深井冲击倾向性采场矿压大数据精准管理技术.pdf

237 管理及其他 Management and other 深井冲击倾向性采场矿压大数据精准管理技术 梁国栋，邱翰林 （徐矿能源股份有限公司 张双楼煤矿， 江苏 徐州 221000） 摘 要 江苏省沛县境内采场开采水平逐步增加至-1000m水平， 冲击地压显现强烈， 给工作面回采带来安全风险， 通过现场支 架工作阻力实时自动监测采集、 数值模拟分析、 理论计算等方法， 实测得出了工作面初次来压及周期来压步距， 掌握了采场顶 板运动规律， 为冲击地压工作面采取卸压及加强支护措施提供依据。 关键词 工作阻力实时自动监测采集 ； 采场顶板运动规律 ； 矿压大数据 中图分类号 TD823.49 文献标识码 A 文章编号 11-5004 （2020） 10-0237-2 收稿日期 2020-05 作者简介 梁国栋， 男， 生于1985年， 江苏新沂人， 硕士研究生， 采矿中级工程 师， 研究方向 煤矿开采技术及生产组织管理。 我国虽然矿产资源丰富， 但矿产资源的地理分布很不均衡， 矿层赋存条件和开采方法也各不相同， 赋存条件较差的矿层， 由 于投入多、 产出少、 开采技术难度大， 产量和效率还不高， 其中， 受冲击地压影响的深部矿层开采尤为突出。山东科技大学吴士 良教授提出的矿压分析基础是将支架工作阻力时间压力关系转 换为步距压力关系， 根据支架围岩关系模型， 将支架的最大末阻 力约等于顶板来压强度， 将支架移架循环、 采矿循环、 工作面顶 板周期断裂步距建立矿压分析模型，从而得出周压步距与最大 来压强度， 有效的指导冲击倾向性矿层工作面生产 [1， 2]。 张双楼矿现已进入深部开采 （-1000m水平） ，主采的9号矿 倾角18～ 40，平均25，厚度为2.6m ～ 4.5m，平均3.6m， 地质构造较为复杂， 直接顶为砂岩， 厚度约20m ～ 50m。 矿井深 部开采受冲击地压影响， 需不断采取卸压、 爆破等冲击地压防治 措施后方可正常回采。因此明确工作面初次来压及周期来压步 距、 掌握采空区下采场顶板运动规律， 为冲击地压防治措施制定 提供依据意义深远。 1 工作面地质条件 我矿现开采的94101工作面位于-1000m水平延伸采取，工 作面标高为-968.7m-1062.2m、 地面标高37.6m， 上覆74101工 作面、 7123工作面采空区， 南临9121工作面采空区， 东部、 北部 均为未采区。 工作面走向长1360m、 倾向长204m， 安装136台支 架 ；地层倾角为10 30、平均23，矿层平均厚度3.3m ； 矿层直接顶为18.6m细砂岩， 局部发育一层厚0m1.4m泥岩。 同 时， 工作面深部开采受冲击地压影响为中等冲击危险， 需要采取 卸压及加强支护等冲击地压防治措施。 2 基于支架工作阻力大数据的工作面区域矿压分析 2.1 工作面区域矿压分析新概念 目前多数学者对与矿压的研究重点集中在支架工作阻力数 据， 分析采场工作面的矿压规律， 根据支架工作阻力数据， 判断 出矿压规律随支架间的数据变化而发生变化，当遇到安装监测 分站的支架数量不够或者出现个别支架阻力缺失时，以单个支 架的工作阻力去推断全部采场工作面的矿压规律缺乏严谨性， 造成分析判断出现较大的误差。为此依据矿山采场工作面推进 方向以及布置方向将靶区划分为两个大的区域，即走向区域和 倾向区域，将参数特征相似的支架在工作面的方向进行一个区 域划分，倾向区域归属于采场工作面的面长方向 ；设定非来压 区和来压区，两区域的特征规律依照采场工作面的推进方向进 行划分， 走向区域即为推进方向的区域 [3]。 2.2 工作面区域矿压分析关键技术 依照不同区域对矿压进行有效分析的相关思路，在得到矿 压数据情况下分析所使用的相关技术 （1） 采场开采的循环聚类。 详细的解释是这种循环聚类能够 将支架在工作情况下的末阻力和初掌力进行筛选。 （2） 横向区域的自动化分。 （3） 采场不同区域内的支架工作阻力研究和相关运行参数 的求取。 因先关研究存在差异， 支架的工作阻力可视为一个新概 念， 在预测模型中可以当做一个物理定义 [4]。 