系統(tǒng)建立背景

1 系統(tǒng)建立的目的和意義

煤炭產(chǎn)業(yè)對現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展中仍有重要的作用。但是長期以來，我國煤礦安全事故頻發(fā)，人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失嚴(yán)重，在國際和社會上造成極大的負(fù)面影響。 我國是世界上沖擊地壓和煤與瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害嚴(yán)重的國家之一，沖擊地壓、煤與瓦斯突出及頂板大面積垮落等煤巖動力災(zāi)害嚴(yán)重制約著煤礦安全高效生產(chǎn)。目前我國近50%原國有重點(diǎn)煤礦受到?jīng)_擊地壓威脅；近100座煤礦受到?jīng)_擊地壓的嚴(yán)重影響。通過分析煤巖體應(yīng)力狀態(tài)與沖擊地壓的相關(guān)性可知，采動應(yīng)力對沖擊地壓的影響是顯著的，采動應(yīng)力場及其分布特征在煤巖層沖擊危險性評價具有重要的作用 。

煤礦行業(yè)是高危行業(yè)，安全開采是企業(yè)長期關(guān)注的重點(diǎn)。因此，采動應(yīng)力的監(jiān)測及采動應(yīng)力場的研究對防治沖擊地壓、煤與瓦斯突出、煤壁片幫等煤巖動力災(zāi)害及工作面區(qū)域危險性評價、頂板控制、巷道支護(hù)等礦井安全生產(chǎn)有著極其重要的意義。

針對上述情況，武漢中地恒達(dá)科技有限公司自主研發(fā)了采動應(yīng)力計(jì)，精度優(yōu)于FS·0.005、分辨率優(yōu)于FS·0.002、誤差小于0.01MPa，能夠?qū)ΦV山內(nèi)部采動應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。該應(yīng)力計(jì)適用于監(jiān)測煤礦、露天礦開采過程的邊坡內(nèi)部應(yīng)力和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力且能夠滿足復(fù)雜環(huán)境下的監(jiān)測，如煤體破壞嚴(yán)重、節(jié)理較為發(fā)育等地質(zhì)條件下的采動應(yīng)力實(shí)時監(jiān)測。結(jié)合數(shù)據(jù)處理軟件等技術(shù)，研發(fā)了一套采動應(yīng)力實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r自動監(jiān)測采動應(yīng)力隨采掘影響的變化情況。

通過自主研發(fā)的采動應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)對礦山重點(diǎn)區(qū)域的采動應(yīng)力進(jìn)行連續(xù)實(shí)時自動化監(jiān)測，并結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)值模擬等方法進(jìn)一步研究了采動空間應(yīng)力場的時-空演化規(guī)律及其對煤巖動力災(zāi)害的影響，所取得的研究成果不僅可以為揭示采動空間圍巖應(yīng)力場的分布特征及演化規(guī)律提供重要依據(jù)，還為煤巖動力災(zāi)害發(fā)生過程中的采動應(yīng)力演化、沖擊地壓、煤與瓦斯突 出等煤巖動力災(zāi)害的防治及工作面區(qū)域危險性評價、頂板控制、巷道支護(hù)提供準(zhǔn)確的現(xiàn)場應(yīng)力資料。

2 系統(tǒng)建立依據(jù)

1）《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法》（GB/T 25217.7-2019）；

2）《尾礦庫在線安全監(jiān)測系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》（GB51108-2015）；

3）《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（AQT 2063-2018）；

4）《巖土工程監(jiān)測規(guī)范》（YS5229-96）；

5）《邊坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》（DZ/T0219-2006）；

6）《邊坡防治工程勘查規(guī)范》（GB/T 32864-2016）；

7）《工程測量規(guī)范》(GB50026-2007）；

8）《定位系統(tǒng)（GPS）測量規(guī)范》(GBT18341-2016）。

3 系統(tǒng)概述

3.1系統(tǒng)介紹

為實(shí)現(xiàn)礦山采動應(yīng)力監(jiān)測自動化，武漢中地恒達(dá)科技有限公司憑借自身技術(shù)優(yōu)勢和實(shí)力，將傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)相結(jié)合，綜合分析實(shí)際情況，開發(fā)了適用于巖土體內(nèi)部的應(yīng)力自動化監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)可對邊坡巖土體內(nèi)部應(yīng)力變化等進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，及時捕捉應(yīng)力變化的特征信息，通過有線或無線方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時發(fā)送到監(jiān)測中心，由專用的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析軟件處理，對巖土體的整體穩(wěn)定性做出判斷，快速做出預(yù)警預(yù)報，更加準(zhǔn)確、有效地監(jiān)測災(zāi)情發(fā)生，且可為保證地質(zhì)安全和整治工程設(shè)計(jì)提供信息參考。

