系统建立背景
1 系统建立的目的和意义
煤炭产业对现代化建设的发展中仍有重要的作用。但是长期以来，我国煤矿安全事故频发，人员伤亡和财产损失严重，在国际和社会上造成极大的负面影响。 我国是世界上冲击地压和煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害严重的国家之一，冲击地压、煤与瓦斯突出及顶板大面积垮落等煤岩动力灾害严重制约着煤矿安全高效生产。目前我国近50%原国有重点煤矿受到冲击地压威胁；近100座煤矿受到冲击地压的严重影响。通过分析煤岩体应力状态与冲击地压的相关性可知，采动应力对冲击地压的影响是显著的，采动应力场及其分布特征在煤岩层冲击危险性评价具有重要的作用 。
煤矿行业是高危行业，安全开采是企业长期关注的重点。因此，采动应力的监测及采动应力场的研究对防治冲击地压、煤与瓦斯突出、煤壁片帮等煤岩动力灾害及工作面区域危险性评价、顶板控制、巷道支护等矿井安全生产有着极其重要的意义。
针对上述情况，武汉中地恒达科技有限公司自主研发了采动应力计，精度优于FS·0.005、分辨率优于FS·0.002、误差小于0.01MPa，能够对矿山内部采动应力进行实时监测。该应力计适用于监测煤矿、露天矿开采过程的边坡内部应力和支护结构应力且能够满足复杂环境下的监测，如煤体破坏严重、节理较为发育等地质条件下的采动应力实时监测。结合数据处理软件等技术，研发了一套采动应力实时监测系统，该系统能够实时自动监测采动应力随采掘影响的变化情况。
通过自主研发的采动应力监测系统对矿山重点区域的采动应力进行连续实时自动化监测，并结合数理统计、数值模拟等方法进一步研究了采动空间应力场的时-空演化规律及其对煤岩动力灾害的影响，所取得的研究成果不仅可以为揭示采动空间围岩应力场的分布特征及演化规律提供重要依据，还为煤岩动力灾害发生过程中的采动应力演化、冲击地压、煤与瓦斯突 出等煤岩动力灾害的防治及工作面区域危险性评价、顶板控制、巷道支护提供准确的现场应力资料。
2 系统建立依据
1）《冲击地压测定、监测与防治方法》（GB/T 25217.7-2019）；
2）《尾矿库在线安全监测系统工程技术规范》（GB51108-2015）；
3）《金属非金属露天矿山高陡边坡安全监测技术规范》（AQT 2063-2018）；
4）《岩土工程监测规范》（YS5229-96）；
5）《边坡防治工程设计与施工技术规范》（DZ/T0219-2006）；
6）《边坡防治工程勘查规范》（GB/T 32864-2016）；
7）《工程测量规范》(GB50026-2007）；
8）《定位系统（GPS）测量规范》(GBT18341-2016）。
3 系统概述
3.1系统介绍
为实现矿山采动应力监测自动化，武汉中地恒达科技有限公司凭借自身技术优势和实力，将传感器、物联网、云计算等技术相结合，综合分析实际情况，开发了适用于岩土体内部的应力自动化监测系统。系统可对边坡岩土体内部应力变化等进行连续监测，及时捕捉应力变化的特征信息，通过有线或无线方式将监测数据及时发送到监测中心，由专用的计算机数据分析软件处理，对岩土体的整体稳定性做出判断，快速做出预警预报，更加准确、有效地监测灾情发生，且可为保证地质安全和整治工程设计提供信息参考。
3.2系统组成
系统由采动应力传感器、配套映力装置、采集仪、供电系统、云平台组成。
云平台部署不受设备限制，也支持手机APP/微信小程序、客户端安装查询方式；具有单位管理、人员权限管理、设备配置、数据管理、数据图形分析、现场巡检日志、报表输出、地图定位快速查询、远程操作等功能。
IOT物联网云平台：设备在线状态及运行管理平台，可远程控制设备的重启、调整监测频率等；
GMS监测云：网页端及客户端监测云平台，可查看传感器数据、曲线；数据分析、自动报警、报表输出等。
监测小站：手机微信小程序，可实时查看现场传感器的状态、参数、数据等；
图3-1 GMS监测云平台介绍
3.3 监测云平台功能
1.基于通用的操作环境，具有可视化、图文并茂的用户界面、可方便的修改系统设置、设备参数及运行方式。
2.在线监测、离线分析、人工输入、数据库管理、数据备份、图形报表制作和信息查询和发布。
3.系统管理、安全保密、运行日志、故障日志记录等功能。
图3-2 云平台功能
3.4系统工作原理
