李安民，張 寧,2，隋 健，玄立明

(1.兗煤澳大利亞有限公司，新南威爾士州 悉尼 2000；2.山東能源集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

當(dāng)今世界，人工智能大熱，國(guó)內(nèi)煤炭工業(yè)緊跟浪潮開(kāi)啟了如火如荼的智能化礦山建設(shè)革命，全國(guó)各地智能化采掘技術(shù)、智能化裝備、智能化監(jiān)測(cè)監(jiān)控等儼然成為衡量行業(yè)發(fā)展水平的重要指標(biāo)[1]。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外煤炭行業(yè)智能化監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用[2-4]，通過(guò)對(duì)澳大利亞某礦LVA長(zhǎng)壁工作面可視化監(jiān)控系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)“LVA系統(tǒng)”)的數(shù)據(jù)采集、共享和數(shù)據(jù)處理方法的介紹，全面展示了澳大利亞長(zhǎng)壁工作面自動(dòng)化礦壓分析和預(yù)警技術(shù)；通過(guò)多維度數(shù)據(jù)分析，探索建立了若干指標(biāo)輔助現(xiàn)場(chǎng)安全管理和指導(dǎo)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，對(duì)于國(guó)內(nèi)智能化礦山建設(shè)和工程技術(shù)人員業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)具有積極的參考價(jià)值。

1 礦井概況

某礦位于澳大利亞?wèn)|海岸紐卡斯?fàn)柮禾铮鞑擅簩雍穸?.5～7.5 m，傾角4°，埋深450～700 m。煤層頂板為砂巖、粉砂巖互層，厚度達(dá)20 m，煤層底板為薄層狀泥巖、黏土巖、粉砂巖、砂巖，厚度約2 m，下覆較厚的礫巖層。按照中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展了礦井沖擊傾向性鑒定，經(jīng)測(cè)定該礦主采煤層和頂板巖層均具有弱沖擊傾向性。

2016年以來(lái)，該礦多次發(fā)生沖擊地壓事件，嚴(yán)重影響了礦井的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)。為了安全、經(jīng)濟(jì)地管控沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)，盡快恢復(fù)正常生產(chǎn)作業(yè)，該礦與設(shè)備供應(yīng)商一起研究建成了澳洲首個(gè)無(wú)人化開(kāi)采長(zhǎng)壁工作面，并通過(guò)LVA系統(tǒng)的應(yīng)用收集了豐富的礦山壓力數(shù)據(jù)，為長(zhǎng)壁工作面的礦壓管理和防沖安全評(píng)價(jià)提供了可靠的技術(shù)支持。

2 長(zhǎng)壁工作面可視化監(jiān)控系統(tǒng)

作為澳大利亞煤炭工業(yè)智能化監(jiān)控體系的重要組成部分，LVA系統(tǒng)是一款集連續(xù)工作阻力監(jiān)測(cè)、分析、形象化顯示以及割煤路線(xiàn)追蹤等功能為一體的礦壓分析軟件包。該系統(tǒng)自2006年第一版試行以來(lái)，被迅速推廣至澳大利亞各州井工礦以及美國(guó)和南非的部分煤炭企業(yè)，并被用于高等院校礦業(yè)工程專(zhuān)業(yè)的教學(xué)和展示[5]。

智能化工作面配置的LVA系統(tǒng)主界面設(shè)定了6個(gè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警儀表盤(pán)，分別表征低于額定工作阻力的液壓支架數(shù)、升柱后開(kāi)始減阻時(shí)間、直接頂板的破斷程度、工作面液壓支架工作阻力峰值區(qū)平均壓力、工作面來(lái)壓變化趨勢(shì)以及冒頂風(fēng)險(xiǎn)。并且，系統(tǒng)對(duì)每項(xiàng)表征指標(biāo)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)，用“綠-橙-紅”分別表示低、中、高風(fēng)險(xiǎn)，直觀(guān)地顯示了采場(chǎng)礦山壓力與支護(hù)狀態(tài)。此外，該系統(tǒng)還具有以下功能(圖1)：

圖1 LVA系統(tǒng)主界面

1) 系統(tǒng)的訪(fǎng)問(wèn)用戶(hù)可以無(wú)限擴(kuò)展，支持任何數(shù)量的用戶(hù)同時(shí)、實(shí)時(shí)訪(fǎng)問(wèn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2) 系統(tǒng)支持多站點(diǎn)訪(fǎng)問(wèn)，技術(shù)人員或高管可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)異地遠(yuǎn)程調(diào)閱多座礦井的監(jiān)控界面。

