大傾角工作面礦壓分析及預(yù)警研究

岳學(xué)偉 YUE Xue-wei

（國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，銀川 751411）

0 引言

隨著煤炭需求的日益增加，近水平、緩傾斜煤層逐漸開采殆盡，大傾角煤層的開采越來越多。然而大傾角煤層的開采仍存在一些未解決的技術(shù)難題。針對大傾角開采的技術(shù)難題，近年來不少學(xué)者對大傾角煤層開采采場頂板結(jié)構(gòu)、工作面沿走向礦壓顯現(xiàn)特征以及圍巖災(zāi)害防治技術(shù)等相關(guān)理論進行了大量研究。但對工作面沿走向礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究相對較少，本文利用支架電液控數(shù)據(jù)及現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，對某煤礦220705綜采工作面煤層開采過程中工作面綜采區(qū)域礦壓分析及預(yù)警進行研究，旨在進一步確定支架載荷的分區(qū)特征，以便于提前做好頂板控制預(yù)警，防止頂板事故的發(fā)生。

1 工作面及基本支架參數(shù)

某礦220705工作面及其基本支架主要特征參數(shù)見表1。

表1 工作面及基本支架參數(shù)

2 工作面區(qū)域頂板周期來壓特征統(tǒng)計

220705工作面共布置96臺支架，此次分析，計算了工作面正常推進158.9-649.8m（約209個割煤循環(huán)）過程中8個區(qū)域工作阻力，統(tǒng)計工作面機頭區(qū)域（1-20#支架）、中部1區(qū)（21-30#支架）、中部2區(qū)（31-40#支架）、中部3區(qū)（41-50#支架）、中部4區(qū)（51-60#支架）、中部5區(qū)（61-70#支架）、中部6區(qū)（71-80#支架）、機尾區(qū)域（81-96#支架）共96個支架的工作阻力；以20、16、10、10、10、10、10、10臺支架寬度作為1個分析區(qū)域?qū)挾龋⒁詤^(qū)域內(nèi)全部支架同一循環(huán)工作阻力均值變化特征，研究工作面區(qū)域礦壓變化規(guī)律。

工作面區(qū)域頂板周期來壓特征計參數(shù)主要有：來壓時支架工作阻力判據(jù)來壓值、頂板穩(wěn)定運動（非來壓）步距及支架循環(huán)末阻力、來壓開始和結(jié)束時刻、頂板顯著運動（來壓持續(xù)）步距和支架循環(huán)末阻力、頂板周期來壓步距以及支架動載系數(shù)等。

分析數(shù)據(jù)可知，工作面推進158.9-649.8m過程中，機頭區(qū)域（1-20#支架）、中部1區(qū)（21-30#支架）、中部2區(qū)（31-40#支架）、中部3區(qū)（41-50#支架）、中部4區(qū)（51-60#支架）、中部5區(qū)（61-70#支架）、中部6區(qū)（71-80#支架）、機尾區(qū)域（81-96#支架）分別經(jīng)歷了5、7、11、8、4、8、6、1次完整的老頂周期來壓。

3 工作面區(qū)域頂板來壓步距分析

3.1 工作面區(qū)域頂板周期來壓步距

①頂板周期來壓步距變化范圍為27.9-268.8m，均值為83.6m，折合割煤刀數(shù)平均97刀；頂板周期來壓步距均方差為0.0-125.8m，其中機頭區(qū)域頂板周期來壓步距變化范圍最大，為3.8-324.8m。

②機頭區(qū)域來壓步距3.8-324.8m，均值為77.4m；中部1區(qū)來壓步距10.2-124.2m，均值為43.1m；中部2區(qū)來壓步距5.1-247.2m，均值為38.2m；中部3區(qū)來壓步距11.2-243.2m，均值為55.9m；中部4區(qū)來壓步距16.6-329.6m，均值為113.8m；中部5區(qū)來壓步距3.8-256.8m，均值為44.0m；中部6區(qū)來壓步距3.8-86.4m，均值為27.9m；機尾區(qū)域來壓步距268.8-268.8m，均值為268.8m。

