炭开采处于限制状态如：德国和英国已经关闭了绝大部分矿井，具有丰富的石油和天然气的俄罗斯对煤炭的开采不是非常重视。由于国外对煤炭开采投入日益减少，煤矿监测监控技术目前也处于停止不前状态，而针对顶板灾害连续监测与安全预警技术水平也处于六、七十年代状态。所以从以上分析可知我国目前针对顶板灾害监测和

11、安全预警技术方面，有一定的基础，但完全能够智能化的顶板安全连续监测和灾害预警还有一定的差距。三、技术来源、开发研制现状及协作单位基本情况（一）技术来源1. 山西巨安专业从事煤矿顶板安全监控系统的企业，集设计、开发、制造、服务为一体，2. 山西巨安具有国内一流的“矿井顶板安全状态连续监测与灾害预警系统”模拟试验台，它实现了矿井顶板的多环境参数模拟监测，对综采工作面液压支架的工作阻力模拟采煤工况现场进行评判，为设计研发此类产品奠定了基础。3. 设计、开发、制造与为用户服务相统一，为煤矿井下综合监测提供生产和管理中全面的技术支持，给用户提供最佳的解决方案和优质的服务。4. KJ232矿压顶板状态连续

12、监测与分析系统已在国内众多大型煤矿投入使用，具有丰富的井下运行经历。5. 巨安公司有雄厚的人力资源，与科研院所、高校紧密合作，保障了系统产品的前瞻性。（二）开发研制现状课题组将整个项目的开发应用分为以下步骤进行：第一步，在巷道内主要通过顶板位移传感器监测顶板下沉量、顶底板移近量、顶板位移位置、离层速度变化，用于判断顶板破坏范围，对巷道稳定性进行识别，对巷道所处的安全等级进行评价。第二步，采用锚杆载荷应力传感器通过对巷道顶板、两帮锚固力以及锚固力沿着锚杆长度变化规律进行监测，达到对锚杆的工作状态、顶板安全性等进行评价，实现信息反馈，为锚杆支护参数设计优化提供基础。第三步，监测端头支架的工作阻力变

13、化规律，为保障端头支护稳定性和安全性提供依据，并为确定最优的端头方式及参数提供基础。第四步，分区监测工作面内支架的工作阻力变化规律，为评价支架支护效果、支架对该类顶板的适定性以及顶板来压规律提供依据第五步，进行项目成果的总结和鉴定工作，将所得到的成果应用于指导类似条件下的现场实践。（三）协作单位1、山西巨安电子技术有限公司山西巨安电子技术有限公司是专业从事煤矿、安防监测监控及工业自动化控制领域的国家级高新技术企业。是科技部国家科技支撑计划课题的承担单位，公司和太原理工大学矿用智能电器研究所、采矿工艺研究所长期合作，形成了平稳运行的“产、学、研”合作模式。公司位于交通便利的运城市空港新区关公西街

14、，公司除装备了先进的自动化车间、性能卓越的“电子产品综合检测台”外，还建设了功能齐全的“矿压试验室”。公司拥有一批专业从事工业过程控制、自动化仪表、计算机应用以及煤矿顶板控制理论研究等方面的专业人才。以丰富的设计经验和强烈的责任感，向用户提供全方位先进和实用的工程解决方案。公司主要研发人员长期从事采矿工程和岩石力学的科研工作。完成国家自然科学基金、部科技攻关项目和省部自然科学基金项目10余项，神华集团科技创新项目和企业委托项目20多项，并与国内大型煤炭企业、煤炭科研院所等单位长期开展合作研究，获得了多项重大的科学研究成果，具有长期的理论储备和大量的实践工作，本系统功能软件正是建立在丰富的矿压理

