基于支架工作阻力大數(shù)據(jù)的工作面區(qū)域礦壓分析研究

左凌云

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)左云長(zhǎng)春興煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

采場(chǎng)工作面推進(jìn)過(guò)程中，工作面頂板礦壓規(guī)律分析與預(yù)測(cè)一直是困擾礦壓研究者的一個(gè)難題[1]，礦壓研究的最終目的是對(duì)工作面頂板進(jìn)行礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，指導(dǎo)工作面現(xiàn)場(chǎng)安全高效生產(chǎn)，而礦壓分析是預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，要想對(duì)工作面頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)必須要對(duì)工作面頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行精準(zhǔn)分析[2-4]。傳統(tǒng)的礦壓規(guī)律分析方法是用單架的支架工作阻力數(shù)據(jù)來(lái)代表一整片區(qū)域支架的工作阻力數(shù)據(jù)分析工作面頂板的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)而總結(jié)出整個(gè)工作面的礦壓規(guī)律[5-8]，而用單架來(lái)代表區(qū)域的礦壓分析方法是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模谶\(yùn)算過(guò)程中必然存在誤差(除此之外當(dāng)工作面頂板來(lái)壓不均衡或是液壓支架監(jiān)測(cè)分站本身的誤差)，這就會(huì)導(dǎo)致單架分析不準(zhǔn)確，單架分析不準(zhǔn)確就不能保證對(duì)工作面礦壓規(guī)律進(jìn)行精確分析。

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與先進(jìn)礦山設(shè)備的研發(fā)，在礦山開(kāi)采過(guò)程中，綜采工作面機(jī)械化程度越來(lái)越高，通過(guò)電液控設(shè)備記錄支架工作阻力的時(shí)間間隔越來(lái)越短，與之相對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)到的礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)量則越來(lái)越龐大[9-12]。面對(duì)如此龐大的數(shù)據(jù)量，傳統(tǒng)的人工分析和半人工分析已經(jīng)不能夠解決，必須采用大數(shù)據(jù)手段對(duì)其分析處理，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域分析處理，去偽存真，去粕取精，首先從支架工作阻力大數(shù)據(jù)中提取出對(duì)礦壓規(guī)律分析有用的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行工作面區(qū)域礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的礦壓分析與預(yù)測(cè)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用要求。為此，區(qū)域礦壓分析概念應(yīng)運(yùn)而生。姜福興教授[12]在對(duì)工作面進(jìn)行分區(qū)時(shí)只是大致將工作面頂板劃分為“機(jī)頭區(qū)域”、“中間區(qū)域”和“機(jī)尾區(qū)域”，但是對(duì)區(qū)域的概念以及中間區(qū)域的細(xì)化分尚未明確定義。本文在對(duì)營(yíng)盤(pán)壕礦2101工作面礦壓規(guī)律進(jìn)行精確分析時(shí)，提出了工作面礦壓分析的區(qū)域概念，定義了區(qū)域的概念，并利用區(qū)域礦壓分析的方法對(duì)2101工作面礦壓規(guī)律進(jìn)行精確分析。

1 工作面概況

營(yíng)盤(pán)壕礦2101工作面為21采區(qū)的首采工作面，位于21采區(qū)北部，工作面埋深為712.6～726.9m，平均約721.2m，所采煤層為2-2煤，煤層厚度5.2～7.1m，平均煤厚6.3m，煤層傾角為0°～7°，平均3°，采用一次采全高采煤方法，工作面寬度300m，走向長(zhǎng)度2077m。煤層直接頂和直接底均為砂質(zhì)泥巖，遇水軟化變形，巖石的力學(xué)強(qiáng)度較低，穩(wěn)固性較差。工作面頂?shù)装鍘r層情況見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

工作面選用ZY20000/33.5/68D型中部支架，支架額定工作阻力為20000kN，支護(hù)強(qiáng)度為1.68MPa，支架高度3350～6800mm，工作面共安裝149組液壓支架。