3.2 工作面區(qū)域頂板相對穩(wěn)定運動步距

①頂板相對穩(wěn)定步距（也稱非來壓步距）變化范圍為22.7-208.0m，均值為63.2m，折合割煤刀數(shù)平均73刀；頂板相對穩(wěn)定步距均方差為0.0-101.4m，其中機頭區(qū)域頂板相對穩(wěn)定步距變化范圍最大，為2.4-264.0m。

②機頭區(qū)域來壓步距2.4-264.0m，均值為61.9m；中部1區(qū)來壓步距6.4-77.6m，均值為32.6m；中部2區(qū)來壓步距3.2-207.2m，均值為29.3m；中部3區(qū)來壓步距8.0-184.8m，均值為40.9m；中部4區(qū)來壓步距10.4-208.8m，均值為76.2m；中部5區(qū)來壓步距2.4-203.2m，均值為33.8m；中部6區(qū)來壓步距2.4-84.0m，均值為22.7m；機尾區(qū)域來壓步距208.0-208.0m，均值為208.0m。

3.3 工作面區(qū)域頂板顯著運動步距

①頂板顯著運動步距變化范圍為5.2-60.8m，均值為20.5m，折合割煤刀數(shù)平均24刀；頂板顯著運動步距均方差為0.0-48.1m，其中中部4區(qū)頂板顯著運動步距變化范圍最大，為6.2-120.8m；

②機頭區(qū)域來壓步距1.4-60.8m，均值為15.5m；中部1區(qū)來壓步距2.4-46.6m，均值為10.5m；中部2區(qū)來壓步距1.9-40.0m，均值為8.9m；中部3區(qū)來壓步距2.4-58.4m，均值為15.0m；中部4區(qū)來壓步距6.2-120.8m，均值為37.6m；中部5區(qū)來壓步距1.4-53.6m，均值為10.2m；中部6區(qū)來壓步距1.4-11.2m，均值為5.2m；機尾區(qū)域來壓步距60.8-60.8m，均值為60.8m。

3.4 工作面區(qū)域支架循環(huán)末阻力

支架循環(huán)末阻力是支架工作阻力是否滿足控頂要求的主要評判標(biāo)準(zhǔn)。

①非來壓時，工作面支架循環(huán)末阻力為5704-107723kN，均值為18837kN，占額定工作阻力（10000kN）的57%-1077%，平均188.37%；

來壓時，工作面支架循環(huán)末阻力為6452-435672kN，均值為60853kN，占額定工作阻力（10000kN）的65%-4357%，平均608.53%。

②非來壓時，工作面機尾區(qū)域平均末阻力最大，機頭區(qū)域平均末阻力最小；

來壓時，工作面機尾區(qū)域平均末阻力最大，機頭區(qū)域平均末阻力最小。

③非來壓時，支架循環(huán)末阻力均方差均值為9233kN，占額定工作阻力的92.33%；來壓時，支架循環(huán)末阻力均方差均值為13320kN，占額定工作阻力的133.20%。

工作面全部支架循環(huán)末阻力（頂板壓力）均以4000kN作為來壓判定值標(biāo)準(zhǔn)（大值標(biāo)準(zhǔn)）。

3.5 支架動載系數(shù)

頂板運動產(chǎn)生了支架工作阻力及其變化，可以用來壓前和來壓時支架上的頂板壓力差異來描述頂板運動對支架工作阻力的影響。動載系數(shù)KD=來壓時支架工作阻力／來壓前支架工作阻力。

①區(qū)域動載系數(shù)為1.1-6.2，均值為1.8，機尾區(qū)域支架動載系數(shù)均值最大，為6.2，機頭區(qū)域支架動載系數(shù)均值最小，為1.1。