3.2系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由采動應(yīng)力傳感器、配套映力裝置、采集儀、供電系統(tǒng)、云平臺組成。

云平臺部署不受設(shè)備限制，也支持手機(jī)APP/微信小程序、客戶端安裝查詢方式；具有單位管理、人員權(quán)限管理、設(shè)備配置、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)圖形分析、現(xiàn)場巡檢日志、報表輸出、地圖定位快速查詢、遠(yuǎn)程操作等功能。

IOT物聯(lián)網(wǎng)云平臺：設(shè)備在線狀態(tài)及運(yùn)行管理平臺，可遠(yuǎn)程控制設(shè)備的重啟、調(diào)整監(jiān)測頻率等；

GMS監(jiān)測云：網(wǎng)頁端及客戶端監(jiān)測云平臺，可查看傳感器數(shù)據(jù)、曲線；數(shù)據(jù)分析、自動報警、報表輸出等。

監(jiān)測小站：手機(jī)微信小程序，可實(shí)時查看現(xiàn)場傳感器的狀態(tài)、參數(shù)、數(shù)據(jù)等；

圖3-1 GMS監(jiān)測云平臺介紹

3.3 監(jiān)測云平臺功能

1.基于通用的操作環(huán)境，具有可視化、圖文并茂的用戶界面、可方便的修改系統(tǒng)設(shè)置、設(shè)備參數(shù)及運(yùn)行方式。

2.在線監(jiān)測、離線分析、人工輸入、數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)備份、圖形報表制作和信息查詢和發(fā)布。

3.系統(tǒng)管理、安全保密、運(yùn)行日志、故障日志記錄等功能。

圖3-2 云平臺功能

3.4系統(tǒng)工作原理

采動應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)通過采動應(yīng)力傳感器實(shí)時監(jiān)測巖土體內(nèi)部應(yīng)力變化，數(shù)據(jù)通過有線傳輸至采集儀，使用4G/NB-IoT無線網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一上傳至云平臺，云平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和的分析，通過應(yīng)力值變化判斷土體動態(tài)壓力變化，當(dāng)應(yīng)力值變化超過設(shè)定的閾值時，通過手機(jī)、短消息、APP等快速發(fā)出預(yù)警預(yù)報，及時自動發(fā)布消息到管理人員，盡快啟動相應(yīng)的預(yù)案，更加準(zhǔn)確、有效地監(jiān)測災(zāi)情發(fā)生。

設(shè)備安裝及測點(diǎn)布設(shè)

4 監(jiān)測設(shè)備

4.1產(chǎn)品概述

采用中地恒達(dá)ZDHD-CDYL進(jìn)行礦區(qū)采動應(yīng)力監(jiān)測，ZDHD-CDYL采動應(yīng)力傳感器采用工業(yè)器件，性能穩(wěn)定、可靠，外殼采用不銹鋼材質(zhì)，抗干擾，能夠很好地監(jiān)測采動應(yīng)力變化，達(dá)到預(yù)防、預(yù)警的目的。適用于監(jiān)測煤礦、露天礦開采過程的邊坡內(nèi)部應(yīng)力和支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力，是一款高性價比、高可靠性的采動應(yīng)力傳感器。

圖4-1  ZDHD-CDYL 采動應(yīng)力傳感器

4.2主要技術(shù)指標(biāo)

表4-1采動應(yīng)力傳感器主要技術(shù)指標(biāo)

4.3 監(jiān)測設(shè)備安裝

安裝根據(jù)鉆孔情況分為水平安裝和垂直安裝兩種，在安裝時應(yīng)確保映力裝置下放到監(jiān)測位置，鉆孔直徑建議50mm。

①將映力裝置下放到孔內(nèi)；

②加壓；

③安裝采集儀；

④確認(rèn)將傳感器線纜連接到采集儀上；

⑤平臺查看數(shù)據(jù)。

圖4-2 采動應(yīng)力監(jiān)測站安裝示意圖

5 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)參照《沖擊地壓測定、監(jiān)測與防治方法》（GB/T 25217.7-2019）、《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（AQT 2063-2018）、《巖土工程監(jiān)測規(guī)范》（YS5229-96）、《工程測量規(guī)范》(GB50026-2007）；

