基于沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的智能化防治技術(shù)研究

張丁丁 刁依想 王占魁

（1.山東能源集團(tuán)防沖中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300；2.兗煤菏澤能化有限公司趙樓煤礦，山東 菏澤 274000；3.兗礦集團(tuán)東灘煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

1 沖擊地壓防治智能化實(shí)效控制

1.1 沖擊地壓防治措施的時(shí)效要求

沖擊地壓發(fā)生理論主要有強(qiáng)度理論、剛度理論、能量理論、沖擊傾向性理論和失穩(wěn)理論，根據(jù)煤巖體受力狀況、應(yīng)力來源及加載方式又分為煤巖體壓應(yīng)力型沖擊地壓、頂板受拉應(yīng)力型沖擊地壓、斷層滑移型沖擊地壓、中立型沖擊地壓、構(gòu)造應(yīng)力型沖擊地壓和中間型沖擊地壓[1]。沖擊地壓發(fā)生的先決條件之一是有力源，即煤巖體載荷來源，載荷來源主要有煤體上覆巖層自重產(chǎn)生的靜載荷，上覆巖層運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載荷，地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力載荷及地應(yīng)力載荷等。煤礦生產(chǎn)過程中的采掘擾動(dòng)使得煤層所受載荷狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致巷道周圍煤巖體集聚彈性能。當(dāng)井巷周圍煤巖體集聚能量大于極限平衡臨界能量時(shí)，煤巖體平衡狀態(tài)被打破，彈性變形能瞬間釋放，發(fā)生沖擊地壓事故[2]。

式中：E靜為極限平衡區(qū)在集中靜載下產(chǎn)生的能量，E動(dòng)為極限平衡區(qū)在集中動(dòng)載下產(chǎn)生的能量，EC為極限平衡區(qū)發(fā)生沖擊破壞所需的臨界能量。

突發(fā)性是沖擊地壓的特點(diǎn)，抓關(guān)鍵的瞬間，要在煤巖體所受載荷達(dá)到?jīng)_擊破壞臨界載荷前，阻斷載荷向沖擊破壞臨界載荷發(fā)展。

1.2 沖擊地壓防治實(shí)效性現(xiàn)狀

現(xiàn)有沖擊地壓預(yù)測性監(jiān)測手段是通過區(qū)域與局部監(jiān)測，動(dòng)態(tài)掌握載荷集聚過程，實(shí)現(xiàn)了載荷集聚過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)警值，停止采掘擾動(dòng)誘發(fā)沖擊、撤出危險(xiǎn)區(qū)域人員，是第一時(shí)間要采取的措施?，F(xiàn)階段的防沖現(xiàn)狀是沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至防沖監(jiān)控室，預(yù)警信息被監(jiān)測人員發(fā)現(xiàn)后，綜合分析判定沖擊危險(xiǎn)性，根據(jù)定性結(jié)果通知相關(guān)人員采取措施，現(xiàn)場施工人員不能在第一時(shí)間根據(jù)預(yù)警信息，停止采掘作業(yè)，撤離沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，導(dǎo)致有效防沖措施滯后，貽誤人員撤離最佳時(shí)機(jī)。

1.3 基于防治措施時(shí)效性的智能化措施

通過沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)與采掘設(shè)備控制系統(tǒng)通訊，以沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)控制采掘設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警，采掘工作面設(shè)備自動(dòng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，防止采掘擾動(dòng)導(dǎo)致井巷煤體所受載荷上升，達(dá)到?jīng)_擊臨界載荷；通過沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)與采掘工作面語音廣播系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警信息實(shí)時(shí)傳遞給現(xiàn)場施工人員，迅速撤離沖擊危險(xiǎn)區(qū)。沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警信息智能化處置流程如圖1。

