采空区上覆岩层位移监测预警系统及充填关键部件

1、所属领域

安全生产

2、适用范围

金属非金属矿山开采安全

3、基本原理

采空区上覆岩层位移监测预警原理：位移监测分两种类型，一种是直接的顶层位移变化，另一种是地表覆盖层的位移变化；前者的主要测量设备由埋入式为主，通过总线的方式送到计算中心，根据经验等参考数据设定报警值，在危险发生前发出警报；后者的测量设备主要为固定式地表设备，如GPS发射接收机等。各个监测点设备之间通过光纤或者无线网桥的方式传送数据，最后由卫星传输到远程终端中心，解决了数据长距离传输的限制，最后经过专业的去干扰软件分析计算，根据经验等参考数据设定报警值，以网络和无线数据的方式发布，有利于危险发生时更快捷、多渠道的通知和疏散。

充填用高速搅拌机工作原理：经过双轴搅拌机初步搅拌的混合物料通过进料口落到旋转的转子杆上，高速搅拌机内的内外两圈转子杆以不同的线速度转动，使与转子杆相互作用的混合物料颗粒也具有不同的速度和运动方向。在对混合料机械作用的过程中，使得固体成分与水相互作用形成的凝聚体遭到破坏。同时，由于不对称高速转子杆的强力作用，使水泥颗粒相互碰撞，暴露出新的表面，强化了水泥的水化作用，从而制备出流动性好、浓度高的均质充填料浆。

4、关键技术与装备

地面监测设备和卫星的实时、大数据量、无故障通信交换技术；

监测传感数据的定位算法、扰动信号抗干扰剔除识别；

警系统的网络发布和查询、通知功能；

主要软件功能包括：（1）数据分析是其核心部分。AMS算法：模型使用Kalman滤波器对GPS差分解算中的随机误差进行处理，以削弱观测噪声获取最优状态估计。（2）对各监测方向设置预警限值，当监测数据达到限值时便启动报警功能，并且根据不同条件设置不同的报警级别，并通过及时的通信工具发布。（3）监测点位移传感数据的管理与统计分析，矿区设计地图显示与GIS地图管理，监测预警与信息发布，用户管理，远程访问控制等。

从选材、加工工艺和表面处理等方面对关键零部件进行优化设计，大大提高了设备的耐磨性能，有效延长了整机的使用寿命，其平均寿命可达到35000～40000m³的搅拌矿浆的过流量；

