礦井頂板災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用及優(yōu)化研究

陳 峰

（山煤集團(tuán)豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041203 ）

礦井五大災(zāi)害中，頂板災(zāi)害是最嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1-2]。在我國(guó)，煤礦頂板事故以及頂板災(zāi)害在煤礦各類(lèi)事故災(zāi)害比例中一直居于前列，主要是因?yàn)轫敯迨鹿噬踔另敯鍨?zāi)害發(fā)生的區(qū)域性廣，頂板控制難度大。數(shù)據(jù)顯示，僅在2014年，全國(guó)煤礦發(fā)生的事故災(zāi)害以及因事故死亡人數(shù)分別為510起和921人，頂板事故發(fā)生的次數(shù)和因該事故而死亡的人數(shù)分別為196起和292人，分別占全國(guó)煤礦總事故和總死亡人數(shù)的38.4%和31.7%[3-4]。礦井頂板事故發(fā)生后，往往還會(huì)引發(fā)井下其他事故的發(fā)生，如設(shè)備損害、瓦斯災(zāi)害等。因此，加強(qiáng)頂板監(jiān)測(cè)及頂板管理已成為煤礦生產(chǎn)過(guò)程中必不可少的工作之一[5]。

山西豹子溝礦1201工作面位于背斜軸部附近，斷裂構(gòu)造及頂、底板裂隙較為發(fā)育，頂?shù)装鍘r層較為破碎，加之頂板水的影響，在工作面開(kāi)采過(guò)程中會(huì)面臨著工作面頂板來(lái)壓規(guī)律不清晰、回采巷道受超前支承壓力影響礦壓顯現(xiàn)特征異常等難題。因此，加強(qiáng)工作面頂板來(lái)壓規(guī)律監(jiān)測(cè)、工作面煤壁前方超前支承應(yīng)力監(jiān)測(cè)及巷道受采動(dòng)影響的動(dòng)態(tài)來(lái)壓影響監(jiān)測(cè)分析具有重要意義。

1 礦井頂板控制基礎(chǔ)理論研究

1.1 反映采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的主要物理參數(shù)

反映采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的主要物理參數(shù)主要有頂板狀態(tài)參數(shù)、采場(chǎng)支護(hù)參數(shù)。其中最主要為頂板狀態(tài)參數(shù)，包括頂?shù)装逡平俊⒍嗣婷案呒绊敯迮_(tái)階下沉量，參數(shù)的大小，直接影響工作面礦壓顯現(xiàn)。

（1）頂?shù)装逡平?/p>

對(duì)于頂?shù)装逡平康睦碚撚?jì)算，目前有兩種估算方法：

①按煤層采高及控頂距估算，可根據(jù)上覆巖層移動(dòng)規(guī)律，可以得出頂?shù)装逡平颗c煤層采高、控頂距成正比關(guān)系，即頂?shù)装逡平縎LD計(jì)算公式為：

式中：

SLD-頂?shù)装逡平?，mm；

M-煤層采高，m；

LD'-最大控頂距（煤壁至密集支柱、域柱或末排柱的距離），m；

η-下沉系數(shù)。

②按垮落帶或裂隙帶老頂?shù)南鲁亮抗浪?，最大控頂距處頂?shù)装逡平坑?jì)算公式為：

式中：

Δh-頂?shù)装逡平?，mm；

H-采深，m；

LD'-最大控頂距，m；

LKn'-破斷距，m。

應(yīng)當(dāng)指出，為進(jìn)行支柱選型而估算的頂板移近量，與保持頂板處于良好狀態(tài)的頂?shù)装逡平浚鋬?nèi)涵是不同的。

（2）端面冒高和頂板臺(tái)階下沉量

端面冒高不僅與頂板巖性有直接關(guān)系，也會(huì)因支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)方式的不同而不同。根據(jù)原西德對(duì)此問(wèn)題研究的結(jié)論，端面冒高與支護(hù)強(qiáng)度有關(guān)的界限為300mm，當(dāng)端面冒高小于300mm時(shí)，只與直接頂巖性有關(guān)，當(dāng)冒頂高度大于300mm時(shí)，只與支護(hù)強(qiáng)度有關(guān)。

一般認(rèn)為，臺(tái)階下沉量不超過(guò)100mm的工作面為安全工作面，頂板的狀態(tài)為好的，下沉量大于100mm但下沉頂板的長(zhǎng)度小于工作面的總長(zhǎng)時(shí)，同樣認(rèn)為頂板狀態(tài)較好。

1.2 回采工作面頂板的災(zāi)害型式及發(fā)生機(jī)理

（1）回采工作面頂板災(zāi)害型式

根據(jù)頂板事故范圍大小、事故的力源、按頂板塌垮運(yùn)動(dòng)和支架失穩(wěn)破壞特征以及大采高超長(zhǎng)工作面頂板災(zāi)害特征，可將常見(jiàn)的回采工作面的頂板災(zāi)害總結(jié)為如圖1所示的災(zāi)害模式。

圖1 回采工作面頂板災(zāi)害模式圖

（2）回采工作面頂板災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理

根據(jù)礦山壓力控制的原理，可知頂板災(zāi)害發(fā)生主要是由開(kāi)采后的采動(dòng)集中應(yīng)力分布狀況、頂板巖結(jié)構(gòu)組成條件、支架以及開(kāi)采相關(guān)條件所決定，則利用函數(shù)的一般通式關(guān)系可總結(jié)有：