圖1 沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警信息智能化處置流程

2 沖擊地壓防治智能化空間管控

2.1 基于沖擊地壓防治措施三維空間管控需求

我國現(xiàn)有沖擊地壓評(píng)價(jià)是基于沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，采用綜合指數(shù)法[3]，綜合分析開采深度、煤巖結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)因素及保護(hù)層卸壓情況、鄰近采空區(qū)情況、區(qū)段煤柱等開采技術(shù)因素，確定沖擊等級(jí)，劃分沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。根據(jù)不同區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)因素劃分沖擊危險(xiǎn)等級(jí)，根據(jù)沖擊危險(xiǎn)等級(jí)采取不同強(qiáng)度的防沖措施，沖擊危險(xiǎn)等級(jí)越高，對防治措施的要求越高；煤層上覆巖層自重載荷產(chǎn)生的靜載及上覆巖層活動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載是誘發(fā)沖擊地壓的重要因素，綜合分析煤層賦存條件，開采技術(shù)、上覆巖層厚度及巖性特征，根據(jù)不同層位巖層采取不同措施，重點(diǎn)對沖擊關(guān)鍵層[1]進(jìn)行監(jiān)測及治理是預(yù)防沖擊地壓發(fā)生的最為直接有效手段。綜上所述，不同空間對防沖監(jiān)測及治理措施要求不同。采掘工作面生產(chǎn)期間，采掘擾動(dòng)導(dǎo)致巷道周圍煤巖體彈性變形能集聚，巷道的施工給彈性變形能釋放空間，是沖擊地壓事故的主要發(fā)生地點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，85%沖擊地壓事故發(fā)生在巷道中[4]，而采掘擾動(dòng)影響范圍內(nèi)的巷道，是沖擊地壓防治重點(diǎn)區(qū)域。

2.2 沖擊地壓空間智能化管控

現(xiàn)有沖擊地壓預(yù)防性措施主要有預(yù)測性監(jiān)測、生產(chǎn)組織管控及個(gè)體防護(hù)等，通過加大監(jiān)測及人員管控力度，降低生產(chǎn)強(qiáng)度，對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)管控。

2.2.1 局部監(jiān)測手段智能化補(bǔ)充

現(xiàn)有預(yù)測性監(jiān)測手段主要有區(qū)域性及局部監(jiān)測。區(qū)域性監(jiān)測措施通過微震監(jiān)測對能量事件的三維定位，確定上覆巖層活動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)區(qū)域性監(jiān)測要求。現(xiàn)面臨的主要問題是定位精度小，需要人為處理龐雜的監(jiān)測數(shù)據(jù)，受操作影響因素大，危險(xiǎn)信息反饋不及時(shí)。局部監(jiān)測措施主要有應(yīng)力在線監(jiān)測及鉆屑檢測，通過監(jiān)測局部煤體應(yīng)力狀態(tài)，對沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測?，F(xiàn)面臨的主要問題是，以點(diǎn)的應(yīng)力集中作為區(qū)域預(yù)警指標(biāo)，區(qū)域沖擊破壞的多樣性與監(jiān)測布點(diǎn)不匹配[5]。綜上所述，現(xiàn)有區(qū)域監(jiān)測措施“大而不精”，局部監(jiān)測措施“精而不大”，且都受人為因素影響較大。

受采掘擾動(dòng)影響的巷道是防沖重點(diǎn)管控區(qū)域，基于此，重點(diǎn)管控區(qū)域的巷道都安裝了巷道支架進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，部分礦井將巷道支架工作阻力作為礦壓監(jiān)測的一項(xiàng)，但未將巷道超前支架工作阻力作為沖擊預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。巷道超前支架作為巷道支護(hù)體系中的一部分，其主要功能是承受上覆煤巖層失穩(wěn)所引起的附加載荷，其工作阻力的變化能直接反映巷道周圍煤巖體所受靜載及動(dòng)載變化過程，相較于現(xiàn)有的局部監(jiān)測手段更直觀、更靈敏。通過對巷道支架支護(hù)范圍內(nèi)的工作阻力監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)支護(hù)范圍內(nèi)巷道內(nèi)重點(diǎn)區(qū)域精準(zhǔn)全面監(jiān)測，作為沖擊危險(xiǎn)預(yù)警的判別指標(biāo)，既能滿足重點(diǎn)區(qū)域的區(qū)域性監(jiān)測要求，又能滿足局部監(jiān)測的精確要求。通過采掘工作面電液控系統(tǒng)與礦壓大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)智能分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對巷道上覆巖層靜載與動(dòng)載的實(shí)時(shí)監(jiān)測，作為沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測的另一項(xiàng)預(yù)警指標(biāo)，具有監(jiān)測面積大、監(jiān)測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、數(shù)據(jù)處理智能化的優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)該智能化監(jiān)測措施已在部分礦井實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)監(jiān)測分析重點(diǎn)區(qū)域支護(hù)設(shè)備工作阻力，通過系統(tǒng)提前設(shè)定的壓力等值顏色，生成整個(gè)監(jiān)測區(qū)域的順槽支架工作阻力云圖，通過與設(shè)定的沖擊危險(xiǎn)應(yīng)力值對比，劃定監(jiān)測區(qū)域沖擊危險(xiǎn)等級(jí)，采取相應(yīng)治理措施。