15、论基础上，开发的具有单因素预警和多因素相结合的矿压专家分析系统。2、太原理工大学采矿工艺研究所太原理工大学采矿工艺研究所，长期从事矿山压力基础理论、采场顶板岩层控制与灾害预测防治以及特殊开采工艺的研究工作，拥有丰富的顶板灾害防治实践经验，建设成山西省采矿工程重点学科、采矿工程学科博士点和博士后流动站，山西省“矿产资源安全高效开采重点实验室”、山西省“绿色开采工程技术中心”和山西省“安全工程技术中心”，并与国内大型煤炭企业（诸如神华集团神东煤炭公司和万利煤炭公司、乌达矿业集团分公司和海勃湾矿业集团分公司，大同煤矿集团，晋城煤业集团和潞安矿业集团公司等）、煤炭科研院所等单位长期开展合作研究，获得了

16、多项重大的科学研究成果。该所拥有大型三轴压力实验机，大型立体模型试验台、岩石破裂灾变的CT探测等先进的科研设备，能够承担完成该项目的顶板灾害发生机理模拟实验与安全预警决策软件研制任务。在本项目的相关研究方面，实施了大同煤业集团坚硬顶板冲击灾害的控制、飓风形成原因的调查与分析，晋城煤业集团大面积来压冲击灾害的研究，以及神华集团神东煤炭公司顶板灾害的预防与控制研究工作，具有长期的理论储备和前期研究基础。3、课题组取得的理论成果本课题组参与和研究取得的理论成果主要包括以下内容：1）、采集一体化装置的超低功耗设计采集一体化装置主要安装在矿井监测处的最前端，在保证正常工作条件下，降低功耗与电源供电是面临

17、的主要难题，巨安公司采取降耗措施后，最终将功率降在小于20mA，比同类产品功耗降低了3倍左右，这样大大减少了供电电源的数量。2）、井下传输分站的智能存储、智能传输功能设计传输分站设计采用了大容量FLASH存储器，采集分站设计采用了EEPROM存储器，作为应急数据存储装置。传输分站设计有上位机连接状况自动智能检测程序，采集分站设计有CAN总线连接状况自动智能检测程序。一旦传输分站检测到与上位机（服务器）数据连接断开后，将启动应急采集模式，该模式下，传输分站会自动从各所属采集分站查询一次数据，并把采集到的数据保存在大容量FLASH中，FLASH容量能够保证在此模式下工作7天（120个分站的条件下）

18、，不会丢失数据。当上位机与总站连接重新建立之后，可以根据上位机指令自动将线路中断期间的数据传输至上位机（服务器）。3）、井下停电及故障监测的智能设计传输站设计有带光电隔离的电源状态检测接口，能够实时检测井下交流电源的供电状态，一旦井下发生交流电源停电事件，传输分站将通过光电隔离通道捕获该事件，触发程序中设定的状态标志位，并把该标志位打包到上报数据包中，传输至上位机（服务器）。同样，当井下交流电源恢复供电，其状态也能够被捕获，清除程序中设定的状态标志位，并把该标志位打包上报至服务器。4）、电话线上信号远距离传输设计电话线通讯是矿用电缆通讯的一种方式，目前煤矿电话线网络遍布到井上、下各个角落，采用

19、电话专线进行通讯可减少重复投资电缆和人工费用。KJ232矿用顶板连续监测系统成功解决了在0.5mm2电话线上通讯距离大于20Km的难题，并可满足大中型矿井的需求。5）、单因素与多因素相结合的专家分析预警系统公司与太原理工大学采矿工艺研究所合作开发的专家预警分析系统功能。Ø 专家预警分析系统中单因素支架载荷分析模块，是沿工作面长度方向建立5个测区，每个测区3条测线，共计15条测线的图形绘制和分析计算功能，并设计开发矿压观测数据库等模块能够给出各条测线（15条）、测区（5线平均）和全工作面（3区总平均）的最大值、最小值和平均值参数，并分别计算出相应的初次来压步距、各次周期来压步距以及来压

20、时间，同时给出来压期间的载荷最大值、平均值、来压前的载荷平均值以及来压动载系数，初撑力与末阻力的回归关系等。图3.1Ø 专家预警分析系统中单因素采场顶底移近（支架立柱缩量）分析模块，与支架载荷数据同步进行，同样建立5个测区，每个测区3条测线，共计15条测线的图形绘制和分析计算功能等。模块能够给出各条测线、测区和全工作面顶底移近量的最大值、最小值和平均值等参数，并为计算出相应的初次来压步距、各次周期来压步距以及来压时间提供更有效的数据支持，同时结合支架可缩量数据合理的判断出来压期间的载荷最大值、平均值、来压前的载荷平均值以及来压动载系数等。综上所述，专家预警分析系统可对支架选型，支护参

