深井沖擊傾向性采場礦壓大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)管理技術(shù)

梁國棟，邱翰林

（徐礦能源股份有限公司 張雙樓煤礦，江蘇 徐州 221000）

我國雖然礦產(chǎn)資源豐富，但礦產(chǎn)資源的地理分布很不均衡，礦層賦存條件和開采方法也各不相同，賦存條件較差的礦層，由于投入多、產(chǎn)出少、開采技術(shù)難度大，產(chǎn)量和效率還不高，其中，受沖擊地壓影響的深部礦層開采尤為突出。山東科技大學(xué)吳士良教授提出的礦壓分析基礎(chǔ)是將支架工作阻力時(shí)間壓力關(guān)系轉(zhuǎn)換為步距壓力關(guān)系，根據(jù)支架圍巖關(guān)系模型，將支架的最大末阻力約等于頂板來壓強(qiáng)度，將支架移架循環(huán)、采礦循環(huán)、工作面頂板周期斷裂步距建立礦壓分析模型，從而得出周壓步距與最大來壓強(qiáng)度，有效的指導(dǎo)沖擊傾向性礦層工作面生產(chǎn)[1，2]。

張雙樓礦現(xiàn)已進(jìn)入深部開采（-1000m 水平），主采的9 號(hào)礦傾角18°～40°，平均25°，厚度為2.6m ～4.5m，平均3.6m，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，直接頂為砂巖，厚度約20m ～50m。礦井深部開采受沖擊地壓影響，需不斷采取卸壓、爆破等沖擊地壓防治措施后方可正常回采。因此明確工作面初次來壓及周期來壓步距、掌握采空區(qū)下采場頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為沖擊地壓防治措施制定提供依據(jù)意義深遠(yuǎn)。

1 工作面地質(zhì)條件

我礦現(xiàn)開采的94101 工作面位于-1000m 水平延伸采取，工作面標(biāo)高為-968.7m～-1062.2m、地面標(biāo)高+37.6m，上覆74101 工作面、7123 工作面采空區(qū)，南臨9121 工作面采空區(qū)，東部、北部均為未采區(qū)。工作面走向長1360m、傾向長204m，安裝136 臺(tái)支架；地層傾角為10°～30°、平均23°，礦層平均厚度3.3m；礦層直接頂為18.6m 細(xì)砂巖，局部發(fā)育一層厚0m～1.4m 泥巖。同時(shí)，工作面深部開采受沖擊地壓影響為中等沖擊危險(xiǎn)，需要采取卸壓及加強(qiáng)支護(hù)等沖擊地壓防治措施。

2 基于支架工作阻力大數(shù)據(jù)的工作面區(qū)域礦壓分析

2.1 工作面區(qū)域礦壓分析新概念

目前多數(shù)學(xué)者對與礦壓的研究重點(diǎn)集中在支架工作阻力數(shù)據(jù)，分析采場工作面的礦壓規(guī)律，根據(jù)支架工作阻力數(shù)據(jù)，判斷出礦壓規(guī)律隨支架間的數(shù)據(jù)變化而發(fā)生變化，當(dāng)遇到安裝監(jiān)測分站的支架數(shù)量不夠或者出現(xiàn)個(gè)別支架阻力缺失時(shí)，以單個(gè)支架的工作阻力去推斷全部采場工作面的礦壓規(guī)律缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性，造成分析判斷出現(xiàn)較大的誤差。為此依據(jù)礦山采場工作面推進(jìn)方向以及布置方向?qū)袇^(qū)劃分為兩個(gè)大的區(qū)域，即走向區(qū)域和傾向區(qū)域，將參數(shù)特征相似的支架在工作面的方向進(jìn)行一個(gè)區(qū)域劃分，傾向區(qū)域歸屬于采場工作面的面長方向；設(shè)定非來壓區(qū)和來壓區(qū)，兩區(qū)域的特征規(guī)律依照采場工作面的推進(jìn)方向進(jìn)行劃分，走向區(qū)域即為推進(jìn)方向的區(qū)域[3]。

2.2 工作面區(qū)域礦壓分析關(guān)鍵技術(shù)

依照不同區(qū)域?qū)ΦV壓進(jìn)行有效分析的相關(guān)思路，在得到礦壓數(shù)據(jù)情況下分析所使用的相關(guān)技術(shù)：

（1）采場開采的循環(huán)聚類。詳細(xì)的解釋是這種循環(huán)聚類能夠?qū)⒅Ъ茉诠ぷ髑闆r下的末阻力和初掌力進(jìn)行篩選。

（2）橫向區(qū)域的自動(dòng)化分。

（3）采場不同區(qū)域內(nèi)的支架工作阻力研究和相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的求取。因先關(guān)研究存在差異，支架的工作阻力可視為一個(gè)新概念，在預(yù)測模型中可以當(dāng)做一個(gè)物理定義[4]。