2.3 基于大数据的矿压预测模型 宋振骐院士和姜福兴教授早在八十年代就提出了基于专家 系统的矿压预测预报方法。 矿山采场工作面实行矿压预测时， 矿 压的顶板岩层会出现明显的运移变化和周期性断裂，主要可能 引发矿山压力分布变化和部分区域支撑力的变化，围岩运动受 矿山压力变化的影响。矿山压力和顶板运动之间存在一定的联 系， 采场工作面的顶板运动是一种不确定因素， 因此无法进行规 律预测。 而矿山压力分布也是不确定因素 ； 而诸如支架压力、 巷 道顶底板移进量、 工作面顶板等矿山压力显现是很容易测量的， 因此，可以通过矿山压力显现的已知因素推断上覆岩层运动和 矿山压力分布的未知因素 [5， 6]。 3 94101工作面实测矿压规律 监测方案和测区布置 （1） 监测系统概况 工作面安装一套KJ564矿山压力实时在 线监测系统， 可集中连续的监测整个工作面的矿山压力、 顶板动 态环境等参数， 在监控主机屏幕上可以显示不同的曲线、 图形和 表格等， 具有数据存贮、 超限报警、 输出控制、 打印各种报表和 曲线等多种功能。 （2） 工作面支架工作阻力测线布置 每个监测分站包含两 个监测通道，分别与支架的前后立柱相连。共布置20个监测分 站，从7支架开始安装，第二个在20支架，最后一个监测分 站在117支架，每隔5个支架安装一个监测分站，监测分站分 别安装在7、 20、 25、 30、 35、 40、 45、 50、 55、 60、 65、 70、 75、 80、 85、 90、 95、 100、 105和117支架 处， 实时监测记录并传输20个支架的工作阻力， 工作面相邻5个 238 管理及其他 Management and other 支架定义为一条测线，共20条测线。工作面监测系统测区布置 如图1所示。 图1 KJ564矿山压力工作面监测系统测区布置示意图 （3） 支架初撑力分布。 30架 40架 60架 70架 80架 90架 图2 6条测线支架初撑力和循环末阻力变化曲线 4 结论 （1） 根据工作面顶底板条件， 94101工作面基本顶之上为7 采空区， 且顶板赋存较薄， 采动后弹性能释放， 分析动载主要来 自于基本顶断裂。 （2） 工作面顶板初次来压步距为32.5m，周期来压步距为 14.9m，其中显著运动步距为2.7m。通过对6条测线支架工作 阻力实测分析，支架初撑力统计均值3322kN，占额定初撑力的 65.6， 远没有达到初撑力的80 （4051kN） 的管理目标要求， 初 撑力利用率偏低。支架循环末阻力均值4981kN，均未超出支架 的额定工作阻力， 占额定工作阻力73.3， 利用率良好。 （3） 通过对微震日释放能量曲线推断分析， 推断顶板初次来 压步距36.8m，周期来压步距14.8m，与支架实测来压步距结果 基本吻合，可以说明诱发冲击矿压的动载主要来自于基本顶断 裂。 根据分析观察， 微震日释放总能量与次数变化曲线与支架循 环末阻力曲线具有相似性， 都存在周期性变化。 （4） 矿压大数据观测和分析揭示了顶板破断能量变化和工 作面顶板周期性运动规律，为矿井冲击地压的防治和预警提供 了新途径。 参考文献 [1] 郭建飞.薄煤层含硬夹矸工作面支架阻力与煤壁破坏的关系分析[J].现代矿 业,2020,3601104-106. [2] 左凌云.基于支架工作阻力大数据的工作面区域矿压分析研究[J].煤炭工 程,2019,511160-64. [3] 路洋波,陈法兵,李岩.浅埋煤层综放工作面支架合理支护强度确定及其应用 [J].煤矿安全,2019,5010202-206. [4] 姚丽英,高宇龙,张占东.基于AMESim的液压支架用液控单向阀工作特性分 析[J].煤矿机械,2019,400975-77. [5] 袁小春,郑继锐.浅埋煤层综采工作面矿压显现规律及支架适应性分析[J].陕 西煤炭,2019,38S146-50. [6] 付兴,王鑫,苏志刚,张宏伟,周坤友,霍丙杰.浅埋极近距离采空区下工作面 矿压显现规律研究[J].煤炭科学技术,2019,4707149-155.