梁國(guó)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(guó)雖然礦產(chǎn)資源豐富,但礦產(chǎn)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(chǎn)出少、開采技術(shù)難度大,產(chǎn)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(xué)吳士良教授提出的礦壓分析基礎(chǔ)是將支架工作阻力時(shí)間壓力關(guān)系轉(zhuǎn)換為步距壓力關(guān)系,根據(jù)支架圍巖關(guān)系模型,將支架的最大末阻力約等于頂板來(lái)壓強(qiáng)度,將支架移架循環(huán)、采礦循環(huán)、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(lái)壓強(qiáng)度,有效的指導(dǎo)沖擊傾向性礦層工作面生產(chǎn)[1,2]。
張雙樓礦現(xiàn)已進(jìn)入深部開采(-1000m 水平),主采的9 號(hào)礦傾角18°~40°,平均25°,厚度為2.6m ~4.5m,平均3.6m,地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)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(lái)壓及周期來(lái)壓步距、掌握采空區(qū)下采場(chǎng)頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律,為沖擊地壓防治措施制定提供依據(jù)意義深遠(yuǎn)。
我礦現(xiàn)開采的94101 工作面位于-1000m 水平延伸采取,工作面標(biāo)高為-968.7m~-1062.2m、地面標(biāo)高+37.6m,上覆74101 工作面、7123 工作面采空區(qū),南臨9121 工作面采空區(qū),東部、北部均為未采區(qū)。工作面走向長(zhǎng)1360m、傾向長(zhǎng)204m,安裝136 臺(tái)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(xì)砂巖,局部發(fā)育一層厚0m~1.4m 泥巖。同時(shí),工作面深部開采受沖擊地壓影響為中等沖擊危險(xiǎn),需要采取卸壓及加強(qiáng)支護(hù)等沖擊地壓防治措施。
目前多數(shù)學(xué)者對(duì)與礦壓的研究重點(diǎn)集中在支架工作阻力數(shù)據(jù),分析采場(chǎng)工作面的礦壓規(guī)律,根據(jù)支架工作阻力數(shù)據(jù),判斷出礦壓規(guī)律隨支架間的數(shù)據(jù)變化而發(fā)生變化,當(dāng)遇到安裝監(jiān)測(cè)分站的支架數(shù)量不夠或者出現(xiàn)個(gè)別支架阻力缺失時(shí),以單個(gè)支架的工作阻力去推斷全部采場(chǎng)工作面的礦壓規(guī)律缺乏嚴(yán)謹(jǐn)性,造成分析判斷出現(xiàn)較大的誤差。為此依據(jù)礦山采場(chǎng)工作面推進(jìn)方向以及布置方向?qū)袇^(qū)劃分為兩個(gè)大的區(qū)域,即走向區(qū)域和傾向區(qū)域,將參數(shù)特征相似的支架在工作面的方向進(jìn)行一個(gè)區(qū)域劃分,傾向區(qū)域歸屬于采場(chǎng)工作面的面長(zhǎng)方向;設(shè)定非來(lái)壓區(qū)和來(lái)壓區(qū),兩區(qū)域的特征規(guī)律依照采場(chǎng)工作面的推進(jìn)方向進(jìn)行劃分,走向區(qū)域即為推進(jìn)方向的區(qū)域[3]。
依照不同區(qū)域?qū)ΦV壓進(jìn)行有效分析的相關(guān)思路,在得到礦壓數(shù)據(jù)情況下分析所使用的相關(guān)技術(shù):
(1)采場(chǎng)開采的循環(huán)聚類。詳細(xì)的解釋是這種循環(huán)聚類能夠?qū)⒅Ъ茉诠ぷ髑闆r下的末阻力和初掌力進(jìn)行篩選。
(2)橫向區(qū)域的自動(dòng)化分。
(3)采場(chǎng)不同區(qū)域內(nèi)的支架工作阻力研究和相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的求取。因先關(guān)研究存在差異,支架的工作阻力可視為一個(gè)新概念,在預(yù)測(cè)模型中可以當(dāng)做一個(gè)物理定義[4]。
