系統建立背景

1 系統建立的目的和意義

煤炭產業對現代化建設的發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，人員傷亡和財產損失嚴重，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。目前我國近50%原國有重點煤礦受到沖擊地壓威脅；近100座煤礦受到沖擊地壓的嚴重影響。通過分析煤巖體應力狀態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 。

煤礦行業是高危行業，安全開采是企業長期關注的重點。因此，采動應力的監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域危險性評價、頂板控制、巷道支護等礦井安全生產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了采動應力計，精度優于FS·0.005、分辨率優于FS·0.002、誤差小于0.01MPa，能夠對礦山內部采動應力進行實時監測。該應力計適用于監測煤礦、露天礦開采過程的邊坡內部應力和支護結構應力且能夠滿足復雜環境下的監測，如煤體破壞嚴重、節理較為發育等地質條件下的采動應力實時監測。結合數據處理軟件等技術，研發了一套采動應力實時監測系統，該系統能夠實時自動監測采動應力隨采掘影響的變化情況。

通過自主研發的采動應力監測系統對礦山重點區域的采動應力進行連續實時自動化監測，并結合數理統計、數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律提供重要依據，還為煤巖動力災害發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域危險性評價、頂板控制、巷道支護提供準確的現場應力資料。

2 系統建立依據

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

2）《尾礦庫在線安全監測系統工程技術規范》（GB51108-2015）；

3）《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監測技術規范》（AQT 2063-2018）；

4）《巖土工程監測規范》（YS5229-96）；

5）《邊坡防治工程設計與施工技術規范》（DZ/T0219-2006）；

6）《邊坡防治工程勘查規范》（GB/T 32864-2016）；

7）《工程測量規范》(GB50026-2007）；

8）《定位系統（GPS）測量規范》(GBT18341-2016）。

3 系統概述

3.1系統介紹

為實現礦山采動應力監測自動化，武漢中地恒達科技有限公司憑借自身技術優勢和實力，將傳感器、物聯網、云計算等技術相結合，綜合分析實際情況，開發了適用于巖土體內部的應力自動化監測系統。系統可對邊坡巖土體內部應力變化等進行連續監測，及時捕捉應力變化的特征信息，通過有線或無線方式將監測數據及時發送到監測中心，由專用的計算機數據分析軟件處理，對巖土體的整體穩定性做出判斷，快速做出預警預報，更加準確、有效地監測災情發生，且可為保證地質安全和整治工程設計提供信息參考。

3.2系統組成

系統由采動應力傳感器、配套映力裝置、采集儀、供電系統、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、人員權限管理、設備配置、數據管理、數據圖形分析、現場巡檢日志、報表輸出、地圖定位快速查詢、遠程操作等功能。

IOT物聯網云平臺：設備在線狀態及運行管理平臺，可遠程控制設備的重啟、調整監測頻率等；

GMS監測云：網頁端及客戶端監測云平臺，可查看傳感器數據、曲線；數據分析、自動報警、報表輸出等。

監測小站：手機微信小程序，可實時查看現場傳感器的狀態、參數、數據等；

圖3-1 GMS監測云平臺介紹

3.3 監測云平臺功能

1.基于通用的操作環境，具有可視化、圖文并茂的用戶界面、可方便的修改系統設置、設備參數及運行方式。

2.在線監測、離線分析、人工輸入、數據庫管理、數據備份、圖形報表制作和信息查詢和發布。

3.系統管理、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系統工作原理

采動應力監測系統通過采動應力傳感器實時監測巖土體內部應力變化，數據通過有線傳輸至采集儀，使用4G/NB-IoT無線網絡統一上傳至云平臺，云平臺對數據進行處理和的分析，通過應力值變化判斷土體動態壓力變化，當應力值變化超過設定的閾值時，通過手機、短消息、APP等快速發出預警預報，及時自動發布消息到管理人員，盡快啟動相應的預案，更加準確、有效地監測災情發生。

設備安裝及測點布設

4 監測設備

4.1產品概述

采用中地恒達ZDHD-CDYL進行礦區采動應力監測，ZDHD-CDYL采動應力傳感器采用工業器件，性能穩定、可靠，外殼采用不銹鋼材質，抗干擾，能夠很好地監測采動應力變化，達到預防、預警的目的。適用于監測煤礦、露天礦開采過程的邊坡內部應力和支護結構應力，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 監測設備安裝

安裝根據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測位置，鉆孔直徑建議50mm。

①將映力裝置下放到孔內；

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平臺查看數據。

圖4-2 采動應力監測站安裝示意圖

5 監測點布設

監測網點布設參照《沖擊地壓測定、監測與防治方法》（GB/T 25217.7-2019）、《金屬非金屬露天礦山高陡邊坡安全監測技術規范》（AQT 2063-2018）、《巖土工程監測規范》（YS5229-96）、《工程測量規范》(GB50026-2007）；

5.1 監測范圍

依據沖擊危險性評價結果,布置在巷道具有沖擊危險的區域;其中,掘進巷道迎頭后方監測范圍不小于150m,采煤工作面超前巷道監測范圍不小于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