式中：

Ms-采場(chǎng)頂板災(zāi)害模式；

τm-采動(dòng)應(yīng)力；

Ts-頂板結(jié)構(gòu)組成；

Sc-支架特性；

Mc-開(kāi)采技術(shù)條件。

回采工作面頂板災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理以及災(zāi)變控制流程見(jiàn)圖2。

圖2 回采工作面頂板災(zāi)害發(fā)生機(jī)理圖

2 預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

該系統(tǒng)地面部分設(shè)備主要有：監(jiān)測(cè)服務(wù)器、監(jiān)測(cè)主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜等；井下部分主要有：礦用本安型信號(hào)轉(zhuǎn)換器、礦用本安型監(jiān)測(cè)分站、支架壓力記錄儀、圍巖移動(dòng)傳感器、錨桿（索）測(cè)力計(jì)、礦用隔爆兼本安電源等設(shè)備。

（1）系統(tǒng)物理架構(gòu)

該頂板安全綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)總體分為四個(gè)層次：①礦壓數(shù)據(jù)采集層；②礦壓數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理；③礦壓數(shù)據(jù)應(yīng)用層；④數(shù)據(jù)展示層。設(shè)備主要有：監(jiān)測(cè)服務(wù)器、監(jiān)測(cè)主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、礦用本安型信號(hào)轉(zhuǎn)換器、礦用本安型監(jiān)測(cè)分站、支架壓力記錄儀、圍巖移動(dòng)傳感器、錨桿（索）測(cè)力計(jì)和礦用隔爆兼本安電源等。

（2）預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

利用該預(yù)警系統(tǒng)監(jiān)測(cè)記錄了1202工作面從5月17日至6月14日的支架壓力數(shù)據(jù)，礦壓觀測(cè)期間工作面共推進(jìn)80m。

從監(jiān)測(cè)結(jié)果圖3和圖4可以得到，該工作面的工作阻力普遍較低，在6000kN左右，安全閥開(kāi)啟率很低，只有1.24%，不保壓率為9.52%，工作面周期來(lái)壓步距分布區(qū)間為3.6～20m，平均9.85m，巷道深層位移最大值為3.4mm，淺層位移最大值為7.20mm，與其對(duì)應(yīng)的報(bào)警比例為15.32%和10.45%，工作面超前支承壓力的峰值位置位于工作面前42～47m，應(yīng)力集中系數(shù)最高達(dá)到3.77，錨桿錨索受力最大增值為3.4kN，最大增速為1.4kN/h 等。從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果可以得出，該系統(tǒng)在頂板狀態(tài)監(jiān)測(cè)是實(shí)時(shí)的，能及時(shí)對(duì)工作面的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行記錄和分析，包括工作面支架初撐力、工作阻力、工作面來(lái)壓步距以及頂?shù)装逡平俊⑾鲁了俣鹊鹊?，?duì)工作面的安全生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

圖3 部分支架工作阻力實(shí)測(cè)曲線(xiàn)

圖4 部分超前垂直應(yīng)力曲線(xiàn)圖

3 預(yù)警系統(tǒng)支護(hù)參數(shù)優(yōu)化

針對(duì)該礦的地質(zhì)條件，結(jié)合大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在該礦的礦壓監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，即選淺層頂板位移值、深層頂板位移值、頂部錨桿錨固力、頂部錨索錨固力、左幫淺層位移值、左幫深層位移值、左幫錨桿錨固力、右?guī)蜏\層位移值、右?guī)蜕顚游灰浦岛陀規(guī)湾^桿錨固力10個(gè)支護(hù)參數(shù)指標(biāo)，分別用A、B、C、D、E、F、G、H、I、J表示。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中的實(shí)測(cè)值為A'、B'、C'、D'、E'、F'、G'、H'、I'、J'，根據(jù)實(shí)測(cè)值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，對(duì)不滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)的，系統(tǒng)將及時(shí)反饋，給出合理的補(bǔ)救措施。具體思路如下：（1）如果A'＞A或E'＞E或H'＞H，頂板、左幫或右?guī)兔颗旁黾右桓^桿，或縮小排距100mm；（2）如果B'＞B（頂板深層位移量），頂錨索長(zhǎng)度增加200mm，或增加一根錨索；（3）如果A'＜A且C'＞C或G'＞G或J'＞J，將頂錨桿、左幫或右?guī)湾^桿直徑加大2mm，或改用強(qiáng)度更高的材質(zhì)；（4）如果B'＜B、D'＞D，將頂錨索加粗，或改用強(qiáng)度更高的材質(zhì)；（5）如果A'＞A或E'＞E或H'＞H，且C'＞C或G'＞G或J'＞J，將頂板、左幫或右?guī)兔颗旁黾右桓^桿或縮小排距100mm，且頂板、左幫或右?guī)湾^桿直徑加大2mm，或改用強(qiáng)度更高的材質(zhì)；（6）如果F'＞F或I'＞I（左、右?guī)蜕顚游灰屏浚瑤湾^索長(zhǎng)度增加200mm，或增加一根錨索。

4 結(jié)論

針對(duì)工作面斷裂構(gòu)造及頂、底板裂隙較為發(fā)育，頂?shù)装鍘r層較為破碎，利用頂板災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)工作面頂板來(lái)壓規(guī)律實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及監(jiān)測(cè)工作面煤壁前方超前支承應(yīng)力和巷道受采動(dòng)影響的動(dòng)態(tài)來(lái)壓影響監(jiān)測(cè)，對(duì)工作面支架、巷道支護(hù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并對(duì)監(jiān)測(cè)支護(hù)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了工作面安全高效生產(chǎn)。