3) 實(shí)時(shí)顯示液壓支架工作阻力、采煤機(jī)位置、推移千斤頂行程，同時(shí)保留了有關(guān)氣體濃度、支架支撐高度及綜放技術(shù)參數(shù)擴(kuò)展端口。

4) 自動(dòng)化礦壓分析，并生成支護(hù)工作阻力曲線(xiàn)、漏竄千斤頂標(biāo)注、讓壓卸載支架數(shù)量巡檢、初始增阻速率監(jiān)測(cè)及工作面來(lái)壓、冒頂?shù)鹊V壓事件預(yù)警等。

3 基于LVA系統(tǒng)的來(lái)壓預(yù)警技術(shù)

3.1 預(yù)警指示參數(shù)

在采用LVA系統(tǒng)進(jìn)行來(lái)壓預(yù)警過(guò)程中，比較關(guān)鍵的3個(gè)指示參量為工作面來(lái)壓趨勢(shì)指數(shù)(WDI)、冒頂風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)(CRI)和卸載次數(shù)(YC)。這是基于LVA系統(tǒng)用戶(hù)的大量聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合液壓支架初始增阻速率和卸載事件設(shè)定的全真指示參數(shù)。液壓支架的初始增阻速率是頂板來(lái)壓比較靈敏的判據(jù)，它的變化反應(yīng)了頂板的活動(dòng)情況，它與支架的工作阻力變化一致，但可以消除循環(huán)時(shí)間帶來(lái)的影響[6]。

CRI指數(shù)表示潛在冒頂事件在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的可能性，WDI指數(shù)則表示工作面覆巖運(yùn)動(dòng)和加載的趨勢(shì)，YC指數(shù)則被用于輔助確定覆巖運(yùn)動(dòng)的活躍程度。綜合考量3個(gè)指示參數(shù)共同預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)頂板來(lái)壓風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)三者達(dá)到預(yù)設(shè)臨界值或呈現(xiàn)特定變化趨勢(shì)時(shí)，可觸發(fā)來(lái)壓預(yù)警，并提示作業(yè)人員及時(shí)采取應(yīng)急響應(yīng)措施。

3.2 來(lái)壓事件應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案

利用LVA系統(tǒng)的頂板來(lái)壓預(yù)警和自動(dòng)化礦壓分析功能，結(jié)合礦井實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中的地質(zhì)和礦壓管理經(jīng)驗(yàn)，可以編制來(lái)壓事件應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案。表1為某礦基于LVA系統(tǒng)編制的來(lái)壓事件應(yīng)急響應(yīng)預(yù)案，即LVA系統(tǒng)在預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)長(zhǎng)壁工作面液壓支架工作狀態(tài)進(jìn)行巡檢，巡檢內(nèi)容包含：

1) 在一個(gè)完整工作循環(huán)中液壓支架是否出現(xiàn)快速增阻狀態(tài)，即加載速率>0.5 MPa/min。

2) 在一個(gè)完整工作循環(huán)中液壓支架是否出現(xiàn)卸載狀態(tài)(額定阻力32 MPa，卸載閾值42 MPa)。

3) 在一個(gè)完整工作循環(huán)中液壓支架出現(xiàn)的讓壓卸載次數(shù)。

當(dāng)支架初始增阻速率大于0.5 MPa/min并出現(xiàn)安全閥開(kāi)啟卸壓現(xiàn)象時(shí)，該組支架會(huì)被自動(dòng)標(biāo)注為一個(gè)觸發(fā)事件，若在連續(xù)相鄰20組支架中有10組及以上支架被標(biāo)記為觸發(fā)事件，則WDI指數(shù)進(jìn)入紅色預(yù)警狀態(tài)；若在連續(xù)相鄰20組支架中超過(guò)5組且少于10組支架被標(biāo)記為觸發(fā)事件，則WDI指數(shù)顯示橙色預(yù)警狀態(tài)。

4 LVA系統(tǒng)在沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

LVA系統(tǒng)的自動(dòng)來(lái)壓分析功能可以根據(jù)長(zhǎng)壁工作面平均工作阻力、初始增阻速率及讓壓卸載次數(shù)等參數(shù)的預(yù)設(shè)臨界值，自動(dòng)生成工作面來(lái)壓分布圖，來(lái)壓分布圖可以電子化編輯或覆蓋在采掘工程、地質(zhì)工程等圖件上進(jìn)行綜合分析，同時(shí)可以導(dǎo)出來(lái)壓時(shí)間、來(lái)壓范圍及相應(yīng)液壓支架工作阻力等電子數(shù)據(jù)，方便更為深入地處理分析。

