郭宏偉，劉 正

(國能神東煤炭集團有限責任公司 移動應用開發(fā)項目部，陜西 榆林 719315)

0 引言

補連塔煤礦是國能神東煤炭集團有限責任公司主力礦井之一，礦井位于內蒙古鄂爾多斯市伊旗烏蘭木倫鎮(zhèn)，東以烏蘭木倫河西緣為界，南與上灣井田為鄰，西與察哈素井田毗鄰，北與李家塔井田接壤。井田面積106.6 km2，地質儲量18.6億t，剩余可采儲量12.1億t，核定生產能力2 800萬t/a，為典型的薄基巖、淺埋深、厚松散層覆巖頂板。

12514綜采面是補連塔煤礦的主采工作面，該面平均采高7.26 m，為一次性采全高綜采工作面，平均日進尺14 m左右。由于該綜采面采高大、開采強度大，使得采場頂板覆巖運動較為復雜，工作面來壓顯現劇烈，大大增加了煤壁大面積片幫、頂板大面積來壓及異常壓架等事故的發(fā)生概率。因此，開展補連塔煤礦12514綜采面薄基巖、淺埋深、大采高綜采面礦山壓力規(guī)律分析及預測預報具有研究意義。

1 12514綜采工作面概況

1.1 綜采工作面現狀

12514綜采面為1-2煤五盤區(qū)第8個綜采面，南側為12513綜采面采空區(qū)，東側為1-2煤五盤區(qū)3條大巷和1-2煤四盤區(qū)采空區(qū)，北側為正在準備的12515綜采面，西側為規(guī)劃的12518綜采面。地面標高1 314～1 340 m，底板標高1 039.8～1 060.5 m，埋深274.2～279.5 m。

工作面傾斜長度327.7 m，推采長度3 088.8 m，可回采面積101.21萬m2，可采儲量895.21萬t，煤層厚度4.4～8.8 m，平均7.26 m，煤層傾角1°～3°，采用傾斜長壁后退式開采一次采全高全部垮落法處理采空區(qū)的綜合機械化采煤法進行回采作業(yè)，使用ZY21000/36.5/80D型液壓支架。工作面按16刀/d組織生產，日進尺13.84 m，生產強度較大。

1.2 綜采工作面開采地質條件

回采范圍內地表溝谷較為發(fā)育，第四系黃土、殘堆積層、沖洪積層等分布于山梁、山坡及溝谷地帶，顯示侵蝕性丘陵地貌特征，具體見表1。

表1 補連塔煤礦12514綜采面煤層頂底板情況

2 12514綜采面礦山壓力規(guī)律分析

2.1 礦壓監(jiān)測數據分析

2.1.1 統(tǒng)計學分析方法

統(tǒng)計分析方法主要指統(tǒng)計學中的數量關系分析方法。數量關系分析方法是運用統(tǒng)計學中論述的方法對礦壓數據的數量表現，包括數據的規(guī)模、水平、速度、結構比例、數據之間的聯系進行分析的方法。如對比分析法、平均和變異分析法、綜合評價分析法、結構分析法、平衡分析法、動態(tài)分析法、因素分析法、相關分析法等。本節(jié)主要對實時礦壓數據進行了均值、方差、標準差、中位數、眾數、峰度、偏度、置信區(qū)間等參數進行分析，利用統(tǒng)計學規(guī)律尋找礦壓數據之間的內在關系。對選定區(qū)間內所有液壓支架的監(jiān)測數據進行技術分析，分析結果見表2。

表2 62#～98#支架礦壓特征分析結果

由表2實測統(tǒng)計可得出，工作面由300.2 m推采至391.0 m過程中，共來壓7次，平均來壓步距13.79 m，顯著來壓步距平均3.71 m。

2.1.2 礦壓熱力圖分析法

12514綜采面開采熱力圖，如圖1所示。

圖1 12514綜采面開采熱力圖Fig.1 Thermal diagram of mining at 12514 fully mechanized mining face

熱力圖顯示分8個等級，0～25.2 MPa顯示為白色、25.2～30 MPa顯示為淺綠色、30～35 MPa顯示為綠色、35～40 MPa顯示為橙黃色、40～45 MPa顯示為紅色、45～50 MPa顯示為紫色、50～55 MPa顯示為黃色、55～60 MPa顯示為藍色。其中，提取40 MPa及以上數據作為顯著來壓區(qū)域，對礦壓監(jiān)測數據進行深度分析，并根據分析結果和熱力圖自動繪制三維曲面模型和三維曲面投影圖。

根據圖1所示提取礦壓監(jiān)測相關數據，共提取礦壓顯現明顯區(qū)域9次，具體情況見表3。

表3 12514綜采面整體分析礦壓顯現數據

通過表3可得出，基于熱力圖的分析方法提取來壓比較明顯區(qū)間9次，平均來壓步距21.24 m，顯著來壓步距平均5.34 m。

2.2 對比分析

通過對補連塔煤礦12514綜采面礦壓實測數據進行分析，可以看出基于統(tǒng)計學與熱力圖的分析方法，對來壓比較明顯的區(qū)間進行提取與分析。

由于統(tǒng)計學分析是針對綜采面某一區(qū)間范圍內所有支架點進行統(tǒng)計分析，數據存在不連續(xù)性，其數據的提取具有局部與片面性；基于熱力圖的分析方法是針對某一范圍內的所有支架進行統(tǒng)計分析，其數據具有“面”的連續(xù)特性，分析結果相對比較全面、客觀。

