澳大利亞長壁工作面自動化來壓預警技術(shù)與沖擊危險性評價應用研究

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.山東能源集團有限公司，山東 濟南 250000)

當今世界，人工智能大熱，國內(nèi)煤炭工業(yè)緊跟浪潮開啟了如火如荼的智能化礦山建設革命，全國各地智能化采掘技術(shù)、智能化裝備、智能化監(jiān)測監(jiān)控等儼然成為衡量行業(yè)發(fā)展水平的重要指標[1]。本文結(jié)合國內(nèi)外煤炭行業(yè)智能化監(jiān)測監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展應用[2-4]，通過對澳大利亞某礦LVA長壁工作面可視化監(jiān)控系統(tǒng)(簡稱“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壁工作面自動化礦壓分析和預警技術(shù)；通過多維度數(shù)據(jù)分析，探索建立了若干指標輔助現(xiàn)場安全管理和指導沖擊危險性評價，對于國內(nèi)智能化礦山建設和工程技術(shù)人員業(yè)務學習具有積極的參考價值。

1 礦井概況

某礦位于澳大利亞東海岸紐卡斯爾煤田，主采煤層厚度4.5～7.5 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。按照中國標準開展了礦井沖擊傾向性鑒定，經(jīng)測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，該礦多次發(fā)生沖擊地壓事件，嚴重影響了礦井的生產(chǎn)經(jīng)營。為了安全、經(jīng)濟地管控沖擊地壓風險，盡快恢復正常生產(chǎn)作業(yè)，該礦與設備供應商一起研究建成了澳洲首個無人化開采長壁工作面，并通過LVA系統(tǒng)的應用收集了豐富的礦山壓力數(shù)據(jù)，為長壁工作面的礦壓管理和防沖安全評價提供了可靠的技術(shù)支持。

2 長壁工作面可視化監(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、分析、形象化顯示以及割煤路線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，被迅速推廣至澳大利亞各州井工礦以及美國和南非的部分煤炭企業(yè)，并被用于高等院校礦業(yè)工程專業(yè)的教學和展示[5]。

智能化工作面配置的LVA系統(tǒng)主界面設定了6個風險預警儀表盤，分別表征低于額定工作阻力的液壓支架數(shù)、升柱后開始減阻時間、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、工作面來壓變化趨勢以及冒頂風險。并且，系統(tǒng)對每項表征指標進行了風險分級，用“綠-橙-紅”分別表示低、中、高風險，直觀地顯示了采場礦山壓力與支護狀態(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)的訪問用戶可以無限擴展，支持任何數(shù)量的用戶同時、實時訪問監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。

2) 系統(tǒng)支持多站點訪問，技術(shù)人員或高管可通過網(wǎng)絡異地遠程調(diào)閱多座礦井的監(jiān)控界面。

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

4) 自動化礦壓分析，并生成支護工作阻力曲線、漏竄千斤頂標注、讓壓卸載支架數(shù)量巡檢、初始增阻速率監(jiān)測及工作面來壓、冒頂?shù)鹊V壓事件預警等。

3 基于LVA系統(tǒng)的來壓預警技術(shù)

3.1 預警指示參數(shù)

在采用LVA系統(tǒng)進行來壓預警過程中，比較關(guān)鍵的3個指示參量為工作面來壓趨勢指數(shù)(WDI)、冒頂風險指數(shù)(CRI)和卸載次數(shù)(YC)。這是基于LVA系統(tǒng)用戶的大量聯(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定的全真指示參數(shù)。液壓支架的初始增阻速率是頂板來壓比較靈敏的判據(jù)，它的變化反應了頂板的活動情況，它與支架的工作阻力變化一致，但可以消除循環(huán)時間帶來的影響[6]。

CRI指數(shù)表示潛在冒頂事件在設定時間段內(nèi)發(fā)生的可能性，WDI指數(shù)則表示工作面覆巖運動和加載的趨勢，YC指數(shù)則被用于輔助確定覆巖運動的活躍程度。綜合考量3個指示參數(shù)共同預測和評價頂板來壓風險。當三者達到預設臨界值或呈現(xiàn)特定變化趨勢時，可觸發(fā)來壓預警，并提示作業(yè)人員及時采取應急響應措施。

3.2 來壓事件應急響應預案

利用LVA系統(tǒng)的頂板來壓預警和自動化礦壓分析功能，結(jié)合礦井實際開采過程中的地質(zhì)和礦壓管理經(jīng)驗，可以編制來壓事件應急響應預案。表1為某礦基于LVA系統(tǒng)編制的來壓事件應急響應預案，即LVA系統(tǒng)在預設的時間間隔內(nèi)對長壁工作面液壓支架工作狀態(tài)進行巡檢，巡檢內(nèi)容包含：