圖2為某礦區(qū)域沖擊危險(xiǎn)區(qū)劃分圖，預(yù)評(píng)價(jià)過(guò)程中考慮了歷史工作面的頂板來(lái)壓影響因素。工作面開(kāi)采結(jié)束后，筆者對(duì)兩個(gè)長(zhǎng)壁工作面的監(jiān)測(cè)來(lái)壓事件和沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)進(jìn)行了復(fù)審。從B5工作面的來(lái)壓分布來(lái)看，當(dāng)工作面進(jìn)入“硬頂-硬底”結(jié)構(gòu)區(qū)域時(shí)，監(jiān)測(cè)來(lái)壓事件呈現(xiàn)頻次增加、步距縮短的現(xiàn)象，且來(lái)壓范圍增大，而該區(qū)域在預(yù)評(píng)價(jià)報(bào)告中被劃分為強(qiáng)沖擊和中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)，與評(píng)價(jià)結(jié)果互證。

此外，LVA監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)壁工作面的來(lái)壓步距差異性較大，這與普遍認(rèn)知的周期來(lái)壓理論略有不同，這是由LVA系統(tǒng)對(duì)來(lái)壓事件監(jiān)測(cè)的敏感度決定的，即LVA系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果不僅包括連續(xù)、均質(zhì)地層條件下的老頂周期性破斷來(lái)壓，還包括由于地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)采環(huán)境、長(zhǎng)時(shí)段停面等時(shí)空因素引起的特殊時(shí)段、特殊區(qū)域的頂板來(lái)壓。因此，通過(guò)應(yīng)用LVA系統(tǒng)進(jìn)行來(lái)壓監(jiān)測(cè)和分析比傳統(tǒng)人工礦壓觀(guān)測(cè)更為全面、客觀(guān)和科學(xué)。

為了進(jìn)一步總結(jié)規(guī)律，筆者對(duì)5個(gè)長(zhǎng)壁工作面的來(lái)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行了進(jìn)一步整理(表2)，可以得出：

表2 某礦B采區(qū)長(zhǎng)壁工作面LVA監(jiān)控來(lái)壓參數(shù)

1) 來(lái)壓事件主要在工作面中部顯現(xiàn)，來(lái)壓范圍大致在第31～第117號(hào)架范圍內(nèi)。

2) 大的來(lái)壓事件前后會(huì)伴隨小范圍的局部來(lái)壓現(xiàn)象，每次來(lái)壓涉及的支架數(shù)約58～91架，約占全面支架總數(shù)的44%～69%。

3) B2首采工作面平均來(lái)壓步距為14 m，相比其他沿空工作面，首采工作面來(lái)壓周期性更強(qiáng)。

4) B5工作面在進(jìn)入“硬頂-硬底”結(jié)構(gòu)區(qū)之前，平均來(lái)壓步距約為24 m，進(jìn)入“硬頂-硬底”區(qū)域后，平均來(lái)壓步距約為9 m。

如圖3所示，對(duì)B3～B6長(zhǎng)壁工作面來(lái)壓事件頻次進(jìn)行線(xiàn)性擬合，統(tǒng)一各工作面的開(kāi)切眼位置，方便對(duì)比分析?？梢钥闯觯?dāng)B5工作面進(jìn)入“硬頂-硬底”區(qū)域后(約670 m進(jìn)尺點(diǎn)處)，來(lái)壓頻次曲線(xiàn)急劇上升，斜率增大。B4工作面在開(kāi)采臨近斷層構(gòu)造時(shí)呈現(xiàn)相同的增勢(shì)，圖3中兩橢圓位置所示的兩區(qū)域皆被評(píng)價(jià)為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)。而在其他不存在 “硬頂-硬底” 或斷層構(gòu)造的區(qū)域，頂板來(lái)壓頻次曲線(xiàn)的斜率非常穩(wěn)定且相近?？梢?jiàn)，斷層構(gòu)造和堅(jiān)硬頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)可增加頂板來(lái)壓的頻次，縮短來(lái)壓步距，頂板來(lái)壓事件的統(tǒng)計(jì)分析對(duì)局部沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)具有重要指示意義。

圖3 B3～B6工作面頂板來(lái)壓事件頻次曲線(xiàn)

