一、项目概况
1. 项目背景
某大型井工煤矿（年产800 万吨）井下巷道支护锚杆 / 锚索、综采工作面液压支架连接螺栓、掘进机 / 刮板输送机关键紧固螺栓，长期受振动、矿压、围岩变形影响，易出现预紧力衰减、松动、断裂等隐患。传统人工扭矩扳手巡检效率低、数据不准、无法实时预警，曾发生螺栓松脱导致设备停机、顶板局部离层等安全事件。
为落实矿山智能化建设与安全生产要求，该矿引入无源无线螺栓预紧力监测系统，对关键螺栓 / 锚杆进行 24 小时在线监测，实现隐患提前预警、运维数字化、安全可控。
2. 监测对象
- 井下回采巷道、掘进巷道锚杆 / 锚索（φ20/22mm，长度 4~3.0m）
- 液压支架顶梁、掩护梁、底座连接高强螺栓（M30~M48）
- 掘进机截割臂、刮板输送机机头机尾关键紧固螺栓
- 总监测点位：320 点
3. 核心需求
- 实时监测螺栓预紧力 / 部分振动异常自动分级预警
- 无源无线、免布线、免电池，适配井下防爆、潮湿、粉尘环境
- 安装便捷，不改变原有结构，兼容标准螺栓 / 锚杆
- 数据上传矿用本安型监控平台，支持历史追溯、报表导出
- 符合矿用产品安全标志（MA）与防爆要求
二、系统方案（核心）
1. 技术原理
采用一体化智能传感，将压力敏感元件、信号调理、无源射频单元集成于标准金属内，直接替换原有平垫圈。通过螺栓预紧力作用于产生微应变，转换为电信号，经无源无线（RF/LoRa） 传输，无需外接电源与布线，实现预紧力实时感知。
2. 系统组成
- 智能传感：矿用本安型，量程 0~500kN，精度 ±1% FS，厚度与标准一致，M16~M48 全规格覆盖，防爆等级 Ex ib I Mb。
- 矿用本安型采集基站：井下安装，无线采集数据，本地缓存，以太网 / 光纤上传。
- 传输网络：井下工业以太网 + 无线 LoRa，覆盖全监测区域，抗干扰强。
- 监控平台（PC / 移动端）：数据可视化、实时曲线、预警弹窗、历史查询、运维工单、报表生成。
- 声光预警装置：井下现场异常就地报警。
3. 方案亮点
- 无损替换：直接替换普通，不改动螺栓、锚杆、支护结构，安装≤5 分钟 / 点。
- 无源免维护：无电池、无布线，杜绝井下电气隐患，全生命周期免更换。
- 高可靠：IP68 防护，耐潮湿、粉尘、腐蚀、强振动，适应 - 20℃~60℃井下环境。
- 实时预警：阈值自定义，支持松动预警、衰减预警、过载预警三级响应。
- 矿用合规：全设备具备 MA 安全标志，满足煤矿安全规程要求。
三、实施部署
1. 部署步骤
- 点位筛选：按矿压监测规范与设备关键路径，确定 320 个核心监测点，建立点位台账。
- 现场安装：加装传感器，按标准扭矩复紧；安装采集基站与预警装置。
- 网络调试：配置无线信道、采集频率、预警阈值，联调平台。
- 试运行：连续 7 天数据校准，优化阈值，培训运维人员。
- 正投用：24 小时在线监测，纳入矿井安全监控体系。
2. 工期与人力
- 总工期：15 天
- 现场施工：3 人 / 组，2 组并行
- 培训：2 次，覆盖安检、机电、运维班组
四、应用效果与效益
1. 安全效益
- 螺栓松动 / 断裂隐患提前 2~24 小时预警，杜绝恶性事故。
- 取消高危区域人工巡检，减少井下作业风险80%。
- 锚杆预紧力合格率从72% 提升至 98%，支护稳定性显著提升。
2. 运维效益
- 巡检效率提升90%，从人工逐点排查转为平台远程监控。
- 运维成本降低45%，减少备件浪费与非计划停机。
- 设备平均无故障时间（MTBF）提升35%。
3. 管理效益
- 全生命周期数据可追溯，为支护设计、设备维护、矿压分析提供数据支撑。
- 实现被动抢修→主动预警→预测性维护转型，推动矿山智能化升级。
- 符合国家煤矿智能化建设标准，通过上级安全检查与智能化验收。
五、典型预警案例
- 案例 1：回采巷道某锚索监测点预紧力持续衰减，系统黄色预警。现场核查发现围岩变形加剧，及时补打锚索，避免顶板离层扩大。
- 案例 2：掘进机截割臂螺栓预紧力突变下降，系统红色预警。立即停机检查，发现螺栓裂纹，更换后恢复生产，杜绝截割头脱落风险。
- 案例 3：液压支架连接螺栓预紧力缓慢衰减，系统橙色预警。按提示复紧，消除振动松脱隐患。
六、总结
无源无线螺栓监测系统，以结构兼容、无源可靠、实时预警为核心优势，完美适配矿业井下复杂工况，解决传统螺栓监测痛点。本项目实现安全、效率、成本三重提升，为井工煤矿支护与关键设备紧固安全提供可复制、可推广的智能化解决方案，是矿山数字化转型的典型应用。