②一般認為動載系數(shù)KD＜1.2為來壓不明顯；KD=1.2～1.5為來壓明顯；KD=1.5～2.0為來壓強烈；KD＞2為來壓非常強烈（超強烈）。由于220705工作面頂板來壓時支架動載系數(shù)均值為1.8。因此，可以認為220705工作面礦壓顯現(xiàn)為來壓強烈。

4 前期工作面礦壓分析和主要結(jié)論

4.1 工作面分區(qū)及來壓線

本工作面共布置96臺支架。以若干個相鄰支架作為一個區(qū)域，全工作面共劃分成頭三角1區(qū)、尾三角1區(qū)和中部6區(qū)共8個礦壓分析區(qū)域。

取支架電液控礦壓數(shù)據(jù)作為礦壓分析基礎(chǔ)信息，定義礦壓分析區(qū)域內(nèi)全部支架循環(huán)末阻力及其變化特征作為區(qū)域頂板來壓顯現(xiàn)的主要標(biāo)志，定制一個來壓線值，支架循環(huán)末阻力大于來壓線認為頂板來壓（顯著運動），小于來壓線為頂板不來壓（相對穩(wěn)定運動），8個區(qū)域有各自不同的來壓判定值標(biāo)準(zhǔn)（個性化標(biāo)準(zhǔn)）。

4.2 礦壓大數(shù)據(jù)分析主要成果

計算了工作面正常推進500.2-649.8m（2020年12月1日中班至2020年12月16日中班）149.6m（約173個割煤循環(huán)）過程中全部8個頂板區(qū)域支架工作阻力及來壓情況，工作面頂板平均經(jīng)歷了6次周期來壓。

本文列出了近期6個頂板來壓特征值，見表2。由表2可知：

表2 大數(shù)據(jù)頂板區(qū)域來壓特征（500.2-649.8m）

①8個區(qū)域頂板來壓線值為6181-253699kN（19.2-788.6MPa）。其中，機尾區(qū)域和中部4區(qū)來壓線最高，分別為253699kN（788.6MPa）和7638kN（23.7MPa）。

②頂板周期來壓步距均值50.8m，相對穩(wěn)定步距均值為32.4m，顯著運動步距均值為18.3m，區(qū)域動載系數(shù)均值為1.8，來壓顯現(xiàn)明顯，離散性較大。

③工作面不同部位頂板來壓顯現(xiàn)有明顯差別，來壓強度6579-435672kN（20.5-1354.3MPa）。礦壓顯現(xiàn)的區(qū)域主要集中在機尾區(qū)域和中部4區(qū)，來壓強度分別為435672kN（1354.3MPa）和7848kN（24.4MPa）。

④單支架工作阻力超額定工作阻力90%（來壓強烈）的比例，見表3。

表3 單架頂板強烈來壓以上顯現(xiàn)特征（500.2-649.8m）

⑤單支架動載系數(shù)超1.5（來壓強烈以上）的比例，見表3。

5 工作面區(qū)域來壓預(yù)警分析

5.1 工作面區(qū)域來壓預(yù)警約定

來壓預(yù)警是根據(jù)當(dāng)前工作面推進步距至649.8m一刀煤之前的礦壓大數(shù)據(jù)來壓分析，甄別目前割煤刀以及預(yù)警此后1-3刀割煤時頂板來壓情況，見表4。

表4 最大來壓強度2個區(qū)頂板來壓預(yù)警

5.1.1 當(dāng)前割煤刀來壓甄別

①統(tǒng)計工作面8個區(qū)域。其中0個頂板區(qū)域來壓。來壓區(qū)域?qū)挾日急?%。

②當(dāng)前割煤刀時頂板壓力最大的2個重點區(qū)域分別為：機尾區(qū)域不來壓，來壓強度5514kN（17.1MPa）；中部1區(qū)不來壓，來壓強度5400kN（16.8MPa）。

