深井沖擊傾向性采場礦壓大數據精準管理技術

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）

我國雖然礦產資源豐富，但礦產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、產出少、開采技術難度大，產量和效率還不高，其中，受沖擊地壓影響的深部礦層開采尤為突出。山東科技大學吳士良教授提出的礦壓分析基礎是將支架工作阻力時間壓力關系轉換為步距壓力關系，根據支架圍巖關系模型，將支架的最大末阻力約等于頂板來壓強度，將支架移架循環、采礦循環、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度，有效的指導沖擊傾向性礦層工作面生產[1，2]。

張雙樓礦現已進入深部開采（-1000m 水平），主采的9 號礦傾角18°～40°，平均25°，厚度為2.6m ～4.5m，平均3.6m，地質構造較為復雜，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?；夭伞Ｒ虼嗣鞔_工作面初次來壓及周期來壓步距、掌握采空區下采場頂板運動規律，為沖擊地壓防治措施制定提供依據意義深遠。

1 工作面地質條件

我礦現開采的94101 工作面位于-1000m 水平延伸采取，工作面標高為-968.7m～-1062.2m、地面標高+37.6m，上覆74101 工作面、7123 工作面采空區，南臨9121 工作面采空區，東部、北部均為未采區。工作面走向長1360m、傾向長204m，安裝136 臺支架；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 細砂巖，局部發育一層厚0m～1.4m 泥巖。同時，工作面深部開采受沖擊地壓影響為中等沖擊危險，需要采取卸壓及加強支護等沖擊地壓防治措施。

2 基于支架工作阻力大數據的工作面區域礦壓分析

2.1 工作面區域礦壓分析新概念

目前多數學者對與礦壓的研究重點集中在支架工作阻力數據，分析采場工作面的礦壓規律，根據支架工作阻力數據，判斷出礦壓規律隨支架間的數據變化而發生變化，當遇到安裝監測分站的支架數量不夠或者出現個別支架阻力缺失時，以單個支架的工作阻力去推斷全部采場工作面的礦壓規律缺乏嚴謹性，造成分析判斷出現較大的誤差。為此依據礦山采場工作面推進方向以及布置方向將靶區劃分為兩個大的區域，即走向區域和傾向區域，將參數特征相似的支架在工作面的方向進行一個區域劃分，傾向區域歸屬于采場工作面的面長方向；設定非來壓區和來壓區，兩區域的特征規律依照采場工作面的推進方向進行劃分，走向區域即為推進方向的區域[3]。

2.2 工作面區域礦壓分析關鍵技術

依照不同區域對礦壓進行有效分析的相關思路，在得到礦壓數據情況下分析所使用的相關技術：

（1）采場開采的循環聚類。詳細的解釋是這種循環聚類能夠將支架在工作情況下的末阻力和初掌力進行篩選。

（2）橫向區域的自動化分。

（3）采場不同區域內的支架工作阻力研究和相關運行參數的求取。因先關研究存在差異，支架的工作阻力可視為一個新概念，在預測模型中可以當做一個物理定義[4]。

2.3 基于大數據的礦壓預測模型

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的礦壓預測預報方法。礦山采場工作面實行礦壓預測時，礦壓的頂板巖層會出現明顯的運移變化和周期性斷裂，主要可能引發礦山壓力分布變化和部分區域支撐力的變化，圍巖運動受礦山壓力變化的影響。礦山壓力和頂板運動之間存在一定的聯系，采場工作面的頂板運動是一種不確定因素，因此無法進行規律預測。而礦山壓力分布也是不確定因素；而諸如支架壓力、巷道頂底板移進量、工作面頂板等礦山壓力顯現是很容易測量的，因此，可以通過礦山壓力顯現的已知因素推斷上覆巖層運動和礦山壓力分布的未知因素[5，6]。

3 94101工作面實測礦壓規律

監測方案和測區布置：

（1）監測系統概況：工作面安裝一套KJ564 礦山壓力實時在線監測系統，可集中連續的監測整個工作面的礦山壓力、頂板動態環境等參數，在監控主機屏幕上可以顯示不同的曲線、圖形和表格等，具有數據存貯、超限報警、輸出控制、打印各種報表和曲線等多種功能。

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

圖1 KJ564 礦山壓力工作面監測系統測區布置示意圖

（3）支架初撐力分布。

圖2 6 條測線支架初撐力和循環末阻力變化曲線

4 結論

（1）根據工作面頂底板條件，94101 工作面基本頂之上為7采空區，且頂板賦存較薄，采動后彈性能釋放，分析動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，其中顯著運動步距為2.7m。通過對6 條測線支架工作阻力實測分析，支架初撐力統計均值3322kN，占額定初撐力的65.6%，遠沒有達到初撐力的80%（4051kN）的管理目標要求，初撐力利用率偏低。支架循環末阻力均值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，與支架實測來壓步距結果基本吻合，可以說明誘發沖擊礦壓的動載主要來自于基本頂斷裂。根據分析觀察，微震日釋放總能量與次數變化曲線與支架循環末阻力曲線具有相似性，都存在周期性變化。

（4）礦壓大數據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動規律，為礦井沖擊地壓的防治和預警提供了新途徑。