圖2 巷道支架工作阻力變化曲線

階段一：巷道支架工作阻力逐漸上升，說明巷道及周圍煤巖體所受靜載逐步增大。

階段二：巷道支架工作阻力突然急劇上升，說明上覆巖層運(yùn)動(dòng)，巷道及周圍煤巖體所受動(dòng)載瞬間增大。

圖3 順槽支架工作阻力云圖

2.2.2 生產(chǎn)組織智能化管控

中國礦業(yè)大學(xué)竇林名教授團(tuán)隊(duì)證實(shí)，大能量礦震產(chǎn)生的動(dòng)載加高靜載體誘發(fā)沖擊，而堅(jiān)硬頂板破斷釋放大能量礦震與回采速度有明顯正相關(guān)，生產(chǎn)強(qiáng)度的控制現(xiàn)已作為發(fā)生大能量礦震及沖擊地壓事故的重要措施，現(xiàn)階段對生產(chǎn)強(qiáng)度的控制還停留在人為控制階段，主觀影響因素較大，給沖擊地壓防治工作帶來較大壓力。現(xiàn)智能化采煤工作面已能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控采煤機(jī)。通過設(shè)置采煤機(jī)運(yùn)行速度上限，實(shí)現(xiàn)特殊區(qū)段對回采速度的智能化控制，通過采煤機(jī)與液壓支架實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)實(shí)時(shí)定位，采煤機(jī)運(yùn)行信息通過智能化運(yùn)行環(huán)網(wǎng)，上傳至地面監(jiān)測室，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域生產(chǎn)強(qiáng)度的智能化實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。

圖4 回采強(qiáng)度與微震事件關(guān)系

2.2.3 防沖重點(diǎn)區(qū)域的智能化禁員管理

現(xiàn)沖擊地壓防治禁區(qū)管理主要是通過設(shè)置柵欄或者設(shè)置專人站崗，主觀影響因素大，可靠性差。在沖擊危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)置紅外感應(yīng)器，通過人員定位裝置與采掘工作面設(shè)備控制系統(tǒng)通訊，人員一旦進(jìn)入沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，采掘設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)，防止采掘擾動(dòng)誘發(fā)沖擊，降低沖擊發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。通過與工作面語音預(yù)警系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)人員進(jìn)入禁員區(qū)域時(shí)采掘工作面語音報(bào)警系統(tǒng)智能報(bào)警。

3 結(jié)論

用智能化實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)過程中的少人化甚至是無人化是煤炭行業(yè)發(fā)展趨勢，我國智能化采掘工作面已發(fā)展很成熟，特別是一些煤層賦存條件好的礦井，已實(shí)現(xiàn)少人化、自動(dòng)化，個(gè)別發(fā)展好的礦井，已實(shí)現(xiàn)無人化、智能化?，F(xiàn)有沖擊地壓防治的數(shù)據(jù)監(jiān)測已基本實(shí)現(xiàn)智能化，監(jiān)測數(shù)據(jù)分析正向著智能化方向發(fā)展，監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警信息智能化處理至今還無相關(guān)探討。利用現(xiàn)有采掘工作面成熟的智能化技術(shù)，進(jìn)行沖擊地壓時(shí)空重點(diǎn)管控，推動(dòng)沖擊地壓防治智能化跳躍式發(fā)展。