5.3.1監測點深度

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

圖5-1 巷道幫部應力傳感器布置圖

5.3.2 監測點及監測組間距

同一監測組內相鄰監測點沿巷道走向間距不大于2m。相鄰監測組沿巷道走向間距不大于30m，其中強沖擊危險區監測組間距不大于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.首先分別判別監測組內所有監測點的沖擊危險性,然后根據各監測點判別結果綜合確定監測組沖擊危險性。沖擊危險性判別結果分為:有沖擊危險和無沖擊危險

2.根據應力和應力變化率兩項指標綜合判別監測點沖擊危險性,只要通過一項指標判別有沖擊危險,則判別該監測點具有沖擊危險。

3.淺部監測點和深部監測點的指標臨界值應有所區別。

4.只要監測組內有一個監測點具有沖擊危險,則判別該監測組具有沖擊危險。

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測指標臨界值,再根據現場實際考察資料和積累的數據進一步修正初值。類比時,應選用開采及地質條件相似的沖擊地壓巷道。

監測期限及頻率

7 監測期限及頻率

7.1 一般規定

（1）礦區采動應力監測工作應貫通于礦山施工及安全生產全過程，監測期限宜從礦山施工前開始，直至變形趨于穩定后結束。

（2）礦區采動應力監測頻率的確定應能及時、系統地反映監測范圍內應力值的動態變化過程，宜采用定時監測，必要時應進行跟蹤監測。

7.2 監測期限

監測期限應根據監測等級確定，需長期監測時在設置系統時應遠近結合。

7.3 監測頻率

礦山采動應力監測頻率應綜合考慮監測等級、施工階段、周邊環境、自然條件變化和當地經驗確定。當監測對象相對穩定時，可適當降低監測頻率，在無數據異常和事故征兆的情況下，自動化監測頻率初步可按照1次/1d。

當出現下列情況之一時，應提高監測頻率，開工即進行連續監測，直至連續3天的監測數據穩定。

a)監測數據累計變化量或變化速率達到預警值；

b)監測數據變化較快或者速率加快；

c)存在勘察未查明的不良地質條件，且可能影響工程安全;

d)支擋結構出現開裂;

e)周邊地面突發較大沉降、不均勻沉降或出現嚴重開裂;

f)工程發生事故后重新組織施工;

g)出現其他影響工程及周邊環境安全的異常情況。

當出現可能危及工程和周邊環境安全征兆時，應實時跟蹤監測。

8 監測數據報警值

（報警值根據設計文件或咨詢意見）

（1）監測預警分為監測數據預警、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）監測數據預警

根據安全風險特點，監測項目按“分區、分級、分階段”的原則制定監控標準，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　三級監測安全狀態判定表

（3）綜合預警

綜合預警的評價宜通過現場核查、會商或專家論證等確定，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）監測數據預警由各監測實施單位報送發布或通過監測數據上傳遠程監控信息系統后，依據設計控制值、相關技術要求確定的預警標準比對后及時予以發布。

（6）巡視預警由各巡視單位根據巡視預警標準報送或在遠程信息系統上獨立發布。一方發布巡視預警后，在預警期內其他單位不得針對同一工程部位發布同類別、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工程的監測數據、現場巡視信息及風險狀況評價，并結合現場復核、參考相關方提出的綜合預警建議，經多方會商或專家論證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布，并通知有關層級人員。

（8）監測數據預警、巡視預警和綜合預警均通過遠程監控信息系統發布；發布時，發布單位應明確發布預警的具體工程部位、現場風險狀況、初步原因分析、可能誘發的風險事件、處置建議等，并附相關工程部位的現場照片等。

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

1）核實預警信息；

2）分析預警原因，包含技術因素、環境因素、管理因素等；

3）判斷風險工程的安全狀態；

4）確定具體的工程處置方案。

（10）預警后，相關各方應對已發布預警的工程部位及工程環境加強監測和巡視，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生；有特殊要求的工程環境風險預警的風險處理應邀請產權單位參加。

（11）施工過程中，出現報警狀態時，各監測實施單位應進行監測、巡視預警信息快速報送和發布；同時，應對監測數據進行合理分析預測，增大監測、巡視頻率。報送內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測關鍵數據、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）監理單位應及時分析、匯總和篩選監測單位的監測數據、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）出現風險事件后，不得對發生風險事件的工程部位發布巡視預警或綜合預警，但若風險事件可能引發次生災害、鄰近部位可能導致風險狀況，可發布預警。

（14）監測數據預警、巡視預警、綜合預警應按以下時間要求發布：

1）黃色預警應在現場確認后12小時內通過遠程監控系統發布，并確認通知到有關方；

2）橙色預警應在現場確認后6小時內通過遠程監控系統發布，并確認通知到有關方；

3）紅色預警應在現場確認后2小時內通過遠程監控系統發布，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）量測人員對監測數據的真實性負責，監測分析人員對監測報告的可靠性負責，監測單位對整個項目監測質量負責。監測記錄和監測技術成果均有責任人簽字，監測技術成果加蓋成果章。正常情況下監測完成以后將在12小時內將監測情況以電話短信的方式告知各方，36小時以內提交正式報告。如遇突變或進行持續監測，監測數據將現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儀器監測項目各監測點的本次測試值、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對達到或超過監測報警值的監測點應有報警標示；

⑤對巡視檢查發現的異常情況應有詳細描述，危險情況應有報警標示；