21、数选型提供科学依据，为摸清顶板覆岩运动奠定数据基础。6）、全新的网络式结构设计，更适合工作面恶劣环境中使用 本系统支持矿井以太网传输，传输分站信息可直接进入矿井局域网，减少了整个系统维护的工作量，传输分站的下位机采用国际标准的现场CAN总线设计；在矿井比较恶劣工作面采用CAN总线传输，具有数据传输可靠、实时性高；可扩充系统的节点数；总线上各节点的地位平等，不分主从，突发数据可实时传输；非破坏总线仲裁技术，可多节点同时向总线发数据，总线利用率高；出错的CAN节点会自动关闭并切断和总线的联系，不影响总线的通讯；报文为短帧结构并有硬件CRC校验，受干扰概率小，数据出错率极低；对未成功发送的报文，硬件

22、有自动发送功能，传输可靠性很高；具有硬件地址滤波功能，可简化软件的协议编制；结构简单，性价比极高等优点。并贯串工作面只有一根电缆，供电与信号共用一条电缆，简化了系统结构。7）、提高数据的采集速率及采集数据的完整性措施Ø 充分利用CAN总线的总线仲裁特性，建立多主通讯机制，与软件仲裁控制总线占用的方案相比，极大地提高了总线利用率，在数据繁忙阶段，总线占用率几乎100%，有效地减小了总线资源浪费。Ø 优化代码，采用数据压缩方法，将多通道的长数据组合压缩为短数据，在CAN总线规定的每包数据8字节的范围内，压缩了包括四通道采集值、分站代码、分站状态信息在内的全部所需信息，从而提高了

23、传输效率。上述措施，有效降低了数据传输时间，在系统配置120个分站的情况下，采集全部分站数据，所用时间仅18s。Ø 系统设计有灵活的采集方式，在某分站出现数据异常（比如压力报警等）的情况下，可以针对单独的站点进行快速高频率查询，查询频率可达每秒5次，远高于每秒一次的采集频率。以上高效的数据传输能力和灵活的采集方式，能够有效保证系统数据的实时性和完整性。四、项目研究的可行性、项目内容、开发方案及经济技术指标（一）项目可行性研究中国煤炭资源丰富且地域分布十分广泛，随着各地经济的飞速发展，对煤炭的需求日趋增加，煤炭的开采量也日趋增大，这就对煤炭安全生产提出了更高的要求。我国煤炭主要是井工开

24、采，生产环境条件复杂，尤其是一些中小型煤矿，由于投资能力有限，再加上对安全生产的重视不够，安全设施配置不足，给安全生产造成极大隐患。近期以来屡屡报道的煤矿瓦斯爆炸事故就是最突出的例证。根据国家安全生产监督管理局的统计数据表明，2010年上半年全国煤矿安全事故1399起，死亡人数达1672人，虽然每次冒顶事件伤亡人数较少，但它的事故全年累计数占到煤矿事故全年累计数的55%，因此已引起国家有关部门的高度重视。在对煤炭安全生产系统的调研过程中发现，大中型煤矿安监系统中的瓦斯、粉尘等预警系统已经成熟可靠，唯独顶板的预警方式不太能适应煤矿安全生产的需求，因此开发顶板监测系统迫在眉捷。由于煤矿地质结构复杂

25、，地质地貌的不确定性，给煤矿工作面开采和巷道的维护管理造成了很大的困难。国内外相关科研机构对坑道的支护进行了大量的科研攻关，取得了很好的研究成果，支护技术也日趋完善，但是无论是木棚支护、钢架支护、还是锚杆(索)网联合支护，均建立在巷道顶板的结构及质量优劣的基础上，但地质结构的复杂多样性，使得人们无法对矿井巷道顶板的结构了如指掌，只能了解其走向和大致分层。这样，人为的力量就不可能控制巷道顶板的剥离下沉，现有的巷道支护技术也只能在一定的程度上阻止顶板的下沉速度，最大限度地延长巷道的使用寿命。若对矿井采场顶板和巷道围岩进行实时监测，不仅能够预测各种顶板条件下顶板周期来压规律，还可以得到顶板离层的准确

