一、前言
加强顶板监测，实现及时预警是有效防治顶板灾害的重要手段之一，也是提高顶板管理水平、加强数字化矿山建设的重要方面。顶板灾害监测预警是在大量案例分析基础上，通过理论联系实际，研究顶板灾害致灾因素，确定预警指标和预警准则，通过实时捕捉和分析灾害发生前的先兆信息和变化特征，及时预警，以消除可能发生的灾害，避免人员和财产损失。
二、综采工作面顶板灾害监测关键技术
1.创新采用高可靠性“溅射薄膜压力传感器”，确保监测数据准确性。
针对井下湿度大、粉尘多、有爆炸性气体等特点，在对比钢弦式、压阻式、应变片式等传感器类型的基础上，某型号产品创新使用溅射薄膜压力传感器。该类传感器是即在10级超洁净空间中，利用离子束溅射技术，将绝缘材料、电阻材料、焊接材料以分子形式淀积在弹性不锈钢膜片上，再经过光刻、调阻，温度补偿等工序，在弹性不锈钢膜片表面上形成牢固而稳定的惠斯顿电桥。相比传统的人工或机器贴应变片式传感器，更耐久、更精确。
2.创新智能型传感器采样模式，实现了达秒级采样。
创新采用“智能型采样模式”，根据压力变化（0.1MPa）进行采样，最短2秒钟进行一次采样，能够将支架降、移、升全过程及顶板来压产生的瞬间动载准确记录。
3.研制了干扰能力强、电池持续供电时间长的系列无线监测设备。
基于460MHz无线射频技术、微功耗设计及大容量电池供电技术，开发了系列无线监测设备，实现了井下回采工作面稳定传输距离达30m，回采顺槽和掘进工作面稳定传输距离达100m，单块电池持续供电时间达180天。
开发了自组织路由协议，传输网络中任意一台设备故障，可自由选择传输路径，大大提高了无线传输的可靠性和稳定性。
4.开发了两级数据存储功能，确保监测数据的完整性、及时性。
系统传感器内部拥有闪存，线路故障后，闪存内能够存储7-15天的监测数据，当系统恢复后，自动上传闪存内的监测数据；系统分站拥有“U盘”存储功能，系统线路故障后，U盘能够存储至少1个月的数据，当系统恢复后，系统既可以自动上传分站内的U盘数据，也可以通过人工将U盘数据拷贝到数据库。
5.开发了矿压数据自动分析模型，实现了报表及报告的自动分析。
根据支架移架过程中的阻力变化特征，研发了初撑力及循环末阻力自动分析模型，根据安全阀开启时的“锯齿”型曲线牲，开发了安全阀开启率自动分析模型，分析界面如图1和图2所示。为显著提高矿压数据分析准确性和分析效率，开发了报表及报告的自动分析功能。
图1 支架初撑力和循环末阻力自动分析结果
图2 安全阀开启自动分析结果
6.基于B/S架构开发了顶板动态监测平台，实现了井下环网、地面局域网以及远程英特网的“三网”无缝对接，多工作面、多矿井的联合监测。
系统软件基于B/S架构，模块化开发理念，客户端无需安装复杂的监测软件，通过IE浏览器即可实时查看井下顶板安全状态；开发了信号转换器，实现了CAN总线信号通过RS485或者RJ45方式与以太环网的无缝对接；开发了数据采集与远程传输协议，实现了多矿井、多工作面的远程实时监测，显著提高了顶板监测水平。
三、综采工作面顶板灾害预警关键技术
通过研究国内近年来发生的顶板压架事故实例，包括伊泰酸刺沟矿、华能扎赉诺尔煤业公司铁北矿、霍州煤电干河矿、同煤塔山矿等，提出了10个采煤工作面顶板灾害预警指标：初撑力合格率、最大工作阻力、安全阀开启率、顶板来压步距、支架不平衡率、支架不保压率、增阻率、顶板循环下沉量、支架倾角以及地质构造等异常区域。
1.初撑力：是指支柱通过顶梁而给予顶板的主动支撑力。较大的初撑力有三个方面的作用，一是能使支架较快达到工作阻力，减小顶板初期下沉量，防止顶板早期离层破碎；二是提高基本顶铰接岩块的水平作用力和摩擦力，有利于基本顶形成暂时稳定的铰接结构，减少上覆岩层变形压力对支架载荷的影响。三是有利于支架提供足够的切顶力，促使顶板在移架后及时破断。初撑力水平低易导致工作面发生压架、漏冒或推垮事故。
2.支架最大工作阻力：不仅是分析工作面动载系数的关键指标，也是衡量支架额定工作阻力是否合理的重要依据之一。工作阻力越大，说明顶板破断时对支架造成的动载越大，要求支架具有较高的支护强度和让压性能。不合理的支架工作阻力易导致支架关键元部件损坏或者压死支架，甚至酿成顶板事故。
3.支架安全阀：安全阀有两个作用，一是卸荷作用，当工作面顶板压力超过支架额定工作阻力时，安全阀自动打开卸载，以保护液压支架不被压坏。安全阀的流量应与顶板的来压强度及立柱缸径相适应，如果安全阀的公称流量选择过小，顶板来压时支架的卸压速度达不到要求，液压支架也可能被压坏。二是卸荷后及时支撑，当顶板压力小于额定工作阻力时，安全阀关闭，以保持足够的支护力。安全阀开启率高反应支架对顶板载荷无法满足顶板来压的需要，易发生压架或者切顶事故。