采动应力监测系统通过采动应力传感器实时监测岩土体内部应力变化，数据通过有线传输至采集仪，使用4G/NB-IoT无线网络统一上传至云平台，云平台对数据进行处理和的分析，通过应力值变化判断土体动态压力变化，当应力值变化超过设定的阈值时，通过手机、短消息、APP等快速发出预警预报，及时自动发布消息到管理人员，尽快启动相应的预案，更加准确、有效地监测灾情发生。
设备安装及测点布设
4 监测设备
4.1产品概述
采用中地恒达ZDHD-CDYL进行矿区采动应力监测，ZDHD-CDYL采动应力传感器采用工业器件，性能稳定、可靠，外壳采用不锈钢材质，抗干扰，能够很好地监测采动应力变化，达到预防、预警的目的。适用于监测煤矿、露天矿开采过程的边坡内部应力和支护结构应力，是一款高性价比、高可靠性的采动应力传感器。
图4-1 ZDHD-CDYL 采动应力传感器
4.2主要技术指标
表4-1采动应力传感器主要技术指标
4.3 监测设备安装
安装根据钻孔情况分为水平安装和垂直安装两种，在安装时应确保映力装置下放到监测位置，钻孔直径建议50mm。
①将映力装置下放到孔内；
②加压；
③安装采集仪；
④确认将传感器线缆连接到采集仪上；
⑤平台查看数据。
图4-2 采动应力监测站安装示意图
5 监测点布设
监测网点布设参照《冲击地压测定、监测与防治方法》（GB/T 25217.7-2019）、《金属非金属露天矿山高陡边坡安全监测技术规范》（AQT 2063-2018）、《岩土工程监测规范》（YS5229-96）、《工程测量规范》(GB50026-2007）；
5.1 监测范围
依据冲击危险性评价结果,布置在巷道具有冲击危险的区域;其中,掘进巷道迎头后方监测范围不小于150m,采煤工作面超前巷道监测范围不小于300 m。
5.2 布设位置
1.应力传感器一般布置在煤层巷道或硐室的帮部,开孔位置距底板0.5m～1.5m。
2.已成型巷道应力传感器布置应在受采动应力影响前完成;其中,将受巷道掘进扰动影响的,应力传感器布置应在距离掘进迎头150m前完成;将受工作面回采扰动影响的,应力传感器布置应在距离工作面300m前完成。
5.3布设参数
5.3.1监测点深度
应力传感器的敏感元件应深入至巷道帮部应力集中区,同一监测组内不同监测点深度应有所区别。如图5-1所示,监测点深度应不少于两种,浅部监测点深度一般为1.5h～3h,深部监测点深度一般大于3h。对于巷帮塑性区宽度较大、应力集中区远离巷帮的巷道,应适当增大监测点深度。
图5-1 巷道帮部应力传感器布置图
5.3.2 监测点及监测组间距
同一监测组内相邻监测点沿巷道走向间距不大于2m。相邻监测组沿巷道走向间距不大于30m，其中强冲击危险区监测组间距不大于20m。
判别方法
6 冲击危险性的确定
6.1危险性判别指标
6.1.1应力 σ
监测点应力值,单位为兆帕(MPa)。
6.2 冲击危险的判别方法
6.2.1 冲击危险性判别
1.首先分别判别监测组内所有监测点的冲击危险性,然后根据各监测点判别结果综合确定监测组冲击危险性。冲击危险性判别结果分为:有冲击危险和无冲击危险
2.根据应力和应力变化率两项指标综合判别监测点冲击危险性,只要通过一项指标判别有冲击危险,则判别该监测点具有冲击危险。
3.浅部监测点和深部监测点的指标临界值应有所区别。
4.只要监测组内有一个监测点具有冲击危险,则判别该监测组具有冲击危险。
6.2.2冲击危险性判别指标临界值确定
可采用类比法设定采动应力监测指标临界值,再根据现场实际考察资料和积累的数据进一步修正初值。类比时,应选用开采及地质条件相似的冲击地压巷道。
监测期限及频率
7 监测期限及频率
7.1 一般规定
（1）矿区采动应力监测工作应贯通于矿山施工及安全生产全过程，监测期限宜从矿山施工前开始，直至变形趋于稳定后结束。
（2）矿区采动应力监测频率的确定应能及时、系统地反映监测范围内应力值的动态变化过程，宜采用定时监测，必要时应进行跟踪监测。
7.2 监测期限
监测期限应根据监测等级确定，需长期监测时在设置系统时应远近结合。
7.3 监测频率
矿山采动应力监测频率应综合考虑监测等级、施工阶段、周边环境、自然条件变化和当地经验确定。当监测对象相对稳定时，可适当降低监测频率，在无数据异常和事故征兆的情况下，自动化监测频率初步可按照1次/1d。
当出现下列情况之一时，应提高监测频率，开工即进行连续监测，直至连续3天的监测数据稳定。
a)监测数据累计变化量或变化速率达到预警值；
b)监测数据变化较快或者速率加快；
c)存在勘察未查明的不良地质条件，且可能影响工程安全;