26、数据，及早发现顶板失稳征兆的安全隐患，采取必要的加强支护措施，避免冒顶事故的发生。本项目针对阳泉矿区工作面与巷道顶板失稳征兆的安全隐患研究成果，不但可以验证阳泉矿区高应力围岩巷道支护合理性，还可以及早发现顶板失稳征兆的安全隐患，采取必要的加强支护措施，避免冒顶事故的发生。因此本项目的研究不但在阳泉煤业（集团）股份有限公司具有广阔的应用前景，具有重要的现实意义和理论价值，而且具有极高的推广价值及良好的经济和社会效益。市场前景良好。（二）项目内容项目主要对以下内容进行研究：1）针对目前国内顶板传感器测量精度不高、线性度差、稳定性和抗冲击能力等问题，研究适合于顶板测量的高质量的压力、应力、位移传感器

27、。2)研究适合于井下的高可靠性、高精度、超低功耗的数据采集装置。3）研究适合于煤矿井下通讯分站数据传输抗干扰方法、数据智能存储、智能传输等。4）研究基于顶板多因素参数的安全预警专家分析软件，顶板状态数学模型与最优评估算法，顶板专家决策预警算法研究等。（三）项目开发方案1、理论分析：主要以传感器技术、信息传输、信号处理、顶板灾变理论和神经网络理论为基础，建立适合于煤矿井下的传感器检测技术，对顶板灾害连续监测与安全预警系统中所采集的信息建立相应的数学模型，分析顶板垮落灾害的安全预警临界阈值参数，并建立监测系统的网络拓扑结构。2、仿真研究：采用仿真可以对理论分析成果进行验证，对软硬件进行实验室构建，

28、它能够补充理论分析缺乏的一些研究环节，从而对实验形成强有力的指导，减少实验的盲目性，节约实验投资，缩短实验周期。3、实验研究：本项目所设计的传感器系统、 数据传输系统、通讯分站、顶板专家安全预警智能决策软件都必须通过实验验证。在实验室模拟井下的情况，进行实际监测,从而发现设计缺陷，进一步完善监测系统。4、 现场调试：这一环节是验证仿真和实验研究结果是否正确的唯一途径，只有满足现场的实际需求，才能检验监测与预警系统的成功与否。这里分两步进行，即地面仿真调试和工业现场调试。（四）主要技术经济指标1、根据煤矿安全规程、山西省“一通三防”管理规定及GB3836.1、GB3836.2、GB3836.4爆

29、炸性环境用防爆电器设备、MT210煤矿通信、检测、控制用电工电子产品基本试验方法、MT209煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求等相关行业标准，本项目主要技术指标如下： 电压信号输出：12V频率信号输出：200Hz1000Hz或5Hz15Hz看见报警亮光的距离不小于20mCAN 接口通讯，速率1200bps、2400bps、4800bps可选传输距离2km误码率不大于10-8 数据传输采用总线传输和井下无线传输两种方式，具有以太网通信接口，总线接口与大多数目前流行的总线标准兼容，如CAN网、PROFIBUS网等。 2、顶板灾害的防灾专家系统软件技术指标a)工作面顶板和巷道顶板的单因素和多因素灾害预警机理和数学模型；b)基于神经元网络理论和BP模型的顶板预警，临界阈值的确定；c)研制开发出能实际应用的顶板安全状态监测与灾害预警智能决策软件；d)在综合考虑信息采集、预处理、传输过程和地面信息处理分析以及软件运行等因素的基础上使顶板安全状态监测和灾害预警决策系统的反应置后时间不大于1015s 五、项目进度计划2011年10月-2011年11月 现场调查、资料收集、项目调研，完成与外协单位的技术交流工作。2011年12月-2012年02月 完成项目计划任务书、可行性研究报告、合同书等资料上报，提出项目实施方案。2012年