大采高工作面礦壓規(guī)律自動(dòng)分析與仿真研究

王 超,謝佳玉,徐放艷,孔 超

(1.兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273500；2.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；3.山東思科賽德礦業(yè)安全工程有限公司，山東 泰安 271000；4.山東愛拓軟件開發(fā)有限公司，山東 泰安 271000)

0 引 言

我國的煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，水、火、瓦斯、煤塵、頂板五大災(zāi)害時(shí)刻威脅著煤礦安全[1-3]。而頂板安全一直是煤礦管理的重點(diǎn)，在工作面生產(chǎn)中，頂板的控制及管理一直以來都靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，但僅靠簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)管理指導(dǎo)生產(chǎn)，會(huì)導(dǎo)致較大的誤差，增大頂板來壓事故發(fā)生的概率，嚴(yán)重威脅工作面的安全生產(chǎn)[4-6]。在2025智慧礦山發(fā)展前景下[7-9]，生產(chǎn)工作環(huán)境要求的不斷提高，及部分地區(qū)煤礦安全生產(chǎn)要求的嚴(yán)格也在倒逼煤礦生產(chǎn)技術(shù)的全面提升和變革。因此建立礦壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)改變煤礦安全生產(chǎn)的現(xiàn)狀有著十分重大的意義[10-12]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)工作面來壓進(jìn)行預(yù)測(cè)的研究也較多[13]，1995年就有學(xué)者指出采場(chǎng)來壓預(yù)測(cè)系統(tǒng)[14]，谷栓成等[15]通過灰色控制理論對(duì)頂板周期來壓步距進(jìn)行預(yù)測(cè)，李小永等[16]提出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)預(yù)測(cè)工作面來壓，上述預(yù)測(cè)方法均取得較好預(yù)測(cè)結(jié)果，但是預(yù)測(cè)工藝復(fù)雜，且誤差不可控，不利于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用。研發(fā)的大采高礦壓規(guī)律分析與仿真系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)仿真模擬、相似采區(qū)礦壓數(shù)據(jù)對(duì)比等手段預(yù)測(cè)分析礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律，不但能在工作面開采前進(jìn)行礦壓預(yù)測(cè)，還能在工作面開采中進(jìn)行實(shí)測(cè)礦壓數(shù)據(jù)在線分析，不斷對(duì)采場(chǎng)建模參數(shù)進(jìn)行校訂,重新進(jìn)行新一輪的模擬反演，減小預(yù)測(cè)誤差的同時(shí)給出工作面液壓支架選型設(shè)計(jì)，達(dá)到了工業(yè)控制領(lǐng)域提倡的“PDCA”循環(huán)的效果，為智能開采做準(zhǔn)備的同時(shí)也為身處一線仍無法擺脫惡劣工作面環(huán)境的職工提供更好保障。

1 工作面基本條件

兗礦集團(tuán)營(yíng)盤壕煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市西南部的烏審旗境內(nèi)，礦區(qū)內(nèi)可采煤層有2-1、2-2、3-2、4-2、5-1、6-1等6個(gè)煤層，各煤層的平均可采高度均高于4.5 m。2201工作面為營(yíng)盤壕煤礦首采工作面，工作面位于22采區(qū)南部，西鄰36～29采氣井保護(hù)煤柱線，東鄰24～38采氣井保護(hù)煤柱線，北鄰2202工作面(設(shè)計(jì))，南鄰21采區(qū)，平均埋深721 m，水平傾角5°，煤層厚度在5.1～7.1 m。工作面設(shè)計(jì)傾斜長(zhǎng)度300 m，走向長(zhǎng)度2 505 m，開采高度6.3 m，采用走向長(zhǎng)壁采煤法，一次采全高后退式開采，全部垮落法管理頂板。2201 工作面綜合柱狀如圖1所示。

圖1 2201工作面綜合鉆孔柱狀Fig.1 Comprehensive borehole histogram of No.2201 working face

2 上覆巖層結(jié)構(gòu)模擬分析

根據(jù)礦區(qū)埋藏深、中厚基巖、大采高的地質(zhì)特點(diǎn)，作者與山東科技大學(xué)礦壓分析團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)了大采高礦壓自動(dòng)分析與仿真系統(tǒng)。

