龐軍林

(內(nèi)蒙古伊泰京粵酸刺溝礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000)

基于統(tǒng)計(jì)分析法的工作面來(lái)壓預(yù)測(cè)研究

龐軍林

(內(nèi)蒙古伊泰京粵酸刺溝礦業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000)

Prediction of Underground Pressure Behavior in Mining Face Based on Statistic Analysis

為解決酸刺溝105－2工作面末采期間壓力大不利于回撤問(wèn)題，對(duì)該工作面進(jìn)行了礦壓監(jiān)測(cè)，并基于統(tǒng)計(jì)分析法對(duì)工作面來(lái)壓進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。結(jié)果表明:該工作面周期來(lái)壓可劃分為3個(gè)階段:壓力緩和階段、壓力升高階段和大面積來(lái)壓階段。安全閥開(kāi)啟率、工作面平均工作阻力及加權(quán)工作阻力曲線變化趨勢(shì)基本一致，屬于頂板壓力顯現(xiàn)強(qiáng)度正相關(guān)的參數(shù)，可通過(guò)工作面支架工作阻力狀態(tài)評(píng)價(jià)頂板壓力顯現(xiàn)程度，并根據(jù)相關(guān)參數(shù)的擬合公式對(duì)后續(xù)來(lái)壓參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

統(tǒng)計(jì)分析;來(lái)壓預(yù)測(cè);礦壓觀測(cè);周期來(lái)壓

長(zhǎng)期以來(lái)，采礦科技工作者們通過(guò)理論分析、相似模擬、數(shù)值計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)工作面頂板來(lái)壓強(qiáng)度、來(lái)壓步距、頂板下沉量、來(lái)壓時(shí)刻和來(lái)壓影響距離等參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究［1－4］。頂板礦壓顯現(xiàn)預(yù)測(cè)方法主要有概率統(tǒng)計(jì)法、模糊數(shù)學(xué)法、物理力學(xué)法和計(jì)算機(jī)智能法。但是，由于工作面賦存條件的復(fù)雜多變性，加之各礦區(qū)技術(shù)和設(shè)備條件相差較大，迄今并未建立起通用的預(yù)測(cè)模型。

近幾年來(lái)，支架工作阻力監(jiān)測(cè)設(shè)備制造水平得到了較快發(fā)展，具備適應(yīng)井下惡劣環(huán)境、監(jiān)測(cè)周期短、井上下同步顯示、局域網(wǎng)同步查看、自動(dòng)分析、初撐力不足報(bào)警、實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)、支架效能監(jiān)測(cè)等功能。通過(guò)監(jiān)測(cè)支架工作阻力，可反映頂板壓力顯現(xiàn)變化，礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)備的大規(guī)模推廣應(yīng)用為實(shí)施基于概率統(tǒng)計(jì)法的來(lái)壓預(yù)測(cè)提供了可能，加密測(cè)點(diǎn)可顯著提高此方法的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。

1 工作面概況

酸刺溝6上105－2工作面位于酸刺溝井田南部一盤區(qū)6上煤層，東鄰6上107膠運(yùn)巷和6上107工作面未開(kāi)采煤體，西鄰6上103－2工作面采空區(qū)，南鄰6上煤105－1工作面與6上煤105－2之間煤柱，北鄰6上105－2主設(shè)備撤出巷。對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為1112～1197m，對(duì)應(yīng)井下標(biāo)高為908～993m。工作面走向長(zhǎng)度1356m，傾斜長(zhǎng)度245m，煤層平均厚度7.14m，傾角0～5°。

工作面礦壓觀測(cè)采用天地科技股份有限公司自主研發(fā)的KJ21型礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)壓力巡檢時(shí)間短，只有2s，壓力變化大于1MPa時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。工作面共安裝46臺(tái)記錄儀，約3部支架布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)可監(jiān)測(cè)支架前后柱工作阻力變化。為保證工作面順利回撤，避免回撤期間工作面大面積來(lái)壓，以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)末采期間的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行分析總結(jié)及預(yù)測(cè)。