2 工作面區(qū)域劃分理論

“上覆巖層運(yùn)動(dòng)與礦山壓力及其顯現(xiàn)的關(guān)系”是“反演”和“正演”巖層運(yùn)動(dòng)及其運(yùn)動(dòng)結(jié)果的理論基礎(chǔ)。通過(guò)支架工作阻力等礦山壓力顯現(xiàn)參數(shù)分析礦壓規(guī)律已經(jīng)是運(yùn)用最為普遍的方法，僅以單架工作阻力分析礦壓規(guī)律已經(jīng)不能夠滿足工作面采場(chǎng)分區(qū)分塊來(lái)壓的普遍性規(guī)律，因此，進(jìn)行工作面區(qū)域礦壓分析成為亟需解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

2.1 區(qū)域劃分的理論基礎(chǔ)

煤層開(kāi)挖之后，圍巖應(yīng)力重新分布，在單一自重應(yīng)力場(chǎng)作用下，工作面頂板上覆巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖1所示，隨著采煤工作面的推進(jìn)，沿著推進(jìn)方向，當(dāng)老頂達(dá)到極限跨距后，即發(fā)生初次斷裂，斷裂后的狀態(tài)一般可用圖1中A-A剖面所示。

圖1 上覆巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖

老頂初次來(lái)壓之后，采煤工作面繼續(xù)推進(jìn)，上覆巖層頂板斷裂所形成的結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，如圖2所示。M3巖塊將從穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)入斷裂狀態(tài)，M2巖塊已經(jīng)完成周期斷裂狀態(tài)，工作面頂板沿著走向是有規(guī)律的分區(qū)分塊斷裂的[10-12]。

圖2 工作面走向上覆巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖

根據(jù)工作面采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)傾向方向上支架—圍巖關(guān)系進(jìn)行分析。采煤工作面沿著傾向方向上覆巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖3所示。根據(jù)宋振騏院士的傳遞巖梁理論和錢(qián)鳴高院士的砌體梁理論，工作面上方頂板的斷裂呈“O-X”型斷裂形式，沿著工作面方向，可以把工作面分為機(jī)頭區(qū)域、中間區(qū)域和機(jī)尾區(qū)域。

圖3 工作面傾向上覆巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖(一)

工作面現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件復(fù)雜，上覆巖層具體巖性無(wú)法得知，即使是地質(zhì)勘查，也是隨機(jī)抽樣，不可能整個(gè)工作面都做鉆孔看頂?shù)装鍘r性。現(xiàn)場(chǎng)大量數(shù)據(jù)顯示在工作面面長(zhǎng)較大的情況下，由于斷層或是發(fā)育裂隙的影響，Ⅲ頂板可能不是一個(gè)完整的整體，可能在工作面中間某個(gè)區(qū)域發(fā)生斷裂，形成Ⅲ和Ⅳ兩個(gè)頂板，給發(fā)生斷裂的頂板進(jìn)行劃區(qū)，細(xì)化為中部1區(qū)和中部2區(qū)，如圖4所示。

圖4 工作面傾向上覆巖層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖(二)

2.2 區(qū)域的定義

目前的礦壓分析方法以分析單架工作阻力數(shù)據(jù)得出整個(gè)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究居多，但是，分析單架的工作阻力數(shù)據(jù)得出的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律會(huì)由于單架間的數(shù)據(jù)差異產(chǎn)生誤差，當(dāng)某個(gè)支架阻力缺失或是安裝監(jiān)測(cè)分站的支架數(shù)量較少時(shí)，以單個(gè)支架的工作阻力分析得到的整個(gè)工作面的礦壓規(guī)律一定不太真實(shí)，不一定能完全反應(yīng)工作面現(xiàn)場(chǎng)來(lái)壓規(guī)律。按照分析單個(gè)支架工作阻力的數(shù)據(jù)分析方法分析得出的工作面來(lái)壓情況分布如圖5所示。圖中，灰色區(qū)域代表來(lái)壓，白色區(qū)域代表非來(lái)壓。