5.1.2 未來1-3刀割煤時來壓預(yù)警

應(yīng)判定每刀割煤時下列頂板來壓參數(shù)。未來1刀時：

①統(tǒng)計工作面8個區(qū)域。其中4個頂板區(qū)域來壓，來壓區(qū)域?qū)挾日急?0%。

②預(yù)警來壓強度最大的2個重點區(qū)域：機尾區(qū)域超強來壓，預(yù)警級別為III級，紅色預(yù)警，來壓強度120216kN（373.7MPa），動載系數(shù)KD=1.71：中部4區(qū)來壓明顯，預(yù)警級別為I級，黃色預(yù)警，來壓強度9321kN（29.0MPa），動載系數(shù)KD=1.42。

未來2刀和3刀時：工作面分別有6個和5個區(qū)域頂板來壓，見圖1。

圖1 頂板壓力綜合分析圖

注：紅色（Ⅲ級預(yù)警），表示超強來壓—區(qū)域支架工作阻力大于額定工作阻力的99%，支架循環(huán)活柱縮量明顯，或支架動載系數(shù)KD≥2.0；紫色（Ⅱ級預(yù)警），表示強烈來壓—區(qū)域支架工作阻力為額定工作阻力的90%～99%，或支架動載系數(shù)KD≥1.5；黃色（Ⅰ級預(yù)警），表示明顯來壓—區(qū)域支架工作阻力大于來壓線但小于額定工作阻力的90%，且支架動載系數(shù)KD：1.1～1.5；綠色（〇級預(yù)警），表示不來壓—區(qū)域架工作阻力小于來壓線，或支架動載系數(shù)KD＜1.1。

③區(qū)域內(nèi)超50%支架來壓且KD≥1.1時，判定為明顯來壓；超過2個支架為強烈來壓或KD≥1.5時，判定為強烈來壓；當(dāng)超過2個支架為超強來壓或KD≥2時，判定為超強來壓。詳細信息見表5。

表5 區(qū)域來壓預(yù)警統(tǒng)計表（未來1刀）

5.2 頂板來壓預(yù)警綜合圖

綜合圖反映采場推進方向3個位置頂板來壓狀態(tài)，見圖1。①采空區(qū)：2色彩云圖表示工作面后方采空區(qū)（500.2-649.8m）內(nèi)96臺支架上方的6-7個頂板周期來壓跨度范圍的頂板壓力分布情況。②當(dāng)前煤壁區(qū)：用方形4色塊表示當(dāng)前煤壁區(qū)內(nèi)區(qū)域頂板壓力情況。統(tǒng)計工作面8個區(qū)域，其中紅色預(yù)警的有0個區(qū)域；紫色預(yù)警的有0個區(qū)域；黃色預(yù)警的有0個區(qū)域。③預(yù)測區(qū)（1刀）：用圓形4色塊表示預(yù)測區(qū)內(nèi)區(qū)域頂板壓力預(yù)測情況。統(tǒng)計工作面8個區(qū)域，其中紅色預(yù)警的有1個區(qū)域；紫色預(yù)警的有0個區(qū)域；黃色預(yù)警的有4個區(qū)域。

6 小結(jié)

本文以支架電液控礦壓數(shù)據(jù)作為礦壓分析的基礎(chǔ)，對工作面區(qū)域頂板周期來壓步距、穩(wěn)定運動步距、顯著運動步距、支架循環(huán)末阻力進行了分析，研究了工作面推進過程中8個區(qū)域支架平均循環(huán)末阻力分布曲線，制定了8個區(qū)域來壓判定值標(biāo)準(zhǔn)（個性化標(biāo)準(zhǔn)），指出了工作面來壓的顯現(xiàn)規(guī)律，對工作面精準(zhǔn)的控制頂板來壓，防止頂板事故起到了顯著的指導(dǎo)作用，實現(xiàn)了綜采工作面煤層開采過程中工作面綜采區(qū)域礦壓分析及預(yù)警。