礦井頂板災害預警系統(tǒng)的應用及優(yōu)化研究

陳 峰

（山煤集團豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041203 ）

礦井五大災害中，頂板災害是最嚴重的災害之一[1-2]。在我國，煤礦頂板事故以及頂板災害在煤礦各類事故災害比例中一直居于前列，主要是因為頂板事故甚至頂板災害發(fā)生的區(qū)域性廣，頂板控制難度大。數(shù)據(jù)顯示，僅在2014年，全國煤礦發(fā)生的事故災害以及因事故死亡人數(shù)分別為510起和921人，頂板事故發(fā)生的次數(shù)和因該事故而死亡的人數(shù)分別為196起和292人，分別占全國煤礦總事故和總死亡人數(shù)的38.4%和31.7%[3-4]。礦井頂板事故發(fā)生后，往往還會引發(fā)井下其他事故的發(fā)生，如設備損害、瓦斯災害等。因此，加強頂板監(jiān)測及頂板管理已成為煤礦生產過程中必不可少的工作之一[5]。

山西豹子溝礦1201工作面位于背斜軸部附近，斷裂構造及頂、底板裂隙較為發(fā)育，頂?shù)装鍘r層較為破碎，加之頂板水的影響，在工作面開采過程中會面臨著工作面頂板來壓規(guī)律不清晰、回采巷道受超前支承壓力影響礦壓顯現(xiàn)特征異常等難題。因此，加強工作面頂板來壓規(guī)律監(jiān)測、工作面煤壁前方超前支承應力監(jiān)測及巷道受采動影響的動態(tài)來壓影響監(jiān)測分析具有重要意義。

1 礦井頂板控制基礎理論研究

1.1 反映采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的主要物理參數(shù)

反映采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的主要物理參數(shù)主要有頂板狀態(tài)參數(shù)、采場支護參數(shù)。其中最主要為頂板狀態(tài)參數(shù)，包括頂?shù)装逡平俊⒍嗣婷案呒绊敯迮_階下沉量，參數(shù)的大小，直接影響工作面礦壓顯現(xiàn)。

（1）頂?shù)装逡平?/p>

對于頂?shù)装逡平康睦碚撚嬎悖壳坝袃煞N估算方法：

①按煤層采高及控頂距估算，可根據(jù)上覆巖層移動規(guī)律，可以得出頂?shù)装逡平颗c煤層采高、控頂距成正比關系，即頂?shù)装逡平縎LD計算公式為：

式中：

SLD-頂?shù)装逡平浚琺m；

M-煤層采高，m；

LD'-最大控頂距（煤壁至密集支柱、域柱或末排柱的距離），m；

η-下沉系數(shù)。

②按垮落帶或裂隙帶老頂?shù)南鲁亮抗浪悖畲罂仨斁嗵庬數(shù)装逡平坑嬎愎綖椋?/p>

式中：

Δh-頂?shù)装逡平浚琺m；

H-采深，m；

LD'-最大控頂距，m；

LKn'-破斷距，m。

應當指出，為進行支柱選型而估算的頂板移近量，與保持頂板處于良好狀態(tài)的頂?shù)装逡平浚鋬群遣煌摹?/p>

（2）端面冒高和頂板臺階下沉量

端面冒高不僅與頂板巖性有直接關系，也會因支護強度、支護方式的不同而不同。根據(jù)原西德對此問題研究的結論，端面冒高與支護強度有關的界限為300mm，當端面冒高小于300mm時，只與直接頂巖性有關，當冒頂高度大于300mm時，只與支護強度有關。

一般認為，臺階下沉量不超過100mm的工作面為安全工作面，頂板的狀態(tài)為好的，下沉量大于100mm但下沉頂板的長度小于工作面的總長時，同樣認為頂板狀態(tài)較好。

1.2 回采工作面頂板的災害型式及發(fā)生機理

（1）回采工作面頂板災害型式

根據(jù)頂板事故范圍大小、事故的力源、按頂板塌垮運動和支架失穩(wěn)破壞特征以及大采高超長工作面頂板災害特征，可將常見的回采工作面的頂板災害總結為如圖1所示的災害模式。

圖1 回采工作面頂板災害模式圖

（2）回采工作面頂板災害發(fā)生的機理

根據(jù)礦山壓力控制的原理，可知頂板災害發(fā)生主要是由開采后的采動集中應力分布狀況、頂板巖結構組成條件、支架以及開采相關條件所決定，則利用函數(shù)的一般通式關系可總結有：