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

當支架初始增阻速率大于0.5 MPa/min并出現(xiàn)安全閥開啟卸壓現(xiàn)象時，該組支架會被自動標注為一個觸發(fā)事件，若在連續(xù)相鄰20組支架中有10組及以上支架被標記為觸發(fā)事件，則WDI指數(shù)進入紅色預警狀態(tài)；若在連續(xù)相鄰20組支架中超過5組且少于10組支架被標記為觸發(fā)事件，則WDI指數(shù)顯示橙色預警狀態(tài)。

4 LVA系統(tǒng)在沖擊危險性評價中的應用

LVA系統(tǒng)的自動來壓分析功能可以根據(jù)長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)的預設臨界值，自動生成工作面來壓分布圖，來壓分布圖可以電子化編輯或覆蓋在采掘工程、地質(zhì)工程等圖件上進行綜合分析，同時可以導出來壓時間、來壓范圍及相應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)域沖擊危險區(qū)劃分圖，預評價過程中考慮了歷史工作面的頂板來壓影響因素。工作面開采結(jié)束后，筆者對兩個長壁工作面的監(jiān)測來壓事件和沖擊危險性評價進行了復審。從B5工作面的來壓分布來看，當工作面進入“硬頂-硬底”結(jié)構(gòu)區(qū)域時，監(jiān)測來壓事件呈現(xiàn)頻次增加、步距縮短的現(xiàn)象，且來壓范圍增大，而該區(qū)域在預評價報告中被劃分為強沖擊和中等沖擊危險區(qū)，與評價結(jié)果互證。

此外，LVA監(jiān)測發(fā)現(xiàn)長壁工作面的來壓步距差異性較大，這與普遍認知的周期來壓理論略有不同，這是由LVA系統(tǒng)對來壓事件監(jiān)測的敏感度決定的，即LVA系統(tǒng)的監(jiān)測結(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壓，還包括由于地質(zhì)構(gòu)造、開采環(huán)境、長時段停面等時空因素引起的特殊時段、特殊區(qū)域的頂板來壓。因此，通過應用LVA系統(tǒng)進行來壓監(jiān)測和分析比傳統(tǒng)人工礦壓觀測更為全面、客觀和科學。

為了進一步總結(jié)規(guī)律，筆者對5個長壁工作面的來壓數(shù)據(jù)進行了進一步整理(表2)，可以得出：

表2 某礦B采區(qū)長壁工作面LVA監(jiān)控來壓參數(shù)

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

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

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

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

如圖3所示，對B3～B6長壁工作面來壓事件頻次進行線性擬合，統(tǒng)一各工作面的開切眼位置，方便對比分析?？梢钥闯?，當B5工作面進入“硬頂-硬底”區(qū)域后(約670 m進尺點處)，來壓頻次曲線急劇上升，斜率增大。B4工作面在開采臨近斷層構(gòu)造時呈現(xiàn)相同的增勢，圖3中兩橢圓位置所示的兩區(qū)域皆被評價為強沖擊危險區(qū)。而在其他不存在 “硬頂-硬底” 或斷層構(gòu)造的區(qū)域，頂板來壓頻次曲線的斜率非常穩(wěn)定且相近?？梢姡瑪鄬訕?gòu)造和堅硬頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)可增加頂板來壓的頻次，縮短來壓步距，頂板來壓事件的統(tǒng)計分析對局部沖擊危險性評價具有重要指示意義。

圖3 B3～B6工作面頂板來壓事件頻次曲線

5 頂板來壓與其他動力事件之間的聯(lián)系

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

5.1 頂板來壓與煤炮事件的聯(lián)系

國內(nèi)外礦業(yè)界對于“Coal bump”的研究應用比較普遍，但是對其定義不盡統(tǒng)一。結(jié)合澳大利亞煤炭工業(yè)的現(xiàn)場管理實踐，比較貼切的中文釋義為“煤炮”，即煤層地壓顯現(xiàn)出來的煤體深部發(fā)生錯動產(chǎn)生的響聲(悶雷聲、機槍聲、沙沙聲等)[8]。早在1983年，國內(nèi)便有工程技術(shù)人員將煤炮作為評價瓦斯突出危險的“一種簡單、實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)場礦山開采過程中建立了長期、系統(tǒng)的煤炮跟蹤評價制度，并根據(jù)伴隨的片幫、震動、聲響等進行了強度量化分級。

