基于无线移动传感器对围岩位移量监测的研究

朱云山

（山西宁武大运华盛庄旺煤业有限公司， 山西 忻州 036700）

随着煤矿的开采逐步向深部资源转移，巷道围岩所受应力变化明显，尤其是位于掘进工作面前50 m的位置易出现压力增大、变形严重的情况，具有垮落发生的危险性[1]。因此，加强巷道围岩压力的监测是保障煤矿安全生产及现有巷道长期稳定的关键环节[2]。

但目前巷道围岩的观测技术仍有一定的不足，巷道位移量、锚杆应力等数据的采集大多依靠人工进行，效率低下且缺乏针对性的研究[3]。对此本文提出无线移动传感器监测技术，具有低功耗、高精度数据传输稳定性强的特点，并根据巷道的实际条件设计了一种施工更加简便、快捷的布线方案。

1 无线围岩移动传感器的监测原理

无线围岩移动传感器是一种现代无线通信技术，结合了微型传感器的功能特点，近年来，作为有线传感器监测的补充在煤矿企业得到了大力的推广。在矿井生产过程中，无论新巷道的开拓或是废弃巷道的封闭都需要对传感器节点进行补充或拆卸，而无线移动传感器这可以在不改变拓扑结构的前提下极大的降低维护成本，并且具备施工快、安装简易的特点[4]。

无线围岩移动传感器网路具有拓扑动态变化，为了确保网络通畅并保持较低的功耗，将采用层次性的网络结构进行设计。巷道中传感器节点布置在网络底层，为系统采集数据，网络中的监测数据经过压缩、融合等处理后发送到汇聚结点，再然后通过有线传输方式进入中控机内对所采集的数据进行管理和分析，从而实现巷道围岩的实时监测[5]。

2 矿压观测的巷道布置

在对庄旺煤矿50201 运输顺槽进行掘进时，需要对巷道顶板、两帮进行矿压实施观测，根据所采集的数据及时进行锚杆扭矩力、锚杆拉拔力以及锚索预紧力、锚固力的排布及方案制定。

2.1 测点布置及观测方法

1）巷道顶板离层量观测。从50201 运输顺槽与运料绕道开口处设置1 个观测点，在巷道顶板正中安装矿用本安型无线围岩移动传感器进行观测，巷道每隔每50 m 布置一个测点，巷道交叉点、构造带处另加设矿用本安型无线围岩移动传感器。

2）顶底板相对移近量和两帮相对移近量测点布置。两帮的中部设点，与无线围岩移动传感器站点位置相同。在顶底板中部垂直方向和两帮水平方向分别进行打孔作业，孔深400 mm，直径30 mm。再在孔内嵌入木桩，观测变形量，底板和下帮木桩端部安设平头测钉。采用十字法用卷尺检测断面处顶底板和两帮的相对移近量。

3）锚杆、锚索的载荷及锚固力。巷道掘进过程中，用锚杆拉力计检测顶、帮锚杆锚固力，用锚索张拉机具检测锚索预紧力和锚固力，共需锚杆拉力计1台，预置式扭力扳手1 把，锚索张拉机具1 台。

2.2 矿用本安型无线围岩移动传感器安装方法、原理及注意事项

首先，用锚杆钻机打眼，如下页图1 所示，钻头采用规格为30 mm 的合金钢钻头和中空六棱钎子。打眼前先敲帮问顶，仔细检查顶部岩石情况，找掉活矸、危岩，确认安全后方可开始工作。在巷道中央布置钻孔，眼的位置要准确，垂直巷道顶板。保证矿用本安型无线围岩移动传感器测绳自然下垂，根据深部基点长度施工一个钻孔。

图1 围岩位移量传感器示意图

其次，进行深部基点安设：用安装杆将深部基点锚固器推入孔中设计位置（超出锚索锚固端1 m 以上），抽出安装杆后，手拉一下钢丝绳，确认锚固器已卡住。

然后，浅部基点：用安装杆推入浅部基点锚固器至2.1 m 处，抽出安装杆后用手拉一下钢丝绳，确认锚固器已固定住。全部装好后拉力线末端必须用螺丝固定，由技术员使用遥控器将深部与浅部初始读数调至0。

需要注意的是在矿用本安型无线围岩移动传感器工作前，需要进行初始化的校准工作，设置初始读数为0，最大离层量300 mm。矿用本安型无线围岩移动传感器安装位置距迎头不得超过3 m。需做到垂直顶板，从而保证离层仪拉力线自然下垂。

2.3 矿用本安型无线围岩移动传感器及观测管理

在使用矿用本安型无线围岩移动传感器进行数据存储时需定期设置预警值，巷道施工过程需保证传感器清洁完好，不受破坏，并按编号悬挂吊牌管理以便于观察。

3 工程应用效果

根据对庄旺煤矿50201 工作面中部的钻孔资料表明，煤层及顶板情况为：5 号煤平均厚12.4 m，直接顶为平均厚度为8.29 m 的泥岩，黑色泥岩，泥质结构，岩性密室，属较稳定岩层，适合锚杆支护；老顶为平均厚度约15 m 的灰色砂质泥岩，块状胶结紧密，局部细砂岩，灰黑色，含石英、白云母分选好，胶结紧密；直接底厚度平均约为1.15 m，以泥岩为主。

对50210 工作面围岩稳定性的监测点布置见图2，测点间距50 m，孔深400 mm。通过传感器的监测数据分析，初步判定50210 工作面应力主要集中在切顶线、构造带及端头附近，判定该煤层不受冲击地压的危险。工作面老顶来压步距约30 m，直接顶初次跨落步距约15 m，周期来压步距为20 m 左右。

图2 位移传感器布置图

4 结语

对巷道围岩稳定性的监控一直以来都是影响井下顶板支护工作的难点问题。本文通过无线围岩移动传感器的应用，实现了对庄旺煤矿掘进工作面前50 m 围岩应力、顶板位移、声发射等参数的实时监测，进而更好地研究巷道变形规律，具有成本低廉、数据传输速度快、准确率高的特点，对巷道保护煤柱的留设有参考意义。