4.顶板来压步距：顶板来压步距是反应工作面矿压显现强烈的重要指标，工作面来压步距越长，采空区悬顶面积越大，大面积垮落时造成的危害越大。工作面来压步距长易造成压垮型事故。
5.支架不保压：液压支架是综采（放）工作面三大重要装备之一，起着支撑顶板、维护作业空间安全的关键作用。支架工作性能能否充分发挥直接决定回采工作面的顶板是否安全。支架不保压，即支架的末阻力小于初撑力，这种工作状态表明支架工作阻力在采煤循环过程中呈下降趋势，顶板来压时不能有效发挥支撑顶板的作用，大面积支架产生不保压工况，极易造成工作面发生切顶或压架事故。
6.支架不平衡：即支架左（前）右（后）立柱受力不均匀，支架受偏载易损坏关键结构件，大范围支架处于不平衡状态时极易导致切顶压架事故。酸刺沟煤矿发生大范围压架事故的6上105-2工作面监测结果表明，事故发生前柱受力为后柱受力的2.18倍。
7.增阻率：增阻率为支架循环末阻力与初撑力的差值，增阻率不仅反映支架载荷增长程度，还反映支架与围岩的相互作用关系。研究表明，顶板下沉量与增阻率成正比，与底板-支架-顶板串联刚度成反比，增大初撑力可压缩底板浮煤和顶板破碎层，增加底板-支架-顶板串联刚度，增阻率分布在低的范围可能性越大，超有利于顶板控制。
8.顶板循环下沉量：指单个采煤循环过程中，液压支架从初撑力到循环末阻力期间的顶板位移量，顶板循环下沉量增加表明上位直接顶或者基本顶产生变形或破坏，易导致顶板离层，增加工作面片帮和冒顶概率。随着采煤工作面的推进，顶板循环下沉量叠加后极易导致顶板灾害发生，因此，顶板下沉量采煤工作面顶板控制的关键。
9.支架倾角：支架倾角指的是支架沿采煤工作面走向或者倾斜方向的倾斜角度。液压支架在井下受顶板、底板、采空区矸石以及相邻支架等各种水平和垂直外力的作用，易产生倾倒和歪斜现象，尤其是当煤层有角度或者顶底板不平整时，受力状态更加复杂，倾倒和歪斜难以避免。支架倾倒和歪斜后不仅会降低围岩支护效果，还会导致支架相互咬合、前移困难，降低工作面推进速度，如果控制不好，易造成局部冒顶事故。
10.应力和地质异常区域：上分层开采遗留煤柱等应力异常区域以及断层、陷落柱等地质异常区域是各类顶板事故易发区域，回采过程中应不仅对采场已探明异常区域的矿压显现情况进行实时预警，避免顶板来压与异常区域叠加导致顶板事故，还要随着工作面推进及时超前探测，及时预警。
四、应用实例
某煤业有限责任公司的主力生产矿井新二采区右三片工作面开采Ⅱ2a煤层，平均厚度13.9m，埋深340m，采用综合机械化放顶煤开采，设计割煤高度3.2m，平均放煤高度5.5m，工作面走向长1680m，倾斜长度165.5m，煤层倾角4～7°。直接顶为3.5～4.0m的劣煤与泥岩互层，较为稳定，基本顶为砂质泥岩和泥质砂岩互层，Ⅱ2a煤层顶板以上主要有4层砂岩含水层。
由于右三片综放工作面矿压显现强烈，频繁发生压架事故，没有加强顶板监测预警前，工作面最高月产仅21万吨，长时间不能实现年产300万吨的设计生产能力。通过采用某顶板灾害监测预警平台，对液压支架初撑力、末阻力、安全阀开启、不保压率、不平衡率等实现24小时不间断监测和预警，及时采取有效措施保证支架处于良好的工作状态。通过一段时间的实践，工作面顺利达产，年产量由原来的不足250万吨提高至350万吨。采取的主要措施如下：
1.提高初撑力水平。
通过加强移架工人培训，严格规范移架工操作，要求移架后必须稳定给液30秒以上，给足支架初撑力。通过更新泵站，保证乳化液配比，支架初撑力水平由原来的3287kN（占设计值的51%）提高至4818kN（占设计值的75%），支架上方顶板受力状态得到显著改善。
2.加强液压支架检修工作和放煤工艺管理，重新调定安全阀开启值。
加强支架密封、管路和安全阀的检修工作，共更换约20个支架密封件，12个不合格安全阀，重新设定6个安全阀的开启值。随着放煤量的增加，来压时工作面局部区域出现了冲击载荷，但通过采取杜绝将顶煤放空，提高支架工况等措施，工作面能够顺利度过顶板来压期。
3.加强矿压数据分析，加快推进速度。
通过对顶板来压和淋水量的实时监测，及时分析矿压和淋水量观测数据并预警，在顶板来压前通过降少放煤量，必要时降低采高，加快推进速度，保证工作面安全通过矿压显现强烈和涌水量大的地段。
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