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        基于支架工作阻力大數(shù)據(jù)的工作面區(qū)域礦壓分析研究

        2019-12-13 07:38:04左凌云
        煤炭工程 2019年11期
        關(guān)鍵詞:礦壓阻力規(guī)律

        左凌云

        (山西煤炭進出口集團左云長春興煤業(yè)有限公司,山西 大同 037000)

        采場工作面推進過程中,工作面頂板礦壓規(guī)律分析與預(yù)測一直是困擾礦壓研究者的一個難題[1],礦壓研究的最終目的是對工作面頂板進行礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的預(yù)測預(yù)報,指導(dǎo)工作面現(xiàn)場安全高效生產(chǎn),而礦壓分析是預(yù)測預(yù)報的基礎(chǔ),要想對工作面頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行精準預(yù)測必須要對工作面頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行精準分析[2-4]。傳統(tǒng)的礦壓規(guī)律分析方法是用單架的支架工作阻力數(shù)據(jù)來代表一整片區(qū)域支架的工作阻力數(shù)據(jù)分析工作面頂板的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律,進而總結(jié)出整個工作面的礦壓規(guī)律[5-8],而用單架來代表區(qū)域的礦壓分析方法是不嚴謹?shù)?,在運算過程中必然存在誤差(除此之外當工作面頂板來壓不均衡或是液壓支架監(jiān)測分站本身的誤差),這就會導(dǎo)致單架分析不準確,單架分析不準確就不能保證對工作面礦壓規(guī)律進行精確分析。

        目前,隨著科學技術(shù)的發(fā)展與先進礦山設(shè)備的研發(fā),在礦山開采過程中,綜采工作面機械化程度越來越高,通過電液控設(shè)備記錄支架工作阻力的時間間隔越來越短,與之相對應(yīng)監(jiān)測到的礦壓顯現(xiàn)數(shù)據(jù)量則越來越龐大[9-12]。面對如此龐大的數(shù)據(jù)量,傳統(tǒng)的人工分析和半人工分析已經(jīng)不能夠解決,必須采用大數(shù)據(jù)手段對其分析處理,對數(shù)據(jù)進行區(qū)域分析處理,去偽存真,去粕取精,首先從支架工作阻力大數(shù)據(jù)中提取出對礦壓規(guī)律分析有用的數(shù)據(jù),然后進行工作面區(qū)域礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析,實現(xiàn)精準的礦壓分析與預(yù)測,以滿足現(xiàn)場實用要求。為此,區(qū)域礦壓分析概念應(yīng)運而生。姜福興教授[12]在對工作面進行分區(qū)時只是大致將工作面頂板劃分為“機頭區(qū)域”、“中間區(qū)域”和“機尾區(qū)域”,但是對區(qū)域的概念以及中間區(qū)域的細化分尚未明確定義。本文在對營盤壕礦2101工作面礦壓規(guī)律進行精確分析時,提出了工作面礦壓分析的區(qū)域概念,定義了區(qū)域的概念,并利用區(qū)域礦壓分析的方法對2101工作面礦壓規(guī)律進行精確分析。

        1 工作面概況

        營盤壕礦2101工作面為21采區(qū)的首采工作面,位于21采區(qū)北部,工作面埋深為712.6~726.9m,平均約721.2m,所采煤層為2-2煤,煤層厚度5.2~7.1m,平均煤厚6.3m,煤層傾角為0°~7°,平均3°,采用一次采全高采煤方法,工作面寬度300m,走向長度2077m。煤層直接頂和直接底均為砂質(zhì)泥巖,遇水軟化變形,巖石的力學強度較低,穩(wěn)固性較差。工作面頂?shù)装鍘r層情況見表1。

        表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

        工作面選用ZY20000/33.5/68D型中部支架,支架額定工作阻力為20000kN,支護強度為1.68MPa,支架高度3350~6800mm,工作面共安裝149組液壓支架。

        2 工作面區(qū)域劃分理論

        “上覆巖層運動與礦山壓力及其顯現(xiàn)的關(guān)系”是“反演”和“正演”巖層運動及其運動結(jié)果的理論基礎(chǔ)。通過支架工作阻力等礦山壓力顯現(xiàn)參數(shù)分析礦壓規(guī)律已經(jīng)是運用最為普遍的方法,僅以單架工作阻力分析礦壓規(guī)律已經(jīng)不能夠滿足工作面采場分區(qū)分塊來壓的普遍性規(guī)律,因此,進行工作面區(qū)域礦壓分析成為亟需解決的現(xiàn)實問題。

        2.1 區(qū)域劃分的理論基礎(chǔ)