2.1 上覆巖層結(jié)構(gòu)分析

為提高分析結(jié)果對(duì)整個(gè)工作面的適應(yīng)性，系統(tǒng)采用綜合鉆孔錄入的巖層厚度的平均值與最大值分別進(jìn)行模擬分析，然后對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行融合，見表1、表2。系統(tǒng)可以分別使用撓曲算法與步距算法進(jìn)行分析[17-18]：

1)撓曲算法：根據(jù)巖梁彎曲變形時(shí)橫截面形心沿軸線垂直方向的位移進(jìn)行判斷的一種方法。該種方法與巖梁的厚度、彈性模量有關(guān)。相鄰巖層同時(shí)運(yùn)動(dòng)組成同一巖梁則：

(1)

巖層分別運(yùn)動(dòng)(不組成同一巖梁)則:

(2)

式中：ES為下層巖層的彈性模量,Pa；MS為下層巖層的厚度，m；EC為上層巖層彈性模量，Pa；MC為上層巖層的厚度，m。

2)步距算法：根據(jù)上層巖層與下層巖層的裂斷步距差異進(jìn)行判斷的方法。

相鄰巖層同時(shí)運(yùn)動(dòng)組成同一巖梁則:

CS≥kCC

(3)

相鄰巖層分別運(yùn)動(dòng)(不組成同一巖梁)則:

CS

(4)

式中：CS和CC分別為下部和上部巖層按各自厚度和巖性強(qiáng)度計(jì)算的初次裂斷或周期性裂斷步距，m；k為富裕系數(shù)，k=1.15～1.25。

平均巖層厚度的撓曲算法見表1，最大巖層厚度的步距算法見表2。由表1和表2可以看出，由于使用鉆孔巖層的厚度發(fā)生較大變化，采動(dòng)造成的上覆巖層的結(jié)構(gòu)也有較大差距，考慮工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為2 500 m，2201工作面的礦壓基本規(guī)律歸納見表3，可以看出，2201工作面采動(dòng)中，上覆巖層變化較大，直接頂厚度在9 m以上，不會(huì)超過22 m，基本頂下位巖梁的周期來壓步距在17～21 m，上位巖梁的周期來壓步距在20～28 m，基本頂?shù)牡谝淮蝸韷簭?qiáng)度較大。

表1 綜合鉆孔參數(shù)平均值上覆巖層結(jié)構(gòu)模擬分析(撓曲算法)

表3 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律預(yù)測(cè)分析

2.2 液壓支架選型分析

系統(tǒng)對(duì)2201工作面液壓支架設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，分析結(jié)果如下：

我拿起白紙，在上面畫了一個(gè)不大不小的黑點(diǎn)，走到佳儀面前問：“你看到了什么？”佳儀瞪大雙眼，一臉迷惑地說：“我看到了一個(gè)黑點(diǎn)?！?/p>

支架型號(hào)ZY20000/33.5/68支架立柱數(shù)量/個(gè)2支架控頂距/m6.18支架中心距/m2.05支架合力作用點(diǎn)/m3.10支架設(shè)計(jì)工作阻力/kN20 000.00初次來壓預(yù)計(jì)最大工作阻力/kN26 000.00初次來壓預(yù)計(jì)最小工作阻力/kN20 363.87初次來壓預(yù)計(jì)合理工作阻力/kN21 238.45周期來壓預(yù)計(jì)最大工作阻力/kN17 843.42周期來壓預(yù)計(jì)最小工作阻力/kN15 138.08周期來壓預(yù)計(jì)合理工作阻力/kN15 557.87支架設(shè)計(jì)強(qiáng)度/MPa1.58初次來壓預(yù)計(jì)最大強(qiáng)度/MPa2.05初次來壓預(yù)計(jì)最小強(qiáng)度/MPa1.61初次來壓預(yù)計(jì)合理強(qiáng)度/MPa1.68周期來壓預(yù)計(jì)最大強(qiáng)度/MPa1.41周期來壓預(yù)計(jì)最小強(qiáng)度/MPa1.19周期來壓預(yù)計(jì)合理強(qiáng)度/MPa1.23支架設(shè)計(jì)壓縮量/mm3 400.00預(yù)計(jì)最大壓縮量/mm1 127.38預(yù)計(jì)最小壓縮量/mm660.73預(yù)計(jì)合理壓縮量/mm894.05承擔(dān)直接頂?shù)膹?qiáng)度/MPa0.04承擔(dān)基本頂初次來壓平均強(qiáng)度/MPa1.63承擔(dān)基本頂合理平均強(qiáng)度/MPa1.19