5 頂板來(lái)壓與其他動(dòng)力事件之間的聯(lián)系

2018年，澳大利亞新南威爾士州頒布補(bǔ)充法案具體定義了沖擊地壓和震動(dòng)引起的松散煤體墜落、煤炮、片幫等動(dòng)力現(xiàn)象。法案認(rèn)為，煤炮、片幫等低水平動(dòng)力事件盡管沒(méi)有引起大面積煤體失穩(wěn)和變形，但仍可能預(yù)示沖擊危險(xiǎn)性的增加[7]。為了探索上述動(dòng)力事件與頂板來(lái)壓之間的關(guān)聯(lián)性，筆者對(duì)某礦5個(gè)長(zhǎng)壁工作面的有關(guān)動(dòng)力事件進(jìn)行了整理分析。

5.1 頂板來(lái)壓與煤炮事件的聯(lián)系

國(guó)內(nèi)外礦業(yè)界對(duì)于“Coal bump”的研究應(yīng)用比較普遍，但是對(duì)其定義不盡統(tǒng)一。結(jié)合澳大利亞煤炭工業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)管理實(shí)踐，比較貼切的中文釋義為“煤炮”，即煤層地壓顯現(xiàn)出來(lái)的煤體深部發(fā)生錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的響聲(悶雷聲、機(jī)槍聲、沙沙聲等)[8]。早在1983年，國(guó)內(nèi)便有工程技術(shù)人員將煤炮作為評(píng)價(jià)瓦斯突出危險(xiǎn)的“一種簡(jiǎn)單、實(shí)用又便于掌握的定性方法”[9]。兗煤澳大利亞有限公司在現(xiàn)場(chǎng)礦山開(kāi)采過(guò)程中建立了長(zhǎng)期、系統(tǒng)的煤炮跟蹤評(píng)價(jià)制度，并根據(jù)伴隨的片幫、震動(dòng)、聲響等進(jìn)行了強(qiáng)度量化分級(jí)。

圖4是某礦B5工作面開(kāi)采過(guò)程中煤炮事件的頻次、強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)與來(lái)壓事件的對(duì)比情況?？梢钥闯?，相對(duì)于煤炮頻次曲線(xiàn)，來(lái)壓頻次與煤炮強(qiáng)度曲線(xiàn)表現(xiàn)出更為一致的變化趨勢(shì)。當(dāng)工作面推進(jìn)至705.5 m位置后，頂板來(lái)壓頻次曲線(xiàn)斜率突變，來(lái)壓事件數(shù)量開(kāi)始增多；工作面推進(jìn)至651.2 m進(jìn)尺點(diǎn)時(shí)，來(lái)壓頻次顯著增多。相應(yīng)的，煤炮曲線(xiàn)斜率突變點(diǎn)發(fā)生在662 m進(jìn)尺點(diǎn)(接近“硬頂-硬底”區(qū)域)，落后于頂板來(lái)壓頻次曲線(xiàn)約43.5 m，之后工作面煤炮數(shù)量開(kāi)始激增，直至工作面推采至632.9 m工作面調(diào)整開(kāi)采計(jì)劃后，煤炮頻次增速開(kāi)始放緩并趨于穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，頂板來(lái)壓頻次對(duì)于采場(chǎng)地質(zhì)因素變化較煤炮強(qiáng)度變化具有更高敏感性，可以為煤炮事件的發(fā)生提供前兆信息，同時(shí)間接評(píng)估覆巖運(yùn)動(dòng)的活躍程度。

圖4 頂板來(lái)壓與煤炮事件統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)

5.2 頂板來(lái)壓與面內(nèi)動(dòng)力顯現(xiàn)的聯(lián)系

據(jù)統(tǒng)計(jì)，B5工作面共計(jì)推進(jìn)770 m，累計(jì)發(fā)生煤壁片幫、炸幫15次，面內(nèi)沖擊2次，如圖5所示。

圖5 工作面內(nèi)部動(dòng)力顯現(xiàn)情況統(tǒng)計(jì)

從動(dòng)力事件顯現(xiàn)的時(shí)序關(guān)系可以看出：

1) 面內(nèi)沖擊發(fā)生前、后均有片幫、炸幫現(xiàn)象發(fā)生。

2) 面內(nèi)動(dòng)力事件顯現(xiàn)期間，長(zhǎng)壁工作面頂板來(lái)壓頻次顯著增加，頂板活動(dòng)頻繁。

3) 面內(nèi)動(dòng)力顯現(xiàn)集中發(fā)生在工作面累計(jì)來(lái)壓次數(shù)曲線(xiàn)斜率0.12～0.225之間，即基于LVA系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的累積來(lái)壓事件統(tǒng)計(jì)規(guī)律，如果工作面每回采20 m，頂板來(lái)壓數(shù)達(dá)到2～5次，則工作面出現(xiàn)片幫、炸幫甚至面內(nèi)沖擊的風(fēng)險(xiǎn)性將進(jìn)一步升高。

