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)，人員傷亡和財產(chǎn)損失嚴重，在國際和社會上造成極大的負面影響。 我國是世界上沖擊地壓和煤與瓦斯突出等煤巖動力災害嚴重的國家之一，沖擊地壓、煤與瓦斯突出及頂板大面積垮落等煤巖動力災害嚴重制約著煤礦安全高效生產(chǎn)。目前我國近50%原國有重點煤礦受到?jīng)_擊地壓威脅；近100座煤礦受到?jīng)_擊地壓的嚴重影響。通過分析煤巖體應力狀態(tài)與沖擊地壓的相關性可知，采動應力對沖擊地壓的影響是顯著的，采動應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)長期關注的重點。因此，采動應力的監(jiān)測及采動應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害及工作面區(qū)域危險性評價、頂板控制、巷道支護等礦井安全生產(chǎn)有著極其重要的意義。

針對上述情況，武漢中地恒達科技有限公司自主研發(fā)了采動應力計，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)部采動應力進行實時監(jiān)測。該應力計適用于監(jiān)測煤礦、露天礦開采過程的邊坡內(nèi)部應力和支護結(jié)構(gòu)應力且能夠滿足復雜環(huán)境下的監(jiān)測，如煤體破壞嚴重、節(jié)理較為發(fā)育等地質(zhì)條件下的采動應力實時監(jiān)測。結(jié)合數(shù)據(jù)處理軟件等技術，研發(fā)了一套采動應力實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r自動監(jiān)測采動應力隨采掘影響的變化情況。

通過自主研發(fā)的采動應力監(jiān)測系統(tǒng)對礦山重點區(qū)域的采動應力進行連續(xù)實時自動化監(jiān)測，并結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計、數(shù)值模擬等方法進一步研究了采動空間應力場的時-空演化規(guī)律及其對煤巖動力災害的影響，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)，還為煤巖動力災害發(fā)生過程中的采動應力演化、沖擊地壓、煤與瓦斯突 出等煤巖動力災害的防治及工作面區(qū)域危險性評價、頂板控制、巷道支護提供準確的現(xiàn)場應力資料。

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）《邊坡防治工程設計與施工技術規(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

為實現(xiàn)礦山采動應力監(jiān)測自動化，武漢中地恒達科技有限公司憑借自身技術優(yōu)勢和實力，將傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術相結(jié)合，綜合分析實際情況，開發(fā)了適用于巖土體內(nèi)部的應力自動化監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)可對邊坡巖土體內(nèi)部應力變化等進行連續(xù)監(jiān)測，及時捕捉應力變化的特征信息，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，由專用的計算機數(shù)據(jù)分析軟件處理，對巖土體的整體穩(wěn)定性做出判斷，快速做出預警預報，更加準確、有效地監(jiān)測災情發(fā)生，且可為保證地質(zhì)安全和整治工程設計提供信息參考。

3.2系統(tǒng)組成

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

云平臺部署不受設備限制，也支持手機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、遠程操作等功能。

IOT物聯(lián)網(wǎng)云平臺：設備在線狀態(tài)及運行管理平臺，可遠程控制設備的重啟、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：手機微信小程序，可實時查看現(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)設置、設備參數(shù)及運行方式。

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

采動應力監(jiān)測系統(tǒng)通過采動應力傳感器實時監(jiān)測巖土體內(nèi)部應力變化，數(shù)據(jù)通過有線傳輸至采集儀，使用4G/NB-IoT無線網(wǎng)絡統(tǒng)一上傳至云平臺，云平臺對數(shù)據(jù)進行處理和的分析，通過應力值變化判斷土體動態(tài)壓力變化，當應力值變化超過設定的閾值時，通過手機、短消息、APP等快速發(fā)出預警預報，及時自動發(fā)布消息到管理人員，盡快啟動相應的預案，更加準確、有效地監(jiān)測災情發(fā)生。

設備安裝及測點布設

4 監(jiān)測設備

4.1產(chǎn)品概述

采用中地恒達ZDHD-CDYL進行礦區(qū)采動應力監(jiān)測，ZDHD-CDYL采動應力傳感器采用工業(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)測采動應力變化，達到預防、預警的目的。適用于監(jiān)測煤礦、露天礦開采過程的邊坡內(nèi)部應力和支護結(jié)構(gòu)應力，是一款高性價比、高可靠性的采動應力傳感器。

圖4-1  ZDHD-CDYL 采動應力傳感器

4.2主要技術指標

表4-1采動應力傳感器主要技術指標

4.3 監(jiān)測設備安裝

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 采動應力監(jiān)測站安裝示意圖

5 監(jiān)測點布設

監(jiān)測網(wǎng)點布設參照《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 布設位置

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

5.3布設參數(shù)

5.3.1監(jiān)測點深度

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

圖5-1 巷道幫部應力傳感器布置圖

5.3.2 監(jiān)測點及監(jiān)測組間距

同一監(jiān)測組內(nèi)相鄰監(jiān)測點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