5.1 監(jiān)測范圍

依據(jù)沖擊危險性評價結(jié)果,布置在巷道具有沖擊危險的區(qū)域;其中,掘進(jìn)巷道迎頭后方監(jiān)測范圍不小于150m,采煤工作面超前巷道監(jiān)測范圍不小于300 m。

5.2 布設(shè)位置

1.應(yīng)力傳感器一般布置在煤層巷道或硐室的幫部,開孔位置距底板0.5m～1.5m。

2.已成型巷道應(yīng)力傳感器布置應(yīng)在受采動應(yīng)力影響前完成;其中,將受巷道掘進(jìn)擾動影響的,應(yīng)力傳感器布置應(yīng)在距離掘進(jìn)迎頭150m前完成;將受工作面回采擾動影響的,應(yīng)力傳感器布置應(yīng)在距離工作面300m前完成。

5.3布設(shè)參數(shù)

5.3.1監(jiān)測點(diǎn)深度

應(yīng)力傳感器的敏感元件應(yīng)深入至巷道幫部應(yīng)力集中區(qū),同一監(jiān)測組內(nèi)不同監(jiān)測點(diǎn)深度應(yīng)有所區(qū)別。如圖5-1所示,監(jiān)測點(diǎn)深度應(yīng)不少于兩種,淺部監(jiān)測點(diǎn)深度一般為1.5h～3h,深部監(jiān)測點(diǎn)深度一般大于3h。對于巷幫塑性區(qū)寬度較大、應(yīng)力集中區(qū)遠(yuǎn)離巷幫的巷道,應(yīng)適當(dāng)增大監(jiān)測點(diǎn)深度。

圖5-1 巷道幫部應(yīng)力傳感器布置圖

5.3.2 監(jiān)測點(diǎn)及監(jiān)測組間距

同一監(jiān)測組內(nèi)相鄰監(jiān)測點(diǎn)沿巷道走向間距不大于2m。相鄰監(jiān)測組沿巷道走向間距不大于30m，其中強(qiáng)沖擊危險區(qū)監(jiān)測組間距不大于20m。

判別方法

6 沖擊危險性的確定

6.1危險性判別指標(biāo)

6.1.1應(yīng)力 σ

監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)力值,單位為兆帕(MPa)。

6.1.2 應(yīng)力變化率σ

6.2 沖擊危險的判別方法

6.2.1 沖擊危險性判別

1.首先分別判別監(jiān)測組內(nèi)所有監(jiān)測點(diǎn)的沖擊危險性,然后根據(jù)各監(jiān)測點(diǎn)判別結(jié)果綜合確定監(jiān)測組沖擊危險性。沖擊危險性判別結(jié)果分為:有沖擊危險和無沖擊危險

2.根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)力變化率兩項(xiàng)指標(biāo)綜合判別監(jiān)測點(diǎn)沖擊危險性,只要通過一項(xiàng)指標(biāo)判別有沖擊危險,則判別該監(jiān)測點(diǎn)具有沖擊危險。

3.淺部監(jiān)測點(diǎn)和深部監(jiān)測點(diǎn)的指標(biāo)臨界值應(yīng)有所區(qū)別。

4.只要監(jiān)測組內(nèi)有一個監(jiān)測點(diǎn)具有沖擊危險,則判別該監(jiān)測組具有沖擊危險。

6.2.2沖擊危險性判別指標(biāo)臨界值確定

可采用類比法設(shè)定采動應(yīng)力監(jiān)測指標(biāo)臨界值,再根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際考察資料和積累的數(shù)據(jù)進(jìn)一步修正初值。類比時,應(yīng)選用開采及地質(zhì)條件相似的沖擊地壓巷道。

監(jiān)測期限及頻率

7 監(jiān)測期限及頻率

7.1 一般規(guī)定

（1）礦區(qū)采動應(yīng)力監(jiān)測工作應(yīng)貫通于礦山施工及安全生產(chǎn)全過程，監(jiān)測期限宜從礦山施工前開始，直至變形趨于穩(wěn)定后結(jié)束。

（2）礦區(qū)采動應(yīng)力監(jiān)測頻率的確定應(yīng)能及時、系統(tǒng)地反映監(jiān)測范圍內(nèi)應(yīng)力值的動態(tài)變化過程，宜采用定時監(jiān)測，必要時應(yīng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測。