在整机装配体的轴向、径向间隙处，合理选用垫密封、胶密封、填料密封、油封等密封方式，使得整机的工作效率大大提高；

该机型采用上下圆筒整体、两端开箱的结构，使得整机装拆、检修工作大大简便，提高了设备的运转率；

通过整机和关键零部件的优化设计，使得搅拌的充填料浆浓度达到80%以上，生产能力可达80m³/h。

5、工艺流程

监测系统由监测中心、GPS参考站、GPS监测站、通讯部分、供电部分、避雷部分组成。

监测中心实现数据的自动化采集、解算、管理、分析、预警、WEB发布。设备为高性能计算机服务器和大屏幕显示器等。

通过在需要选定的监测区域中，安装合适的监测传感器，该传感器能很好的反映位移沉降的变化，然后选择GPS参考点位置，做好布点。

通讯部分：系统可以根据测环境，灵活选用有线和无线（GPRS\CDMA\无线网桥）多种通讯方式；供电部分可采用市电或太阳能供电两种方式。　　

做好防雷，建立防雷系统，保证检测设备、供电系统，通信系统等正常运行。

充填用高速搅拌机作为充填系统的关键设备，可与双轴卧式搅拌机组成充填系统的搅拌双核，经过高速搅拌机强烈的剪切、撞击、粉碎，使得到达充填管的料浆匀质、流动性好。

6、主要创新点

采用三维监测点布置方式，建立地面监测设备和卫星之间的通信，将双星测量数据发送到远端监控中心，解决了传统数据传输技术远距离数据传输存在的难点。

采用具有滤波法去噪的AMS动态解算法处理监测数据，研究出以混合型网络预警方式发布监测结果的技术。

从选材、加工工艺方面对高速高效搅拌机的设备壳体与转子进行了特殊耐磨处理，有效提高了设备使用寿命至40000m³的搅拌矿浆；整机结构为左右分开式加转子转盘结构使得搅拌机维护与升级更简便；不对称与高速转动的转子保证了搅拌物料更为均匀并有更好的流动性；良好的密封性能使得设备的工作效率大大提高。

7、主要技术指标及同类技术对比情况

对变形位移监测的精度达到厘米级别，实现危险区域的全天候精细监测，对监测过程中超出安全范围的危险移动距离，100%作出及时报警；

通过对算法的优化，保证对监测数据有效性的剔干扰达到99%；

整套监测设备使用故障率1‰以下，报警通知误报率为1‰以下保障准确运行；

相比较传统的其他位移测量方法（比如：应力感应、全站仪、光测距等），GPS监测有以下优势：（1）不受气候的影响，信号直接对天空发射；（2）可实现全天候、不间断的三维高精度测量，测量信号根据系统设置自动定时接收和发送；（3）测站间无需保持通视，量程大，参考站和监测点距离基本不受限制，可进行大范围监测，由于对天空参考距离太大，因此对地球上的任何点直接距离可以忽略不计；（4）系统集成度比较高，易于实现全系统的自动化，无人值守，实时掌握监测物体三维变化；（5）实现地面监测设备和卫星的实时、大数据量、无故障通信交换技术。

高效高速充填料搅拌机搅拌出的充填料浓度高达80%，使得充填料浆混合均匀、流动性好；

通过合理的选型和结构优化设计，高效高速充填料搅拌机的易损件使用寿命≥6个月；

高效高速充填料搅拌机的生产能力：40～80m³/h；

目前市场上出现一些充填高速搅拌设备，本研究项目高效高速充填料搅拌机与同类设备相比较，具有以下优点：

（1）拆装、检修方便，传统搅拌设备大多为上下半圆对开机壳，更换零部件时必须将整机从生产线上拆下，耗时耗力。在本高速搅拌机整体结构上采用左、右端盖密封的形式，上下整体、两边加端盖的结构，壳体为整体圆筒形（类似于电机定子结构），壳体入料口、出料口和上下端口连接。设备更换零件时，只需拆卸一端端盖，即可将转子部件整体从壳体内腔中抽出，进行相关零件的更换，无需将高速搅拌机整体从生产线上拆下，使得设备的检修时间相比同类设备解决50%以上。

（2）耐磨性好，以往的搅拌设备磨损快，尤其是转子两端的转子盘和转子杆座，本设备从材质和参数上解决磨损过快问题，如与搅拌颗粒接触的部件壳体采用耐磨材料整体铸造而成，在高速搅拌机壳体上喷涂可更换的聚氨酯耐磨层，在内外两层搅拌转子杆上热喷碳化钨，这将大大提高设备的使用寿命，根据现场工业试验情况，该设备的平均使用寿命可达到35000～40000m³的搅拌矿浆的过流量。

（3）密封性好，同类设备大多出现两端出轴的密封处时有漏浆，合理选用垫密封、胶密封、填料密封、油封等动静密封方式，在零部件相互间的接触部位装有O型圈、盘根、毛毡密封圈等密封件，密封件品牌选用国际知名的NOK品牌，大大提高了设备的整体密封性能，有效解决了搅拌设备的漏浆问题。