以上數(shù)據(jù)是利用支架ZY20000/33.5/68的幾何參數(shù)，對(duì)2201工作面基本頂來壓期間所需支護(hù)參數(shù)進(jìn)行的模擬分析，分析結(jié)果表明，基本頂初次來壓期間支架的工作阻力需大于20 000 kN，基本頂周期來壓期間，支架工作阻力達(dá)到16 000 kN以上，支架正常工作時(shí)要保持1 m以上的有效活柱縮量，以便適應(yīng)因局部動(dòng)壓沖擊造成的支架大幅度變形的極端情況。

利用大采高礦壓自動(dòng)分析與仿真系統(tǒng)，對(duì)2201工作面的采動(dòng)信息進(jìn)行了采前模擬分析，得到的結(jié)論為工作面基本頂初次來壓步距較大，對(duì)工作面基本頂初次來壓期間采用給定變形方案，得支架的工作阻力需要達(dá)到21 000 kN以上，基本頂周期來壓期間按照限定變形方案設(shè)計(jì)，支架的工作阻力要達(dá)到16 000 kN以上，建議對(duì)開切眼處的基本頂進(jìn)行切頂處理。

3 液壓支架實(shí)際選型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 工作面來壓參數(shù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)

根據(jù)2201工作面的地質(zhì)條件與采動(dòng)條件，參照礦區(qū)其他工作面的礦壓數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2201工作面的直接頂?shù)某醮慰迓洳骄嘣?0 m左右，基本頂初次垮落步距在50 m左右，基本頂周期來壓步距在40 m左右。

為防止基本頂初次來壓時(shí)頂板沖擊，開切眼內(nèi)施工爆破孔33個(gè)；回風(fēng)巷距開切眼40 m處施工爆破孔5個(gè)；回風(fēng)巷距開切眼300 m處施工爆破孔5個(gè)；運(yùn)輸巷距開切眼40 m處施工爆破孔5個(gè)；運(yùn)輸巷距開切眼300 m處施工爆破孔5個(gè)，回采初期對(duì)開切眼頂板進(jìn)行切頂爆破，回采至區(qū)段巷道爆破孔位置處，對(duì)區(qū)段巷道端頭頂板進(jìn)行切頂爆破。

3.2 傳統(tǒng)支架選型

按照8倍采高的方式[19]計(jì)算得工作面支護(hù)強(qiáng)度為1.28 MPa,支架的正常工作阻力需要大于16 400 kN。按照此設(shè)計(jì)方案，液壓支架選用ZY20000/33.5/68綜采液壓支架。

3.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)初次分析

利用液壓支架電液控系統(tǒng)對(duì)工作面1～149號(hào)支架推進(jìn)5～110 m時(shí)所有壓力采取不間斷記錄，全工作面的礦壓實(shí)測(cè)如圖2所示。

通過對(duì)圖2進(jìn)行深入分析，結(jié)果見表4。進(jìn)尺5～110 m內(nèi)第1巖梁與第2巖梁分別經(jīng)歷了初次來壓與周期來壓。進(jìn)尺47～51 m時(shí)由于開切眼進(jìn)行了切頂處理，導(dǎo)致系統(tǒng)預(yù)測(cè)第1巖梁的礦壓參數(shù)與實(shí)際情況存在一定差距。當(dāng)進(jìn)尺為56～61 m，系統(tǒng)預(yù)計(jì)第1巖梁的隨動(dòng)層出現(xiàn)斷裂，工作面出現(xiàn)局部礦壓顯現(xiàn)。當(dāng)進(jìn)尺為108～111 m，20號(hào)巖層(中粒砂巖)第1次運(yùn)動(dòng)，考慮裂斷拱內(nèi)收，預(yù)計(jì)初次來壓步距92 m?？梢园l(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)分析的巖層運(yùn)動(dòng)結(jié)果與模擬結(jié)果有一定的差距，差距的形成主要是由于各巖層的厚度與力學(xué)參數(shù)的選擇造成的。

圖2 進(jìn)尺5～110 m礦壓實(shí)測(cè)Fig.2 Ground pressure measured when advancing 5～110 meters