7.2 監(jiān)測期限

監(jiān)測期限應(yīng)根據(jù)監(jiān)測等級確定，需長期監(jiān)測時在設(shè)置系統(tǒng)時應(yīng)遠(yuǎn)近結(jié)合。

7.3 監(jiān)測頻率

礦山采動應(yīng)力監(jiān)測頻率應(yīng)綜合考慮監(jiān)測等級、施工階段、周邊環(huán)境、自然條件變化和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定。當(dāng)監(jiān)測對象相對穩(wěn)定時，可適當(dāng)降低監(jiān)測頻率，在無數(shù)據(jù)異常和事故征兆的情況下，自動化監(jiān)測頻率初步可按照1次/1d。

當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，應(yīng)提高監(jiān)測頻率，開工即進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，直至連續(xù)3天的監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

a)監(jiān)測數(shù)據(jù)累計(jì)變化量或變化速率達(dá)到預(yù)警值；

b)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化較快或者速率加快；

c)存在勘察未查明的不良地質(zhì)條件，且可能影響工程安全;

d)支擋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂;

e)周邊地面突發(fā)較大沉降、不均勻沉降或出現(xiàn)嚴(yán)重開裂;

f)工程發(fā)生事故后重新組織施工;

g)出現(xiàn)其他影響工程及周邊環(huán)境安全的異常情況。

當(dāng)出現(xiàn)可能危及工程和周邊環(huán)境安全征兆時，應(yīng)實(shí)時跟蹤監(jiān)測。

8 監(jiān)測數(shù)據(jù)報警值

（報警值根據(jù)設(shè)計(jì)文件或咨詢意見）

（1）監(jiān)測預(yù)警分為監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警、巡視預(yù)警和綜合預(yù)警三類。施工過程中每一類預(yù)警按照嚴(yán)重程度由小到大分為三個等級：黃色預(yù)警、橙色預(yù)警和紅色預(yù)警。

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警

根據(jù)安全風(fēng)險特點(diǎn)，監(jiān)測項(xiàng)目按“分區(qū)、分級、分階段”的原則制定監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，并安裝黃色、橙色、紅色預(yù)警進(jìn)行反饋與控制：具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見表8-1。

表8-1　三級監(jiān)測安全狀態(tài)判定表

（3）綜合預(yù)警

綜合預(yù)警的評價宜通過現(xiàn)場核查、會商或?qū)＜艺撟C等確定，其分級標(biāo)準(zhǔn)參考表8-2進(jìn)行判定。

表8-2　綜合預(yù)警分級判定參考表

（5）監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警由各監(jiān)測實(shí)施單位報送發(fā)布或通過監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳遠(yuǎn)程監(jiān)控信息系統(tǒng)后，依據(jù)設(shè)計(jì)控制值、相關(guān)技術(shù)要求確定的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)比對后及時予以發(fā)布。

（6）巡視預(yù)警由各巡視單位根據(jù)巡視預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)報送或在遠(yuǎn)程信息系統(tǒng)上獨(dú)立發(fā)布。一方發(fā)布巡視預(yù)警后，在預(yù)警期內(nèi)其他單位不得針對同一工程部位發(fā)布同類別、同一等級的巡視預(yù)警。

（7）綜合預(yù)警由建設(shè)單位的風(fēng)險管控部門依據(jù)工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場巡視信息及風(fēng)險狀況評價，并結(jié)合現(xiàn)場復(fù)核、參考相關(guān)方提出的綜合預(yù)警建議，經(jīng)多方會商或?qū)＜艺撟C等形式確定綜合預(yù)警等級，形成綜合預(yù)警建議報告報送建設(shè)單位相關(guān)主管部門批準(zhǔn)后發(fā)布，并通知有關(guān)層級人員。

（8）監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警、巡視預(yù)警和綜合預(yù)警均通過遠(yuǎn)程監(jiān)控信息系統(tǒng)發(fā)布；發(fā)布時，發(fā)布單位應(yīng)明確發(fā)布預(yù)警的具體工程部位、現(xiàn)場風(fēng)險狀況、初步原因分析、可能誘發(fā)的風(fēng)險事件、處置建議等，并附相關(guān)工程部位的現(xiàn)場照片等。

（9）各相關(guān)監(jiān)測實(shí)施及管理單位應(yīng)根據(jù)不同的預(yù)警級別分別組織不同層級的現(xiàn)場分析、處理會議。會議應(yīng)包含以下內(nèi)容：