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(tǒng)的礦壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法。礦山采場(chǎng)工作面實(shí)行礦壓預(yù)測(cè)時(shí),礦壓的頂板巖層會(huì)出現(xiàn)明顯的運(yùn)移變化和周期性斷裂,主要可能引發(fā)礦山壓力分布變化和部分區(qū)域支撐力的變化,圍巖運(yùn)動(dòng)受礦山壓力變化的影響。礦山壓力和頂板運(yùn)動(dòng)之間存在一定的聯(lián)系,采場(chǎng)工作面的頂板運(yùn)動(dòng)是一種不確定因素,因此無(wú)法進(jìn)行規(guī)律預(yù)測(cè)。而礦山壓力分布也是不確定因素;而諸如支架壓力、巷道頂?shù)装逡七M(jìn)量、工作面頂板等礦山壓力顯現(xiàn)是很容易測(cè)量的,因此,可以通過(guò)礦山壓力顯現(xiàn)的已知因素推斷上覆巖層運(yùn)動(dòng)和礦山壓力分布的未知因素[5,6]。
監(jiān)測(cè)方案和測(cè)區(qū)布置:
(1)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況:工作面安裝一套KJ564 礦山壓力實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可集中連續(xù)的監(jiān)測(cè)整個(gè)工作面的礦山壓力、頂板動(dòng)態(tài)環(huán)境等參數(shù),在監(jiān)控主機(jī)屏幕上可以顯示不同的曲線、圖形和表格等,具有數(shù)據(jù)存貯、超限報(bào)警、輸出控制、打印各種報(bào)表和曲線等多種功能。
(2)工作面支架工作阻力測(cè)線布置:每個(gè)監(jiān)測(cè)分站包含兩個(gè)監(jiān)測(cè)通道,分別與支架的前后立柱相連。共布置20 個(gè)監(jiān)測(cè)分站,從7#支架開始安裝,第二個(gè)在20#支架,最后一個(gè)監(jiān)測(cè)分站在117#支架,每隔5 個(gè)支架安裝一個(gè)監(jiān)測(cè)分站,監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄并傳輸20 個(gè)支架的工作阻力,工作面相鄰5 個(gè)支架定義為一條測(cè)線,共20 條測(cè)線。工作面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)區(qū)布置如圖1 所示。
圖1 KJ564 礦山壓力工作面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)區(qū)布置示意圖
(3)支架初撐力分布。
圖2 6 條測(cè)線支架初撐力和循環(huán)末阻力變化曲線
(1)根據(jù)工作面頂?shù)装鍡l件,94101 工作面基本頂之上為7采空區(qū),且頂板賦存較薄,采動(dòng)后彈性能釋放,分析動(dòng)載主要來(lái)自于基本頂斷裂。
(2)工作面頂板初次來(lái)壓步距為32.5m,周期來(lái)壓步距為14.9m,其中顯著運(yùn)動(dòng)步距為2.7m。通過(guò)對(duì)6 條測(cè)線支架工作阻力實(shí)測(cè)分析,支架初撐力統(tǒng)計(jì)均值3322kN,占額定初撐力的65.6%,遠(yuǎn)沒有達(dá)到初撐力的80%(4051kN)的管理目標(biāo)要求,初撐力利用率偏低。支架循環(huán)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(guò)對(duì)微震日釋放能量曲線推斷分析,推斷頂板初次來(lái)壓步距36.8m,周期來(lái)壓步距14.8m,與支架實(shí)測(cè)來(lái)壓步距結(jié)果基本吻合,可以說(shuō)明誘發(fā)沖擊礦壓的動(dòng)載主要來(lái)自于基本頂斷裂。根據(jù)分析觀察,微震日釋放總能量與次數(shù)變化曲線與支架循環(huán)末阻力曲線具有相似性,都存在周期性變化。
(4)礦壓大數(shù)據(jù)觀測(cè)和分析揭示了頂板破斷能量變化和工作面頂板周期性運(yùn)動(dòng)規(guī)律,為礦井沖擊地壓的防治和預(yù)警提供了新途徑。