6.1.1應力 σ

監(jiān)測點應力值,單位為兆帕(MPa)。

6.1.2 應力變化率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)測點的沖擊危險性,然后根據(jù)各監(jiān)測點判別結(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)應力和應力變化率兩項指標綜合判別監(jiān)測點沖擊危險性,只要通過一項指標判別有沖擊危險,則判別該監(jiān)測點具有沖擊危險。

3.淺部監(jiān)測點和深部監(jiān)測點的指標臨界值應有所區(qū)別。

4.只要監(jiān)測組內(nèi)有一個監(jiān)測點具有沖擊危險,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臨界值確定

可采用類比法設定采動應力監(jiān)測指標臨界值,再根據(jù)現(xiàn)場實際考察資料和積累的數(shù)據(jù)進一步修正初值。類比時,應選用開采及地質(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)采動應力監(jiān)測工作應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)采動應力監(jiān)測頻率的確定應能及時、系統(tǒng)地反映監(jiān)測范圍內(nèi)應力值的動態(tài)變化過程，宜采用定時監(jiān)測，必要時應進行跟蹤監(jiān)測。

7.2 監(jiān)測期限

監(jiān)測期限應根據(jù)監(jiān)測等級確定，需長期監(jiān)測時在設置系統(tǒng)時應遠近結(jié)合。

7.3 監(jiān)測頻率

礦山采動應力監(jiān)測頻率應綜合考慮監(jiān)測等級、施工階段、周邊環(huán)境、自然條件變化和當?shù)亟?jīng)驗確定。當監(jiān)測對象相對穩(wěn)定時，可適當降低監(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。

當出現(xiàn)下列情況之一時，應提高監(jiān)測頻率，開工即進行連續(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)累計變化量或變化速率達到預警值；

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。

當出現(xiàn)可能危及工程和周邊環(huán)境安全征兆時，應實時跟蹤監(jiān)測。

8 監(jiān)測數(shù)據(jù)報警值

（報警值根據(jù)設計文件或咨詢意見）

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

（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)預警

根據(jù)安全風險特點，監(jiān)測項目按“分區(qū)、分級、分階段”的原則制定監(jiān)控標準，并安裝黃色、橙色、紅色預警進行反饋與控制：具體劃分標準見表8-1。

表8-1　三級監(jiān)測安全狀態(tài)判定表

（3）綜合預警

綜合預警的評價宜通過現(xiàn)場核查、會商或?qū)＜艺撟C等確定，其分級標準參考表8-2進行判定。

表8-2　綜合預警分級判定參考表

（5）監(jiān)測數(shù)據(jù)預警由各監(jiān)測實施單位報送發(fā)布或通過監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳遠程監(jiān)控信息系統(tǒng)后，依據(jù)設計控制值、相關技術要求確定的預警標準比對后及時予以發(fā)布。

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

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

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

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

1）核實預警信息；

2）分析預警原因，包含技術因素、環(huán)境因素、管理因素等；

3）判斷風險工程的安全狀態(tài)；

4）確定具體的工程處置方案。

（10）預警后，相關各方應對已發(fā)布預警的工程部位及工程環(huán)境加強監(jiān)測和巡視，積極參加風險處置方案的制定、提供相關建議并采取必要的措施進行風險處理，避免預警升級和風險事故的發(fā)生；有特殊要求的工程環(huán)境風險預警的風險處理應邀請產(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)測實施單位應進行監(jiān)測、巡視預警信息快速報送和發(fā)布；同時，應對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行合理分析預測，增大監(jiān)測、巡視頻率。報送內(nèi)容主要包括風險時間、地點、風險概況、原因初步分析、變化趨勢、風險處理建議等。預警信息快速報送應包括：近一周或近一月的施工監(jiān)測關鍵數(shù)據(jù)、工況和巡視信息的異常情況、風險預警情況、反饋意見落實情況及風險事務處理、效果、變化趨勢、存在問題、下一步風險處理建議等。

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

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

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

1）黃色預警應在現(xiàn)場確認后12小時內(nèi)通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)布，并確認通知到有關方；

2）橙色預警應在現(xiàn)場確認后6小時內(nèi)通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)布，并確認通知到有關方；

3）紅色預警應在現(xiàn)場確認后2小時內(nèi)通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)布，并確認已通知到相關單位負責人。

（15）各級預警相關方應積極響應，同時各相關方應將預警、響應及消警信息反映到當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)的真實性負責，監(jiān)測分析人員對監(jiān)測報告的可靠性負責，監(jiān)測單位對整個項目監(jiān)測質(zhì)量負責。監(jiān)測記錄和監(jiān)測技術成果均有責任人簽字，監(jiān)測技術成果加蓋成果章。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。如遇突變或進行持續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)將現(xiàn)場進行處理分析并及時告知各方。

2）觀測記錄、計算資料和技術成果整理

①當日的天氣情況和有關施工情況；

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

③巡視檢查的記錄；

④對達到或超過監(jiān)測報警值的監(jiān)測點應有報警標示；

⑤對巡視檢查發(fā)現(xiàn)的異常情況應有詳細描述，危險情況應有報警標示；