2 來(lái)壓規(guī)律

為了直觀分析不同時(shí)空位置的工作面壓力情況，繪制了工作面2011年4月7日至11月14日共221d的支架日加權(quán)工作阻力三維等值線圖，如圖1所示。沿工作面走向，間隔有高壓力帶和低壓力帶出現(xiàn)，且具有一定的影響時(shí)間，說(shuō)明頂板壓力顯現(xiàn)有周期性。從三維圖上分析，正常推進(jìn)期間的礦壓周期規(guī)律更為明顯。沿工作面傾向，工作面兩端壓力小于工作面中部，高壓力區(qū)主要集中在40～120號(hào)支架之間，不同位置頂板來(lái)壓時(shí)序與強(qiáng)度存在差異。

圖1 日加權(quán)工作阻力三維等值線

周期來(lái)壓分析以支架的平均循環(huán)末阻力與其均方差之和作為判斷頂板周期來(lái)壓的主要指標(biāo)，各支架來(lái)壓判據(jù)如表1所示。

表1 支架周期來(lái)壓判據(jù)

圖2和圖3為30號(hào)支架和100號(hào)支架的循環(huán)末阻力曲線圖，30號(hào)和100號(hào)支架各判斷出4次來(lái)壓。

圖2 30號(hào)支架循環(huán)末阻力曲線

圖3 100號(hào)支架循環(huán)末阻力曲線

6上105－2工作面一個(gè)周期來(lái)壓的周期約為3～4d，周期來(lái)壓步距約15～35m，平均周期來(lái)壓步距為20.2m，來(lái)壓平均動(dòng)載系數(shù)1.35。

圖4為工作面平均工作阻力曲線圖，根據(jù)變化趨勢(shì)，一個(gè)周期基本可劃分為3個(gè)階段。

圖4 工作面平均工作阻力曲線

(1)壓力緩和階段 上一個(gè)周期工作面大面積來(lái)壓后，采空區(qū)頂板充分垮落，工作面頂板壓力迅速下降，處于壓力緩和階段，此階段持續(xù)約1～2d，推進(jìn)距離5～15m。

(2)壓力升高階段 隨著推進(jìn)距離的增加，懸頂面積加大，支架支撐的上覆巖層重量增加，工作面頂板壓力逐漸顯現(xiàn)，發(fā)生局部來(lái)壓現(xiàn)象，此階段持續(xù)約1d，推進(jìn)距離5～10m。

(3)大面積來(lái)壓階段 懸頂面積增加到一定程度后，誘發(fā)工作面大面積來(lái)壓，頂板壓力普遍較大，來(lái)壓影響距離5～10m左右，高壓力持續(xù)一段時(shí)間后，進(jìn)入下一個(gè)周期的壓力緩和階段。

工作面回撤期間，理想狀態(tài)是位于壓力緩和階段，有利于回撤支架。6上105－2工作面埋藏較淺，來(lái)壓強(qiáng)度大，支架最大工作阻力超過(guò)18000kN的比例高，回撤期間工作面大面積來(lái)壓極易造成壓架事故。采取有效手段對(duì)末采期間的來(lái)壓規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，制定針對(duì)措施，改變來(lái)壓參數(shù)，可避免掛網(wǎng)和回撤期間頂板壓力顯現(xiàn)異常。

3 預(yù)測(cè)方法分析

支架受力狀態(tài)反映頂板壓力顯現(xiàn)強(qiáng)度，頂板周期性來(lái)壓引起支架工作阻力不斷變化，為研究工作阻力變化特征與周期來(lái)壓之間的關(guān)系，選取工作面安全閥開(kāi)啟率、平均工作阻力和加權(quán)工作阻力變化作為相關(guān)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析 (見(jiàn)圖5～圖7)。