2.3 基于大數(shù)據(jù)的礦壓預(yù)測模型

宋振騏院士和姜福興教授早在八十年代就提出了基于專家系統(tǒng)的礦壓預(yù)測預(yù)報(bào)方法。礦山采場工作面實(shí)行礦壓預(yù)測時(shí)，礦壓的頂板巖層會(huì)出現(xiàn)明顯的運(yùn)移變化和周期性斷裂，主要可能引發(fā)礦山壓力分布變化和部分區(qū)域支撐力的變化，圍巖運(yùn)動(dòng)受礦山壓力變化的影響。礦山壓力和頂板運(yùn)動(dòng)之間存在一定的聯(lián)系，采場工作面的頂板運(yùn)動(dòng)是一種不確定因素，因此無法進(jìn)行規(guī)律預(yù)測。而礦山壓力分布也是不確定因素；而諸如支架壓力、巷道頂?shù)装逡七M(jìn)量、工作面頂板等礦山壓力顯現(xiàn)是很容易測量的，因此，可以通過礦山壓力顯現(xiàn)的已知因素推斷上覆巖層運(yùn)動(dòng)和礦山壓力分布的未知因素[5，6]。

3 94101工作面實(shí)測礦壓規(guī)律

監(jiān)測方案和測區(qū)布置：

（1）監(jiān)測系統(tǒng)概況：工作面安裝一套KJ564 礦山壓力實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)，可集中連續(xù)的監(jiān)測整個(gè)工作面的礦山壓力、頂板動(dòng)態(tài)環(huán)境等參數(shù)，在監(jiān)控主機(jī)屏幕上可以顯示不同的曲線、圖形和表格等，具有數(shù)據(jù)存貯、超限報(bào)警、輸出控制、打印各種報(bào)表和曲線等多種功能。

（2）工作面支架工作阻力測線布置：每個(gè)監(jiān)測分站包含兩個(gè)監(jiān)測通道，分別與支架的前后立柱相連。共布置20 個(gè)監(jiān)測分站，從7#支架開始安裝，第二個(gè)在20#支架，最后一個(gè)監(jiān)測分站在117#支架，每隔5 個(gè)支架安裝一個(gè)監(jiān)測分站，監(jiān)測分站分別安裝在7#、20#、25#、30#、35#、40#、45#、50#、55#、60#、65#、70#、75#、80#、85#、90#、95#、100#、105#和117#支架處，實(shí)時(shí)監(jiān)測記錄并傳輸20 個(gè)支架的工作阻力，工作面相鄰5 個(gè)支架定義為一條測線，共20 條測線。工作面監(jiān)測系統(tǒng)測區(qū)布置如圖1 所示。

圖1 KJ564 礦山壓力工作面監(jiān)測系統(tǒng)測區(qū)布置示意圖

（3）支架初撐力分布。

圖2 6 條測線支架初撐力和循環(huán)末阻力變化曲線

4 結(jié)論

（1）根據(jù)工作面頂?shù)装鍡l件，94101 工作面基本頂之上為7采空區(qū)，且頂板賦存較薄，采動(dòng)后彈性能釋放，分析動(dòng)載主要來自于基本頂斷裂。

（2）工作面頂板初次來壓步距為32.5m，周期來壓步距為14.9m，其中顯著運(yùn)動(dòng)步距為2.7m。通過對6 條測線支架工作阻力實(shí)測分析，支架初撐力統(tǒng)計(jì)均值3322kN，占額定初撐力的65.6%，遠(yuǎn)沒有達(dá)到初撐力的80%（4051kN）的管理目標(biāo)要求，初撐力利用率偏低。支架循環(huán)末阻力均值4981kN，均未超出支架的額定工作阻力，占額定工作阻力73.3%，利用率良好。

（3）通過對微震日釋放能量曲線推斷分析，推斷頂板初次來壓步距36.8m，周期來壓步距14.8m，與支架實(shí)測來壓步距結(jié)果基本吻合，可以說明誘發(fā)沖擊礦壓的動(dòng)載主要來自于基本頂斷裂。根據(jù)分析觀察，微震日釋放總能量與次數(shù)變化曲線與支架循環(huán)末阻力曲線具有相似性，都存在周期性變化。

（4）礦壓大數(shù)據(jù)觀測和分析揭示了頂板破斷能量變化和工作面頂板周期性運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為礦井沖擊地壓的防治和預(yù)警提供了新途徑。