圖5 工作面頂板來(lái)壓強(qiáng)度分布云圖

從圖5中可以看出支架間的來(lái)壓步距還是有差異的，由圖中灰色區(qū)域分布規(guī)律可以看出工作面來(lái)壓是分區(qū)分段來(lái)壓的，且單個(gè)支架分析的礦壓規(guī)律的來(lái)壓時(shí)間和來(lái)壓范圍是不一樣的，基于這種工作面分區(qū)分段來(lái)壓的普遍性規(guī)律，在對(duì)工作面礦壓規(guī)律進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)之前，首先進(jìn)行區(qū)域劃分。

按照工作面布置方向和工作面推進(jìn)方向把區(qū)域分為傾向區(qū)域和走向區(qū)域，將具有相鄰參數(shù)特征的支架在工作面方向進(jìn)行分區(qū)，將沿面長(zhǎng)方向的區(qū)域定義為傾向區(qū)域；將頂板來(lái)壓特征規(guī)律在沿工作面推進(jìn)方向進(jìn)行分區(qū)(只分為來(lái)壓區(qū)和非來(lái)壓區(qū))，沿推進(jìn)方向的區(qū)域定義為走向區(qū)域。沿傾向區(qū)域布置支架，同一區(qū)域內(nèi)所有支架組成的一個(gè)整體稱(chēng)為大支架，此大支架上方支撐的頂板稱(chēng)為大頂板，根據(jù)大支架和大頂板，研究工作面區(qū)域內(nèi)頂板運(yùn)動(dòng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

2.3 區(qū)域礦壓顯現(xiàn)特征參數(shù)

劃分頂板來(lái)壓時(shí)，區(qū)域和單架上方頂板的方法并無(wú)差別，均采用“來(lái)壓判定公式判定值法”和“復(fù)合比較”判定方法或判據(jù)。

2.3.1 來(lái)壓判定公式

(1)

2.3.2 復(fù)合比較法

在來(lái)壓判定值判斷完來(lái)壓后，對(duì)來(lái)壓持續(xù)期間的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，比如：對(duì)于來(lái)壓期間夾雜著割煤1—3刀頂板壓力小應(yīng)視同為來(lái)壓。

2.4 礦壓分析區(qū)域劃分流程

按照以下流程對(duì)支架工作阻力大數(shù)據(jù)進(jìn)行工作面區(qū)域礦壓分析：

1)區(qū)域定義。基于單架工作阻力的礦壓規(guī)律分析完成之后，首先對(duì)區(qū)域作定義，確定區(qū)域的概念。

2)劃分區(qū)域。基于單架工作阻力的礦壓規(guī)律分析，根據(jù)礦壓顯現(xiàn)特征形成頂板管理分區(qū)習(xí)慣，一般將工作面相鄰的10個(gè)以上支架人為組合成一個(gè)區(qū)域。

3)確定區(qū)域大支架的有效工作阻力。根據(jù)來(lái)壓機(jī)理確定一個(gè)來(lái)壓判定值標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)區(qū)域頂板進(jìn)行來(lái)壓劃分，確定區(qū)域來(lái)壓開(kāi)始位置和來(lái)壓步距以及來(lái)壓強(qiáng)度和其他礦壓參數(shù)。

4)區(qū)域礦壓分析結(jié)束之后，對(duì)區(qū)域的所有單架的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和區(qū)域礦壓顯現(xiàn)規(guī)律比較，檢驗(yàn)單架和區(qū)域來(lái)壓吻合度。

3 工作面區(qū)域礦壓分析現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 工作面概況

以營(yíng)盤(pán)壕煤礦2101工作面為例，該工作面共有149臺(tái)支架，將其劃分為15個(gè)區(qū)域，平均區(qū)域?qū)挾葹?0臺(tái)支架，且在礦壓分析過(guò)程中各區(qū)域位置和寬度不變。選取以“61#—70#”支架為區(qū)域的“中部4區(qū)”和“81#—90#”支架為區(qū)域的“中部6區(qū)”進(jìn)行單架和區(qū)域的礦壓規(guī)律對(duì)比分析，這兩個(gè)區(qū)域的支架排布方式如圖6所示。