d)支挡结构出现开裂;
e)周边地面突发较大沉降、不均匀沉降或出现严重开裂;
f)工程发生事故后重新组织施工;
g)出现其他影响工程及周边环境安全的异常情况。
当出现可能危及工程和周边环境安全征兆时，应实时跟踪监测。
8 监测数据报警值
（报警值根据设计文件或咨询意见）
（1）监测预警分为监测数据预警、巡视预警和综合预警三类。施工过程中每一类预警按照严重程度由小到大分为三个等级：黄色预警、橙色预警和红色预警。
（2）监测数据预警
根据安全风险特点，监测项目按“分区、分级、分阶段”的原则制定监控标准，并安装黄色、橙色、红色预警进行反馈与控制：具体划分标准见表8-1。
表8-1 三级监测安全状态判定表
（3）综合预警
综合预警的评价宜通过现场核查、会商或专家论证等确定，其分级标准参考表8-2进行判定。
表8-2 综合预警分级判定参考表
（5）监测数据预警由各监测实施单位报送发布或通过监测数据上传远程监控信息系统后，依据设计控制值、相关技术要求确定的预警标准比对后及时予以发布。
（6）巡视预警由各巡视单位根据巡视预警标准报送或在远程信息系统上独立发布。一方发布巡视预警后，在预警期内其他单位不得针对同一工程部位发布同类别、同一等级的巡视预警。
（7）综合预警由建设单位的风险管控部门依据工程的监测数据、现场巡视信息及风险状况评价，并结合现场复核、参考相关方提出的综合预警建议，经多方会商或专家论证等形式确定综合预警等级，形成综合预警建议报告报送建设单位相关主管部门批准后发布，并通知有关层级人员。
（8）监测数据预警、巡视预警和综合预警均通过远程监控信息系统发布；发布时，发布单位应明确发布预警的具体工程部位、现场风险状况、初步原因分析、可能诱发的风险事件、处置建议等，并附相关工程部位的现场照片等。
（9）各相关监测实施及管理单位应根据不同的预警级别分别组织不同层级的现场分析、处理会议。会议应包含以下内容：
1）核实预警信息；
2）分析预警原因，包含技术因素、环境因素、管理因素等；
3）判断风险工程的安全状态；
4）确定具体的工程处置方案。
（10）预警后，相关各方应对已发布预警的工程部位及工程环境加强监测和巡视，积极参加风险处置方案的制定、提供相关建议并采取必要的措施进行风险处理，避免预警升级和风险事故的发生；有特殊要求的工程环境风险预警的风险处理应邀请产权单位参加。
（11）施工过程中，出现报警状态时，各监测实施单位应进行监测、巡视预警信息快速报送和发布；同时，应对监测数据进行合理分析预测，增大监测、巡视频率。报送内容主要包括风险时间、地点、风险概况、原因初步分析、变化趋势、风险处理建议等。预警信息快速报送应包括：近一周或近一月的施工监测关键数据、工况和巡视信息的异常情况、风险预警情况、反馈意见落实情况及风险事务处理、效果、变化趋势、存在问题、下一步风险处理建议等。
（12）监理单位应及时分析、汇总和筛选监测单位的监测数据、巡视及预警信息，提出工程风险综合预警等级的判定建议提交建设单位风险管控部门。
（13）出现风险事件后，不得对发生风险事件的工程部位发布巡视预警或综合预警，但若风险事件可能引发次生灾害、邻近部位可能导致风险状况，可发布预警。
（14）监测数据预警、巡视预警、综合预警应按以下时间要求发布：
1）黄色预警应在现场确认后12小时内通过远程监控系统发布，并确认通知到有关方；
2）橙色预警应在现场确认后6小时内通过远程监控系统发布，并确认通知到有关方；
3）红色预警应在现场确认后2小时内通过远程监控系统发布，并确认已通知到相关单位负责人。
（15）各级预警相关方应积极响应，同时各相关方应将预警、响应及消警信息反映到当期的日报或周报或月报中。
信息反馈
9 信息反馈
1）量测人员对监测数据的真实性负责，监测分析人员对监测报告的可靠性负责，监测单位对整个项目监测质量负责。监测记录和监测技术成果均有责任人签字，监测技术成果加盖成果章。正常情况下监测完成以后将在12小时内将监测情况以电话短信的方式告知各方，36小时以内提交正式报告。如遇突变或进行持续监测，监测数据将现场进行处理分析并及时告知各方。
2）观测记录、计算资料和技术成果整理
①当日的天气情况和有关施工情况；
②仪器监测项目各监测点的本次测试值、单次变化值、变化速率以及累计值等，必要时绘制有关曲线图；
③巡视检查的记录；
④对达到或超过监测报警值的监测点应有报警标示；
⑤对巡视检查发现的异常情况应有详细描述，危险情况应有报警标示；