        煤層開挖之后,圍巖應(yīng)力重新分布,在單一自重應(yīng)力場作用下,工作面頂板上覆巖層運動狀態(tài)如圖1所示,隨著采煤工作面的推進,沿著推進方向,當老頂達到極限跨距后,即發(fā)生初次斷裂,斷裂后的狀態(tài)一般可用圖1中A-A剖面所示。

        圖1 上覆巖層運動狀態(tài)示意圖

        老頂初次來壓之后,采煤工作面繼續(xù)推進,上覆巖層頂板斷裂所形成的結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化,如圖2所示。M3巖塊將從穩(wěn)定狀態(tài)進入斷裂狀態(tài),M2巖塊已經(jīng)完成周期斷裂狀態(tài),工作面頂板沿著走向是有規(guī)律的分區(qū)分塊斷裂的[10-12]。

        圖2 工作面走向上覆巖層運動狀態(tài)圖

        根據(jù)工作面采場頂板運動規(guī)律,對傾向方向上支架—圍巖關(guān)系進行分析。采煤工作面沿著傾向方向上覆巖層運動狀態(tài)如圖3所示。根據(jù)宋振騏院士的傳遞巖梁理論和錢鳴高院士的砌體梁理論,工作面上方頂板的斷裂呈“O-X”型斷裂形式,沿著工作面方向,可以把工作面分為機頭區(qū)域、中間區(qū)域和機尾區(qū)域。

        圖3 工作面傾向上覆巖層運動狀態(tài)圖(一)

        工作面現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜,上覆巖層具體巖性無法得知,即使是地質(zhì)勘查,也是隨機抽樣,不可能整個工作面都做鉆孔看頂?shù)装鍘r性?,F(xiàn)場大量數(shù)據(jù)顯示在工作面面長較大的情況下,由于斷層或是發(fā)育裂隙的影響,Ⅲ頂板可能不是一個完整的整體,可能在工作面中間某個區(qū)域發(fā)生斷裂,形成Ⅲ和Ⅳ兩個頂板,給發(fā)生斷裂的頂板進行劃區(qū),細化為中部1區(qū)和中部2區(qū),如圖4所示。

        圖4 工作面傾向上覆巖層運動狀態(tài)圖(二)

        2.2 區(qū)域的定義

        目前的礦壓分析方法以分析單架工作阻力數(shù)據(jù)得出整個工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的研究居多,但是,分析單架的工作阻力數(shù)據(jù)得出的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律會由于單架間的數(shù)據(jù)差異產(chǎn)生誤差,當某個支架阻力缺失或是安裝監(jiān)測分站的支架數(shù)量較少時,以單個支架的工作阻力分析得到的整個工作面的礦壓規(guī)律一定不太真實,不一定能完全反應(yīng)工作面現(xiàn)場來壓規(guī)律。按照分析單個支架工作阻力的數(shù)據(jù)分析方法分析得出的工作面來壓情況分布如圖5所示。圖中,灰色區(qū)域代表來壓,白色區(qū)域代表非來壓。

        圖5 工作面頂板來壓強度分布云圖

        從圖5中可以看出支架間的來壓步距還是有差異的,由圖中灰色區(qū)域分布規(guī)律可以看出工作面來壓是分區(qū)分段來壓的,且單個支架分析的礦壓規(guī)律的來壓時間和來壓范圍是不一樣的,基于這種工作面分區(qū)分段來壓的普遍性規(guī)律,在對工作面礦壓規(guī)律進行分析與預(yù)測之前,首先進行區(qū)域劃分。

        按照工作面布置方向和工作面推進方向把區(qū)域分為傾向區(qū)域和走向區(qū)域,將具有相鄰參數(shù)特征的支架在工作面方向進行分區(qū),將沿面長方向的區(qū)域定義為傾向區(qū)域;將頂板來壓特征規(guī)律在沿工作面推進方向進行分區(qū)(只分為來壓區(qū)和非來壓區(qū)),沿推進方向的區(qū)域定義為走向區(qū)域。沿傾向區(qū)域布置支架,同一區(qū)域內(nèi)所有支架組成的一個整體稱為大支架,此大支架上方支撐的頂板稱為大頂板,根據(jù)大支架和大頂板,研究工作面區(qū)域內(nèi)頂板運動礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。

        2.3 區(qū)域礦壓顯現(xiàn)特征參數(shù)

        劃分頂板來壓時,區(qū)域和單架上方頂板的方法并無差別,均采用“來壓判定公式判定值法”和“復(fù)合比較”判定方法或判據(jù)。

        2.3.1 來壓判定公式

        (1)

        2.3.2 復(fù)合比較法

        在來壓判定值判斷完來壓后,對來壓持續(xù)期間的壓力數(shù)據(jù)進行二次處理,比如:對于來壓期間夾雜著割煤1—3刀頂板壓力小應(yīng)視同為來壓。