圖6 中部4區(qū)和中部6區(qū)的支架排布方式

3.2 來(lái)壓劃分

根據(jù)區(qū)域單支架和大支架工作阻力自動(dòng)分析并給出來(lái)壓判定值線，根據(jù)來(lái)壓判定方法和復(fù)合比較法生成工作面單架(66#和88#支架)和區(qū)域(中部4區(qū)和中部6區(qū))頂板周期來(lái)壓概化曲線和優(yōu)化曲線，分別如7、圖8所示。

圖7 工作面單架頂板周期來(lái)壓劃分圖

頂板周期來(lái)壓劃分圖中的三條曲線：第一條曲線為支架初撐力和末阻力曲線；第二條曲線稱(chēng)之為概化周期來(lái)壓圖，即在來(lái)壓判據(jù)下定義超過(guò)來(lái)壓判定值的為來(lái)壓，低于來(lái)壓判定值的為非來(lái)壓；第三條曲線稱(chēng)之為優(yōu)化周期來(lái)壓圖，即在復(fù)合比較法下對(duì)來(lái)壓數(shù)據(jù)做的優(yōu)化處理。

3.3 區(qū)域來(lái)壓和單架來(lái)壓的吻合度

將上述中工作面頂板的單架來(lái)壓優(yōu)化曲線和區(qū)域來(lái)壓優(yōu)化曲線做比較，以此來(lái)判斷區(qū)域來(lái)壓是否代表了區(qū)域內(nèi)所有支架的總體來(lái)壓特征。下面以61#—70#支架劃分為中部4區(qū)，把支架優(yōu)化曲線單獨(dú)挑出，繪制成支架和區(qū)域的來(lái)壓對(duì)比曲線，如圖9所示。圖中橫向上，上方10條曲線代表著61#—70#支架的來(lái)壓優(yōu)化曲線，最下面一條曲線代表著中部4區(qū)(61#—70#支架)的來(lái)壓優(yōu)化曲線。由圖9可以看出，以10臺(tái)支架為一區(qū)域的支架區(qū)域來(lái)壓基本吻合，可以說(shuō)把支架劃分為區(qū)域是可行而且有效的，即區(qū)域來(lái)壓能反映區(qū)域內(nèi)大部分單架的來(lái)壓特征。

圖8 工作面區(qū)域頂板周期來(lái)壓劃分圖

圖9 工作面中部4區(qū)(61#—70#支架)單架和區(qū)域范圍來(lái)壓優(yōu)化周期對(duì)比圖

4 結(jié) 論

1)基于支架工作阻力大數(shù)據(jù)的工作面區(qū)域礦壓分析的研究，反映了現(xiàn)場(chǎng)和理論研究中對(duì)于頂板整體運(yùn)動(dòng)規(guī)律和顯現(xiàn)的認(rèn)知，提升了對(duì)工作面礦壓規(guī)律認(rèn)識(shí)精準(zhǔn)度。

2)確定了區(qū)域的概念，把具有相同來(lái)壓規(guī)律的支架劃分到同一個(gè)區(qū)域內(nèi)，求出區(qū)域內(nèi)來(lái)壓開(kāi)始位置、來(lái)壓強(qiáng)度和來(lái)壓步距等來(lái)壓特征參數(shù)，并和區(qū)域內(nèi)來(lái)壓特征參數(shù)做出比較，得出區(qū)域分析效果比單架分析效果好。

3)工作面區(qū)域礦壓分析的研究，是礦壓大數(shù)據(jù)區(qū)域預(yù)測(cè)技術(shù)的基石，為后期新的工作面礦壓研究領(lǐng)域做鋪墊。