1）核實(shí)預(yù)警信息；

2）分析預(yù)警原因，包含技術(shù)因素、環(huán)境因素、管理因素等；

3）判斷風(fēng)險工程的安全狀態(tài)；

4）確定具體的工程處置方案。

（10）預(yù)警后，相關(guān)各方應(yīng)對已發(fā)布預(yù)警的工程部位及工程環(huán)境加強(qiáng)監(jiān)測和巡視，積極參加風(fēng)險處置方案的制定、提供相關(guān)建議并采取必要的措施進(jìn)行風(fēng)險處理，避免預(yù)警升級和風(fēng)險事故的發(fā)生；有特殊要求的工程環(huán)境風(fēng)險預(yù)警的風(fēng)險處理應(yīng)邀請產(chǎn)權(quán)單位參加。

（11）施工過程中，出現(xiàn)報警狀態(tài)時，各監(jiān)測實(shí)施單位應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測、巡視預(yù)警信息快速報送和發(fā)布；同時，應(yīng)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析預(yù)測，增大監(jiān)測、巡視頻率。報送內(nèi)容主要包括風(fēng)險時間、地點(diǎn)、風(fēng)險概況、原因初步分析、變化趨勢、風(fēng)險處理建議等。預(yù)警信息快速報送應(yīng)包括：近一周或近一月的施工監(jiān)測關(guān)鍵數(shù)據(jù)、工況和巡視信息的異常情況、風(fēng)險預(yù)警情況、反饋意見落實(shí)情況及風(fēng)險事務(wù)處理、效果、變化趨勢、存在問題、下一步風(fēng)險處理建議等。

（12）監(jiān)理單位應(yīng)及時分析、匯總和篩選監(jiān)測單位的監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡視及預(yù)警信息，提出工程風(fēng)險綜合預(yù)警等級的判定建議提交建設(shè)單位風(fēng)險管控部門。

（13）出現(xiàn)風(fēng)險事件后，不得對發(fā)生風(fēng)險事件的工程部位發(fā)布巡視預(yù)警或綜合預(yù)警，但若風(fēng)險事件可能引發(fā)次生災(zāi)害、鄰近部位可能導(dǎo)致風(fēng)險狀況，可發(fā)布預(yù)警。

（14）監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警、巡視預(yù)警、綜合預(yù)警應(yīng)按以下時間要求發(fā)布：

1）黃色預(yù)警應(yīng)在現(xiàn)場確認(rèn)后12小時內(nèi)通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)布，并確認(rèn)通知到有關(guān)方；

2）橙色預(yù)警應(yīng)在現(xiàn)場確認(rèn)后6小時內(nèi)通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)布，并確認(rèn)通知到有關(guān)方；

3）紅色預(yù)警應(yīng)在現(xiàn)場確認(rèn)后2小時內(nèi)通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)布，并確認(rèn)已通知到相關(guān)單位負(fù)責(zé)人。

（15）各級預(yù)警相關(guān)方應(yīng)積極響應(yīng)，同時各相關(guān)方應(yīng)將預(yù)警、響應(yīng)及消警信息反映到當(dāng)期的日報或周報或月報中。

信息反饋

 9 信息反饋

1）量測人員對監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)性負(fù)責(zé)，監(jiān)測分析人員對監(jiān)測報告的可靠性負(fù)責(zé)，監(jiān)測單位對整個項(xiàng)目監(jiān)測質(zhì)量負(fù)責(zé)。監(jiān)測記錄和監(jiān)測技術(shù)成果均有責(zé)任人簽字，監(jiān)測技術(shù)成果加蓋成果章。正常情況下監(jiān)測完成以后將在12小時內(nèi)將監(jiān)測情況以電話短信的方式告知各方，36小時以內(nèi)提交正式報告。如遇突變或進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)將現(xiàn)場進(jìn)行處理分析并及時告知各方。

2）觀測記錄、計(jì)算資料和技術(shù)成果整理

①當(dāng)日的天氣情況和有關(guān)施工情況；

②儀器監(jiān)測項(xiàng)目各監(jiān)測點(diǎn)的本次測試值、單次變化值、變化速率以及累計(jì)值等，必要時繪制有關(guān)曲線圖；

③巡視檢查的記錄；

④對達(dá)到或超過監(jiān)測報警值的監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)有報警標(biāo)示；

⑤對巡視檢查發(fā)現(xiàn)的異常情況應(yīng)有詳細(xì)描述，危險情況應(yīng)有報警標(biāo)示；