3 礦壓監(jiān)測軟件分析

3.1 熱力圖分析

補連塔煤礦12514綜采面三維曲面模型如圖2所示。基于區(qū)間優(yōu)化算法，得到頂板來壓明顯的區(qū)域如圖3所示。

圖2 補連塔煤礦12514綜采面三維曲面模型Fig.2 3D curved surface model of 12514 fully mechanized mining face in Bulianta Coal Mine

圖3 補連塔煤礦12514綜采面三維曲面來壓標注Fig.3 3D curved surface weighting marking of 12514 fully mechanized mining face in Bulianta Coal Mine

按照計算方式，對三維曲面進行二維投影，投影云圖如圖4所示?；趨^(qū)間優(yōu)化算法，得到頂板來壓明顯的區(qū)域如圖5所示。

圖4 補連塔煤礦12514綜采面三維曲面投影Fig.4 3D curved surface projection of 12514 fully mechanized mining face in Bulianta Coal Mine

圖5 補連塔煤礦12514綜采面三維曲面投影標注Fig.5 3D curved surface projection annotation of 12514 fully mechanized mining face in Bulianta Coal Mine

3.2 礦壓熱力圖分析

3.2.1 基于時間的礦壓熱力圖

傳統(tǒng)的礦壓熱力圖以時間為橫軸，如圖6所示。

圖6 基于時間的礦壓熱力圖Fig.6 Time-based thermal map of mine pressure

3.2.2 基于推進距離的礦壓熱力圖

較基于時間的礦壓熱力圖，基于推進距離的礦壓熱力圖更能結合空間推進關系，進一步反映頂板的運動情況。如圖7所示。

圖7 基于推進距離的礦壓熱力圖Fig.7 Thermal map of mine pressure based on advancing distance

3.2.3 來壓信息自動提取

通過圖像處理的邊緣檢測算法，進行礦壓熱力圖數據的過濾及處理。每次來壓開始、來壓持續(xù)到來壓結束，綜采面總體礦壓都是一個逐漸提升到峰值后逐漸下降的過程，其邊緣的概念明顯。依靠邊緣檢測算法，可以有效過濾掉邊緣干擾信息，使來壓信息成為一個聚合的“云朵”。通過分析計算可以獲取到來壓強度、來壓面積、持續(xù)距離、周期來壓距離等?！霸啤迸c“云”之間的關系信息包括,平常距離、平常強度、周期來壓步距及動載比等。圖8為周期來壓步距示意圖。

圖8 來壓步距示意Fig.8 Schematic of the weighting step distance

4 智能化來壓預測及實時預警

系統(tǒng)在周期性來壓云圖展示的基礎上，對每次周期性來壓情況進行分析。通過把每次周期性來壓的來壓強度、來壓面積進行量化，并建立復雜的模型，分析出每次周期性來壓的開始和結束時間，計算出來壓步距。

周期性來壓分析出后，系統(tǒng)會自動根據近期歷史周期性來壓的數據，對下次周期性來壓的時間和位置做出預測，并及時發(fā)出預警信息，提示相關部門和人員采取針對性措施，提高安全生產的管控水平。圖9為工作面來壓預測圖，其中的黃色線條為周期性來壓預測線。

圖9 來壓預測圖Fig.9 Prediction of weighting

5 結論

(1)通過對基于統(tǒng)計學與熱力圖的分析方法進行對比分析可以看出，由于統(tǒng)計學分析是針對綜采面某一區(qū)間范圍內所有支架點進行統(tǒng)計分析，數據存在不連續(xù)性，其數據的提取有局部與片面性；而基于熱力圖的分析方法是針對某一范圍內的所有支架進行統(tǒng)計分析，其數據具有“面”的連續(xù)特性，分析結果相對比較全面、客觀。

(2)基于熱力圖的礦壓分析方法是基于采場來壓整體受力而言，由于目前補連塔煤礦液壓支架阻力普遍較大，從采場頂板控制以及液壓支架工況分析的角度看，該種分析方法提出的來壓區(qū)域對煤礦安全管理的指導意義更大。

(3)通過補連塔煤礦礦壓災害安全監(jiān)控遠程預警快速響應智能防控體系平臺，可以直觀地得出基于推進距離的礦壓熱力圖、基于時間的礦壓熱力圖和周期來壓預測圖，及時發(fā)出預警信息，提示相關部門和人員采取針對性措施，提高安全生產的管控水平。該礦壓規(guī)律深度分析和周期來壓預測預報方法對提升神東礦區(qū)其他礦井礦壓管理水平具有借鑒和參考價值。