式中：

Ms-采場頂板災害模式；

τm-采動應力；

Ts-頂板結構組成；

Sc-支架特性；

Mc-開采技術條件。

回采工作面頂板災害的發(fā)生機理以及災變控制流程見圖2。

圖2 回采工作面頂板災害發(fā)生機理圖

2 預警系統(tǒng)的設計及應用

該系統(tǒng)地面部分設備主要有：監(jiān)測服務器、監(jiān)測主機、網(wǎng)絡機柜等；井下部分主要有：礦用本安型信號轉換器、礦用本安型監(jiān)測分站、支架壓力記錄儀、圍巖移動傳感器、錨桿（索）測力計、礦用隔爆兼本安電源等設備。

（1）系統(tǒng)物理架構

該頂板安全綜合監(jiān)測預警系統(tǒng)架構總體分為四個層次：①礦壓數(shù)據(jù)采集層；②礦壓數(shù)據(jù)存儲與管理；③礦壓數(shù)據(jù)應用層；④數(shù)據(jù)展示層。設備主要有：監(jiān)測服務器、監(jiān)測主機、網(wǎng)絡機柜、礦用本安型信號轉換器、礦用本安型監(jiān)測分站、支架壓力記錄儀、圍巖移動傳感器、錨桿（索）測力計和礦用隔爆兼本安電源等。

（2）預警系統(tǒng)現(xiàn)場應用

利用該預警系統(tǒng)監(jiān)測記錄了1202工作面從5月17日至6月14日的支架壓力數(shù)據(jù)，礦壓觀測期間工作面共推進80m。

從監(jiān)測結果圖3和圖4可以得到，該工作面的工作阻力普遍較低，在6000kN左右，安全閥開啟率很低，只有1.24%，不保壓率為9.52%，工作面周期來壓步距分布區(qū)間為3.6～20m，平均9.85m，巷道深層位移最大值為3.4mm，淺層位移最大值為7.20mm，與其對應的報警比例為15.32%和10.45%，工作面超前支承壓力的峰值位置位于工作面前42～47m，應力集中系數(shù)最高達到3.77，錨桿錨索受力最大增值為3.4kN，最大增速為1.4kN/h 等。從現(xiàn)場監(jiān)測的結果可以得出，該系統(tǒng)在頂板狀態(tài)監(jiān)測是實時的，能及時對工作面的相關參數(shù)進行記錄和分析，包括工作面支架初撐力、工作阻力、工作面來壓步距以及頂?shù)装逡平俊⑾鲁了俣鹊鹊龋瑢ぷ髅娴陌踩a具有重要的指導意義。

圖3 部分支架工作阻力實測曲線

圖4 部分超前垂直應力曲線圖

3 預警系統(tǒng)支護參數(shù)優(yōu)化

針對該礦的地質條件，結合大量的實踐經(jīng)驗，設計監(jiān)測系統(tǒng)在該礦的礦壓監(jiān)測的標準指標，即選淺層頂板位移值、深層頂板位移值、頂部錨桿錨固力、頂部錨索錨固力、左幫淺層位移值、左幫深層位移值、左幫錨桿錨固力、右?guī)蜏\層位移值、右?guī)蜕顚游灰浦岛陀規(guī)湾^桿錨固力10個支護參數(shù)指標，分別用A、B、C、D、E、F、G、H、I、J表示。監(jiān)測系統(tǒng)在實際監(jiān)測過程中的實測值為A'、B'、C'、D'、E'、F'、G'、H'、I'、J'，根據(jù)實測值與標準值進行比較，對不滿足標準指標的，系統(tǒng)將及時反饋，給出合理的補救措施。具體思路如下：（1）如果A'＞A或E'＞E或H'＞H，頂板、左幫或右?guī)兔颗旁黾右桓^桿，或縮小排距100mm；（2）如果B'＞B（頂板深層位移量），頂錨索長度增加200mm，或增加一根錨索；（3）如果A'＜A且C'＞C或G'＞G或J'＞J，將頂錨桿、左幫或右?guī)湾^桿直徑加大2mm，或改用強度更高的材質；（4）如果B'＜B、D'＞D，將頂錨索加粗，或改用強度更高的材質；（5）如果A'＞A或E'＞E或H'＞H，且C'＞C或G'＞G或J'＞J，將頂板、左幫或右?guī)兔颗旁黾右桓^桿或縮小排距100mm，且頂板、左幫或右?guī)湾^桿直徑加大2mm，或改用強度更高的材質；（6）如果F'＞F或I'＞I（左、右?guī)蜕顚游灰屏浚瑤湾^索長度增加200mm，或增加一根錨索。

4 結論

針對工作面斷裂構造及頂、底板裂隙較為發(fā)育，頂?shù)装鍘r層較為破碎，利用頂板災害預警系統(tǒng)，對工作面頂板來壓規(guī)律實時監(jiān)測，以及監(jiān)測工作面煤壁前方超前支承應力和巷道受采動影響的動態(tài)來壓影響監(jiān)測，對工作面支架、巷道支護進行分析評價，并對監(jiān)測支護指標進行優(yōu)化改進，實現(xiàn)了工作面安全高效生產。