8、典型实例及成效

地表岩移监测技术的发展，能准确的监测采空区上方位移的变化，在灾难发生的初期阶段发出报警，给人员逃生和财产转移提供了时间，很好的降低灾害发生的破坏后果。正是由于该项技术的通用性，也可以应用在很多的其它场合，比如：城市地表沉降位移的监测、矿区地表以下采空区的沉降监测、矿山尾矿坝坝体的水平和沉降位移监测、以及沿海城市海平面线的高低监测。项目研究成果已经在青阳县皖南矿业有限公司、在马鞍山钢铁集团姑山地面沉降监测系统、马鞍山钢铁股份有限公司尾矿库在线监测系统等地应用。该项技术的使用，使得现场原来监测人员的数量得以减少、人工测量成本及损耗得以节约，另外还降低了在人工测量过程中造成的意外工伤等情况，节约了生产成本。通过该技术长时间的测量使用，及时的对危险区域监测并报警，降低了生产过程中的灾害发生；同时对重点监测区域大数据分析，得出该范围内的地质变形曲线，根据该结构变化趋势的分析，能够预测出塌陷的发生时间，避免了矿山大设备的损坏和人员受伤情况，大大方便了生产。

国内采空区充填技术应用越来越广，在充填过程中搅拌是最关键的一道工序，由于充填料要求的特殊性，因此老式的搅拌设备不适应矿山充填搅拌，而且使用维护成本高。采空区充填用高效高速搅拌机正是解决上述问题，可以实现充填过程中搅拌的安全高效，并且使用维护简单便宜，而且减少因搅拌不均而引起充填系统的事故。因此保证矿山顺利生产以及减少备品备件的使用将会起到极大作用，为矿区创造巨大的经济效益和社会效益。

天长市天兴矿业有限公司等多家矿山企业成功应用，从设备的使用效果来看，经本高速搅拌机搅拌后的料浆浓度高、流动性好、混合均匀、管道输送阻力小，搅拌效果十分明显。整机左右开端盖的结构使得装拆十分简便，相比同类设备节约50%以上的检修时间，经济效益显著。

9、推广应用前景

项目任务完成后，将开发出适用于矿山大面积空区的地表监测系统，尤其在地质灾害波动频繁、地质活动活跃、监测范围大的区域，该套系统的优势更为明显，其先进的地面发射装备、最优化的算法；对干扰数据的剔除，以及最适应状态的建模补充。利用广泛的太空北斗卫星，实现全天候、全区域的通信联系，并且在精度上达到厘米级别、测量出最微弱的地表变动。并且改系统通过多次反复不断的实验，系统有很可靠的稳定性。

同样，在选矿过程中形成的尾矿坝也有溃坝的危害，而其中的一个重要原因可能是坝基滑坡造成的。尾矿库崩坝会给下游的村庄、人员和人民财产造成就巨大的损失。现在国家规定在二级库以上的都需要建立在线监测系统。当今城市局部地区的塌陷的问题和危害也显现出来，由于地壳运动或者地下建设的增多，很多的城市都出现了城市道路部分塌陷，给居民的生命和财产造成了很大的损失。因此，加强采空区的位移监测，避免类似灾害事故发生，显得十分迫切和必要。

随着金属矿产资源需求的增加和对采矿安全、环境保护重视程度的提高，采用充填方法开采矿产资源越来越普遍。通过对井下采空区的及时回填，能有效地控制矿床开采引起的低压灾害，缓解岩爆威胁，有效地保护地表耕地和矿山地质环境，实现安全、高效的开采。本项目研发的高速高效搅拌机是制备高浓度充填用浆料的最重要的设备，其通过搅拌轴带动耐磨片和转子的高速旋转，对高浓度全尾砂胶结充填料浆实施强力的击打、剪切、混合后能制备出混合均匀、流动性良好、输送阻力小、流动性能好的料浆，对充填效果具有重大的意义。

综上可见：该技术在市场上有很大的应用需求，市场前景广泛。

10、专利及获奖情况

获2项专利。

来源：中国冶金矿山企业协会

排版：吴 玥

监制：赵 鹏