圖4是某礦B5工作面開采過程中煤炮事件的頻次、強度統(tǒng)計曲線與來壓事件的對比情況。可以看出，相對于煤炮頻次曲線，來壓頻次與煤炮強度曲線表現(xiàn)出更為一致的變化趨勢。當工作面推進至705.5 m位置后，頂板來壓頻次曲線斜率突變，來壓事件數(shù)量開始增多；工作面推進至651.2 m進尺點時，來壓頻次顯著增多。相應的，煤炮曲線斜率突變點發(fā)生在662 m進尺點(接近“硬頂-硬底”區(qū)域)，落后于頂板來壓頻次曲線約43.5 m，之后工作面煤炮數(shù)量開始激增，直至工作面推采至632.9 m工作面調(diào)整開采計劃后，煤炮頻次增速開始放緩并趨于穩(wěn)定。由此可見，頂板來壓頻次對于采場地質(zhì)因素變化較煤炮強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，同時間接評估覆巖運動的活躍程度。

圖4 頂板來壓與煤炮事件統(tǒng)計曲線

5.2 頂板來壓與面內(nèi)動力顯現(xiàn)的聯(lián)系

據(jù)統(tǒng)計，B5工作面共計推進770 m，累計發(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)部動力顯現(xiàn)情況統(tǒng)計

從動力事件顯現(xiàn)的時序關(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)動力事件顯現(xiàn)期間，長壁工作面頂板來壓頻次顯著增加，頂板活動頻繁。

3) 面內(nèi)動力顯現(xiàn)集中發(fā)生在工作面累計來壓次數(shù)曲線斜率0.12～0.225之間，即基于LVA系統(tǒng)監(jiān)測的累積來壓事件統(tǒng)計規(guī)律，如果工作面每回采20 m，頂板來壓數(shù)達到2～5次，則工作面出現(xiàn)片幫、炸幫甚至面內(nèi)沖擊的風險性將進一步升高。

5.3 頂板來壓與微震事件的聯(lián)系

研究[10]發(fā)現(xiàn)微震活動與圍巖來壓加載系數(shù)、動力場變化存在一定關(guān)系，并用以監(jiān)測和評價隧道開挖過程中的沖擊地壓風險和發(fā)生概率。某工作面開采期間累計定位微震事件32 440個，釋放總能量1.5×107J。LVA系統(tǒng)監(jiān)測自1 118～308 m推進范圍內(nèi)發(fā)生來壓事件46次，來壓步距在3.2～45 m范圍不等。

圖6為頂板來壓事件與累計微震能量、頻次統(tǒng)計圖。觀察發(fā)現(xiàn)，在頂板來壓步距存在顯著差異的條件下，單位來壓周期內(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，與長壁工作面不同開采階段的覆巖運動狀態(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和頻次的條件下，可將單位來壓周期內(nèi)累計微震能量作為長壁工作面沖擊危險性評價的一項輔助參考指標。當相鄰兩個或兩個以上來壓周期內(nèi)微震頻次和能量 “近似守恒”時，工作面對應沖擊危險狀態(tài)可評價為低風險；若不守恒，則結(jié)合同期微震頻次和能級變化評價工作面沖擊危險為中等或高風險，最終評價等級還需進一步考慮地質(zhì)構(gòu)造等因素的疊加影響。澳大利亞某長壁工作面基于微震活動和頂板來壓因素給出的沖擊危險性評價情況如圖6和表3所示。

圖6 長壁工作面微震活動能量、頻次統(tǒng)計

表3 基于微震和頂板來壓事件的沖擊危險性評價

6 結(jié) 語

1) 智能化采煤工作面通過裝配LVA可視化監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)工作面冒頂風險評估、頂板來壓預警及自動化礦壓分析等，根據(jù)WDI等關(guān)鍵監(jiān)控指標可以進一步編制和完善礦井風險管理應急預案，提高現(xiàn)場安全管理水平。此外，通過可視化監(jiān)控系統(tǒng)的自動巡檢功能，可以使長壁工作面機械工程師更加方便、快捷和準確地發(fā)現(xiàn)和定位故障支架區(qū)，極大地方便了設備檢修和維護。

2) LVA系統(tǒng)對于頂板來壓事件的監(jiān)測敏感性較高，監(jiān)測結(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壓，同時還包括由于地質(zhì)構(gòu)造、開采環(huán)境、長時段停面等時空因素引起的特殊時段、特殊區(qū)域的頂板來壓，監(jiān)測結(jié)果，比傳統(tǒng)人工礦壓觀測更為全面、客觀和科學。

3) 斷層構(gòu)造和堅硬頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu)可增加頂板來壓的頻次，縮短來壓步距；頂板來壓事件與煤炮、煤壁片幫、面內(nèi)沖擊以及采場微震活動存在顯著的關(guān)聯(lián)性，基于LVA系統(tǒng)的頂板來壓實時監(jiān)測和統(tǒng)計分析對局部沖擊危險性評價具有重要指示意義。