[科普中国]-矿山压力

矿山压力指地下岩体在采动以前，由于自重的作用在其内部引起的应力，通常称为原岩应力，因为开采前的岩体处于静止状态，所以原岩体是处于应力平衡状态，当开掘巷道或进行回采工作时，破坏了原来的应力平衡状态，引起岩体内部应力的重新分布，重新分布的应力超过煤岩的极限强度时，使巷道和回采工作面周围的煤，岩发生破坏，这种情况将持续到煤，岩内部重新达到新的应力平衡为止。

基本简介在矿体没有开采之前，岩体处于平衡状态。 当矿体开采后，形成了地下空间，破坏了岩体的原始应力，引起岩体应力重新分布，并一直延续到岩体内形成新的平衡为止。 在应力重新分布过程中，使围岩产生变形、移动、破坏，从而对工作面、巷道及围岩产生压力。 通常把由开采过程而引起的岩移运动对支架围岩所产生的作用力称为矿山压力。

在矿山压力作用下所引起的一系列力学现象，如顶板下沉和垮落、底板鼓起、片帮、支架变形和损坏、充填物下沉压缩、岩层和地表移动、露天矿边坡滑移、冲击地压、水与瓦斯突出等，均称之为矿山压力显现。

在矿山生产过程中，由于对矿山压力显现观测预报不及时和处理不当所引起的生产事故，对矿山企业安全生产和矿工的人身安全构成了极大的威胁。 事故处理需要花费巨大的财力、物力和精力。 因此，矿山压力的实时监测和预警对矿山生产安全和预防采矿事故的发生起到至关重要的作用。为进一步改善当前矿山生产中矿山压力检测手段的落后现状，设计了一套矿山压力自动检测系统，以便对矿山压力进行实时监测并进行预警处理。1

与矿山压力有关的安全事故极顶冒顶

冲击地压

透水事故2

矿山压力假说⑴掩护“拱”假说

1自然平衡拱假说

2压力拱假说

⑵掩护“梁”假说

1“悬臂梁”假说

2“预生裂隙梁”假说

⑶铰接岩块假说

用冒落法管理顶板的采场，支架上的压力显现是由两部分岩层的运动所决定的。

⑷砌体梁假说

在老顶岩梁达到断裂步距之后，随着工作面的继续推进，岩梁将会折断，但断裂后的岩块由于排列整齐．在相互回转时能形成挤压，由于岩块间的水平力以及相互间形成的摩擦力的作用，在一定条件下能够形成外表似梁实则为半拱的结。这种平衡结构形如砌体，故称之为砌体梁。2

相关理论⑴关键层理论

⑵以岩层运动为中心的矿山压力理论

矿山压力检测系统结构设计系统体系结构设计根据矿山安全监控相关标准的要求和矿山生产企业的实际需要，系统采用集中式和分布式相结合的运行模式，即井上设置监测主机井下主通信干线采用CAN总线的通信方式。 井上监测主机采用以太网完成和本地监测辅机与本地数据库服务器的数据通讯，本地数据库服务器为远程客户终端提供WEB浏览器服务，以方便实现管理人员随时随地及时了解当前压力监测数据。 井下主通信干线采用CAN总线通信方式将各监测分站连接起来，每个监测分站采用RS485实现与信号变送器之间的通信。

井上监控分站与井下监控分站的通信采用光纤或电缆的连接方式实现。 采用光纤方式时，光纤传输RS232信号到井下后，再转成CAN信号实现与井下主通信干线的连接，采用电缆方式时，直接传输CAN信号到井下与主通信干线连接。 根据实际应用情况的不同，可方便选择任一连接方式。

系统设计中井下系统最多可设置32个监控分站，每个监控分站可提供8个RS485通道用来连接不同类型的变送器，包括位移变送器、锚索测力变送器、支架压力变送器、钻孔应力变送器等。 各变送器将传感器模拟信号转换为数字信号后，通过RS485总线将数据传输至监测分站，监测分站再将数据汇总后送至井上监测主机。

系统结构图参见图11

系统组成硬件部分设计硬件组成部分主要包括井下监控分站、各类型变送器（传感器）3及井上计算机。 下面主要介绍自行研发的监控分站和变送器。

井下监控分站监控分站采用高性能嵌入式MCU通过自身的8路RS485通道接收变送器采集到的实时数据，并将数据传输至井上计算机系统。 监控分站使用液晶显示器，提供了直观的显示界面以方便井下工作人员及时了解当前数据信息。

矿山压力检测系统的功能实现井下监控分站上电后，启动自检程序，依次巡检8个RS485通道，查找当前分站挂接的各种变送器并确认当前变送器工作是否正常，自检完成后，即进入正常工作方式。

井上系统采用主辅双计算机同时工作，分别工作于主机、辅机2种状态。 主机和辅机同时接收井下分站上传的实时数据，并同时进行实时数据的本地数据库存储、实时数据列表显示、历史曲线回放等数据处理。 由主机将实时数据写入数据库服务器中的实时数据库中。 主机通过RS232端口定时发出轮询（polling）信号，辅机定时监听主机发出的轮询信号，如果缺省时间（缺省15s）内没有监听到主机发出的轮询信号，辅机自动切换为主机工作方式。

主辅机的切换操作通过控制与RS232端口连接的信号转换器切换完成。 主辅机软件启动初始化时，首先监听是否有主机发出的轮询信号。 缺省时间（缺省10s）内如果监听到轮询信号，则将该机设定为辅机工作方式，如果未能听到轮询信号，则将该机设定为主机工作方式。为提高系统的安全可靠性，井上计算机采用工业控制计算机，以保证计算机在恶劣工况下的正常工作。 同时启动工控机的看门狗（watch dog）功能，当监测软件正常工作时，定期给看门狗发送信号，在设定的时间内，如果看门狗未能收到信号，则重启计算机，自动启动监测软件重新开始工作，从而避免了由于软硬件死机造成的实时数据丢失。

监测主辅机采用windows server 2003作为操作系统平台能够提供较高的易用性、安全性和可靠性。 采用windows SQL server 2005企业版作为数据库服务器平台可有效管理系统长期不间断运行产生的大量实时数据。1

矿山压力监测系统软件设计矿山压力监测是对各种矿山压力检测区的环境状态和各点的压力数据的实时采集、报警和记录分析的计算机系统。

系统的主要功能模块包括

①用户权限管理子系统

②实时数据监控子系统

③历史数据管理子系统

④工作参数设定子系统

⑤定位子系统

⑥WEB浏览服务子系统等1

本词条内容贡献者为:

邱昆峰 - Research Fellow - Colorado School of Mines, USA