        2.4 礦壓分析區(qū)域劃分流程

        按照以下流程對支架工作阻力大數(shù)據(jù)進行工作面區(qū)域礦壓分析:

        1)區(qū)域定義?;趩渭芄ぷ髯枇Φ牡V壓規(guī)律分析完成之后,首先對區(qū)域作定義,確定區(qū)域的概念。

        2)劃分區(qū)域。基于單架工作阻力的礦壓規(guī)律分析,根據(jù)礦壓顯現(xiàn)特征形成頂板管理分區(qū)習慣,一般將工作面相鄰的10個以上支架人為組合成一個區(qū)域。

        3)確定區(qū)域大支架的有效工作阻力。根據(jù)來壓機理確定一個來壓判定值標準,對區(qū)域頂板進行來壓劃分,確定區(qū)域來壓開始位置和來壓步距以及來壓強度和其他礦壓參數(shù)。

        4)區(qū)域礦壓分析結(jié)束之后,對區(qū)域的所有單架的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和區(qū)域礦壓顯現(xiàn)規(guī)律比較,檢驗單架和區(qū)域來壓吻合度。

        3 工作面區(qū)域礦壓分析現(xiàn)場應(yīng)用

        3.1 工作面概況

        以營盤壕煤礦2101工作面為例,該工作面共有149臺支架,將其劃分為15個區(qū)域,平均區(qū)域?qū)挾葹?0臺支架,且在礦壓分析過程中各區(qū)域位置和寬度不變。選取以“61#—70#”支架為區(qū)域的“中部4區(qū)”和“81#—90#”支架為區(qū)域的“中部6區(qū)”進行單架和區(qū)域的礦壓規(guī)律對比分析,這兩個區(qū)域的支架排布方式如圖6所示。

        圖6 中部4區(qū)和中部6區(qū)的支架排布方式

        3.2 來壓劃分

        根據(jù)區(qū)域單支架和大支架工作阻力自動分析并給出來壓判定值線,根據(jù)來壓判定方法和復(fù)合比較法生成工作面單架(66#和88#支架)和區(qū)域(中部4區(qū)和中部6區(qū))頂板周期來壓概化曲線和優(yōu)化曲線,分別如7、圖8所示。

        圖7 工作面單架頂板周期來壓劃分圖

        頂板周期來壓劃分圖中的三條曲線:第一條曲線為支架初撐力和末阻力曲線;第二條曲線稱之為概化周期來壓圖,即在來壓判據(jù)下定義超過來壓判定值的為來壓,低于來壓判定值的為非來壓;第三條曲線稱之為優(yōu)化周期來壓圖,即在復(fù)合比較法下對來壓數(shù)據(jù)做的優(yōu)化處理。

        3.3 區(qū)域來壓和單架來壓的吻合度

        將上述中工作面頂板的單架來壓優(yōu)化曲線和區(qū)域來壓優(yōu)化曲線做比較,以此來判斷區(qū)域來壓是否代表了區(qū)域內(nèi)所有支架的總體來壓特征。下面以61#—70#支架劃分為中部4區(qū),把支架優(yōu)化曲線單獨挑出,繪制成支架和區(qū)域的來壓對比曲線,如圖9所示。圖中橫向上,上方10條曲線代表著61#—70#支架的來壓優(yōu)化曲線,最下面一條曲線代表著中部4區(qū)(61#—70#支架)的來壓優(yōu)化曲線。由圖9可以看出,以10臺支架為一區(qū)域的支架區(qū)域來壓基本吻合,可以說把支架劃分為區(qū)域是可行而且有效的,即區(qū)域來壓能反映區(qū)域內(nèi)大部分單架的來壓特征。

        圖8 工作面區(qū)域頂板周期來壓劃分圖

        圖9 工作面中部4區(qū)(61#—70#支架)單架和區(qū)域范圍來壓優(yōu)化周期對比圖

        4 結(jié) 論

        1)基于支架工作阻力大數(shù)據(jù)的工作面區(qū)域礦壓分析的研究,反映了現(xiàn)場和理論研究中對于頂板整體運動規(guī)律和顯現(xiàn)的認知,提升了對工作面礦壓規(guī)律認識精準度。

        2)確定了區(qū)域的概念,把具有相同來壓規(guī)律的支架劃分到同一個區(qū)域內(nèi),求出區(qū)域內(nèi)來壓開始位置、來壓強度和來壓步距等來壓特征參數(shù),并和區(qū)域內(nèi)來壓特征參數(shù)做出比較,得出區(qū)域分析效果比單架分析效果好。

        3)工作面區(qū)域礦壓分析的研究,是礦壓大數(shù)據(jù)區(qū)域預(yù)測技術(shù)的基石,為后期新的工作面礦壓研究領(lǐng)域做鋪墊。

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