表4 進(jìn)尺5～110 m實(shí)測(cè)礦壓分析

3.4 系統(tǒng)初次預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證

通過借鑒相似工作面礦壓數(shù)據(jù)、支架設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)比2201工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，得出，模擬系統(tǒng)初次模擬比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的計(jì)算精度高，對(duì)比分析結(jié)果見表5，周期來壓支架最大強(qiáng)度的系統(tǒng)模擬、傳統(tǒng)分析、礦壓實(shí)測(cè)結(jié)果分別為1.41、1.28、1.48 MPa，得到系統(tǒng)模擬精度為94%，傳統(tǒng)分析精度為86%。

表5 進(jìn)尺5～110 m礦壓實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

4 鉆孔參數(shù)反演修正

4.1 鉆孔參數(shù)反演修正

以撓曲算法為例，利用進(jìn)尺5～110 m的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，系統(tǒng)啟動(dòng)對(duì)鉆孔數(shù)據(jù)的反演與修訂，得到符合該處礦壓分析特點(diǎn)的鉆孔參數(shù)，見表6。

表6 進(jìn)尺5～110 m反演修訂地層信息鉆孔參數(shù)

4.2 礦壓實(shí)測(cè)分析

當(dāng)工作面從110 m推進(jìn)到230 m時(shí)，礦壓實(shí)測(cè)如圖3所示。

圖3 進(jìn)尺110～225 m礦壓實(shí)測(cè)Fig.3 Measured ground pressure advancing 110～225 meters

對(duì)圖3進(jìn)行分析，得到進(jìn)尺110～225 m的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律見表7。由表7中的數(shù)據(jù)可以得出表9，通過數(shù)據(jù)的反饋分析，礦壓分析預(yù)測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)度在逐步提高。表8的數(shù)據(jù)分析表明，系統(tǒng)對(duì)于第2巖梁初次來壓預(yù)計(jì)相對(duì)準(zhǔn)確，對(duì)于其周期來壓預(yù)計(jì)差距較大，主要是對(duì)中粒砂巖這類堅(jiān)硬巖層周期來壓與初次來壓的比例范圍選擇誤差所致，系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的反饋調(diào)整，繼續(xù)進(jìn)入后續(xù)工作面的模擬。

表7 進(jìn)尺110～225 m進(jìn)尺實(shí)測(cè)礦壓分析

圖4為2201工作面進(jìn)尺250～350 m的礦壓實(shí)測(cè)壓力。由圖4可知，2201工作面由于液壓支架保持較高的工作阻力，第1巖梁周期來壓礦壓顯現(xiàn)不明顯，第2巖梁來壓時(shí)，液壓支架礦壓顯現(xiàn)較明顯。

表8 進(jìn)尺110～225 m礦壓實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖4 進(jìn)尺250～350 m礦壓實(shí)測(cè)Fig.4 Measured ground pressure when advancing 250～350 meters

軟件平臺(tái)通過2次系統(tǒng)反饋與修訂，能夠準(zhǔn)確反映2201工作面在當(dāng)前支架工作狀態(tài)下，頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)工作面后續(xù)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的預(yù)測(cè)與預(yù)計(jì)，及指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)起到重要的指導(dǎo)作用。

5 結(jié) 論

1)統(tǒng)在開采前利用計(jì)算機(jī)模型對(duì)該工作面的支架選型、工作面直接頂垮落步距、傳遞巖梁結(jié)構(gòu)、各巖梁初次來壓步距與周期來壓步距等對(duì)礦壓規(guī)律影響參數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)與仿真。通過結(jié)合開采過程中的支架阻力分析，反演修訂2201工作面5～110 m地層信息鉆孔參數(shù)，工作面進(jìn)尺110～225 m礦壓實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比表明，系統(tǒng)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差逐步降低。

2)系統(tǒng)初期模擬結(jié)果對(duì)2201工作面的支架選型、工作面的頂板管理與相關(guān)措施的制定起到了指導(dǎo)作用，系統(tǒng)通過后期的反演修訂，不斷與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件與采動(dòng)條件吻合，能夠指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的安全開采。

3)系統(tǒng)可以直接應(yīng)用到不同開采方法的礦壓分析中，也可以用到類似礦區(qū)的礦山壓力的分析中。系統(tǒng)還需要在礦壓在線自動(dòng)分析、支承壓力分布規(guī)律模擬及由礦壓引起動(dòng)壓沖擊型災(zāi)害預(yù)防與控制方面開展進(jìn)一步研究。