5.3 頂板來(lái)壓與微震事件的聯(lián)系

研究[10]發(fā)現(xiàn)微震活動(dòng)與圍巖來(lái)壓加載系數(shù)、動(dòng)力場(chǎng)變化存在一定關(guān)系，并用以監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)隧道開(kāi)挖過(guò)程中的沖擊地壓風(fēng)險(xiǎn)和發(fā)生概率。某工作面開(kāi)采期間累計(jì)定位微震事件32 440個(gè)，釋放總能量1.5×107J。LVA系統(tǒng)監(jiān)測(cè)自1 118～308 m推進(jìn)范圍內(nèi)發(fā)生來(lái)壓事件46次，來(lái)壓步距在3.2～45 m范圍不等。

圖6為頂板來(lái)壓事件與累計(jì)微震能量、頻次統(tǒng)計(jì)圖。觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，在頂板來(lái)壓步距存在顯著差異的條件下，單位來(lái)壓周期內(nèi)微震事件呈現(xiàn)近似 “階段能量守恒” 狀態(tài)，并且這種能量守恒狀態(tài)在不同開(kāi)采階段和地質(zhì)因素的綜合影響下逐漸失恒并形成新的能量平恒，與長(zhǎng)壁工作面不同開(kāi)采階段的覆巖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和活躍程度具有明顯的關(guān)聯(lián)性和指示性，因此，在綜合考慮微震事件能級(jí)和頻次的條件下，可將單位來(lái)壓周期內(nèi)累計(jì)微震能量作為長(zhǎng)壁工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的一項(xiàng)輔助參考指標(biāo)。當(dāng)相鄰兩個(gè)或兩個(gè)以上來(lái)壓周期內(nèi)微震頻次和能量 “近似守恒”時(shí)，工作面對(duì)應(yīng)沖擊危險(xiǎn)狀態(tài)可評(píng)價(jià)為低風(fēng)險(xiǎn)；若不守恒，則結(jié)合同期微震頻次和能級(jí)變化評(píng)價(jià)工作面沖擊危險(xiǎn)為中等或高風(fēng)險(xiǎn)，最終評(píng)價(jià)等級(jí)還需進(jìn)一步考慮地質(zhì)構(gòu)造等因素的疊加影響。澳大利亞某長(zhǎng)壁工作面基于微震活動(dòng)和頂板來(lái)壓因素給出的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)情況如圖6和表3所示。

圖6 長(zhǎng)壁工作面微震活動(dòng)能量、頻次統(tǒng)計(jì)

表3 基于微震和頂板來(lái)壓事件的沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

6 結(jié) 語(yǔ)

1) 智能化采煤工作面通過(guò)裝配LVA可視化監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工作面冒頂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、頂板來(lái)壓預(yù)警及自動(dòng)化礦壓分析等，根據(jù)WDI等關(guān)鍵監(jiān)控指標(biāo)可以進(jìn)一步編制和完善礦井風(fēng)險(xiǎn)管理應(yīng)急預(yù)案，提高現(xiàn)場(chǎng)安全管理水平。此外，通過(guò)可視化監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)巡檢功能，可以使長(zhǎng)壁工作面機(jī)械工程師更加方便、快捷和準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)和定位故障支架區(qū)，極大地方便了設(shè)備檢修和維護(hù)。

2) LVA系統(tǒng)對(duì)于頂板來(lái)壓事件的監(jiān)測(cè)敏感性較高，監(jiān)測(cè)結(jié)果不僅包括連續(xù)、均質(zhì)地層條件下的老頂周期性破斷來(lái)壓，同時(shí)還包括由于地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)采環(huán)境、長(zhǎng)時(shí)段停面等時(shí)空因素引起的特殊時(shí)段、特殊區(qū)域的頂板來(lái)壓，監(jiān)測(cè)結(jié)果，比傳統(tǒng)人工礦壓觀(guān)測(cè)更為全面、客觀(guān)和科學(xué)。

3) 斷層構(gòu)造和堅(jiān)硬頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)可增加頂板來(lái)壓的頻次，縮短來(lái)壓步距；頂板來(lái)壓事件與煤炮、煤壁片幫、面內(nèi)沖擊以及采場(chǎng)微震活動(dòng)存在顯著的關(guān)聯(lián)性，基于LVA系統(tǒng)的頂板來(lái)壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì)分析對(duì)局部沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)具有重要指示意義。