圖5 安全閥開(kāi)啟率變化

圖6 平均工作阻力曲線

分析圖5～圖7可知，安全閥開(kāi)啟率、工作面平均工作阻力及加權(quán)工作阻力曲線變化趨勢(shì)基本一致，屬于頂板壓力顯現(xiàn)強(qiáng)度正相關(guān)的參數(shù)。當(dāng)安全閥開(kāi)啟率大于8%，平均工作阻力大于8000kN，加權(quán)工作阻力大于7500kN時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)工作面片幫嚴(yán)重，判據(jù)判斷超過(guò)50架支架來(lái)壓，工作面處于大面積來(lái)壓階段;當(dāng)安全閥開(kāi)啟率小于3.5%，平均工作阻力小于5000kN，加權(quán)工作阻力小于4000kN，此時(shí)工作面片幫少，僅可判斷5架以下支架工作阻力超過(guò)來(lái)壓判據(jù)，工作面處于壓力緩和階段。

圖7 加權(quán)工作阻力曲線

統(tǒng)計(jì)分析監(jiān)測(cè)的相關(guān)參數(shù)，作出擬合公式，公式 (1)為平均工作阻力與推進(jìn)度的擬合關(guān)系式。通過(guò)計(jì)算可對(duì)后期的來(lái)壓情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并通過(guò)判據(jù)對(duì)壓力顯現(xiàn)程度進(jìn)行判斷。

y=0.0036x5－0.0002x4+0.0577x3－5.7719x2+ 219.8x+2885.8 (1)

為提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，需提高監(jiān)測(cè)點(diǎn)的密度，增加數(shù)據(jù)量，采用多參數(shù)預(yù)測(cè)方法。6上105－2工作面末采期間推進(jìn)至距回撤通道28m時(shí)，處于周期來(lái)壓的壓力緩和階段，通過(guò)擬合計(jì)算預(yù)測(cè)推進(jìn)至回撤通道時(shí)的工作面平均工作阻力8005kN，為大面積來(lái)壓階段，不利于回撤支架。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，采取了超前頂板弱化措施，縮短了周期來(lái)壓步距。

4 結(jié)論

(1)6上105－2工作面周期來(lái)壓可劃分為3個(gè)階段:壓力緩和階段、壓力升高階段和大面積來(lái)壓階段。工作面回撤期間，理想狀態(tài)是位于壓力緩和階段，有利于回撤支架。

(2)經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，安全閥開(kāi)啟率、工作面平均工作阻力及加權(quán)工作阻力曲線變化趨勢(shì)基本一致，屬于頂板壓力顯現(xiàn)強(qiáng)度正相關(guān)的參數(shù)。

(3)頂板周期性來(lái)壓引起支架工作阻力不斷變化，可通過(guò)工作面支架工作阻力狀態(tài)評(píng)價(jià)頂板壓力顯現(xiàn)程度，并根據(jù)相關(guān)參數(shù)的擬合公式對(duì)后續(xù)1～2次來(lái)壓參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

［1］譚云亮，趙衛(wèi)東.礦壓參量的遞進(jìn)灰色預(yù)測(cè)方法［J］.山東礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1992，3(1):1－6.

［2］姚建國(guó)，郭藩強(qiáng)，馮夏庭，等.采用自適應(yīng)模式識(shí)別方法預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)礦壓顯現(xiàn)［A］.中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)第四次學(xué)術(shù)大會(huì)論文集［C］.北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1996.

［3］袁義魯，魏建青，梁廣鋒.采用灰色等維拓?fù)漕A(yù)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)63上10工作面頂板來(lái)壓的近中期預(yù)報(bào) ［J］.煤礦開(kāi)采，1996(S1):29－36.

［4］楊 碩.基于PSO－BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的淺埋煤層工作面頂板礦壓預(yù)測(cè)研究［D］.西安:西安科技大學(xué)，2010.

［5］黃慶享.采場(chǎng)老頂初次來(lái)壓的結(jié)構(gòu)分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，1998，17(5):521－526.

［6］劉小明，來(lái)興平，崔 峰，等.復(fù)雜煤層6.2m大采高支架工況監(jiān)測(cè)與分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(3):29－31.

［責(zé)任編輯:潘俊鋒］

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1006-6225(2012)04-0093-03

2012－05－04

龐軍林 (1970－)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任內(nèi)蒙古伊泰京粵酸刺溝礦業(yè)有限責(zé)任公司董事長(zhǎng)、總經(jīng)理。