大傾角工作面礦壓分析及預(yù)警研究

岳學(xué)偉 YUE Xue-wei

（國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司，銀川 751411）

0 引言

隨著煤炭需求的日益增加，近水平、緩傾斜煤層逐漸開(kāi)采殆盡，大傾角煤層的開(kāi)采越來(lái)越多。然而大傾角煤層的開(kāi)采仍存在一些未解決的技術(shù)難題。針對(duì)大傾角開(kāi)采的技術(shù)難題，近年來(lái)不少學(xué)者對(duì)大傾角煤層開(kāi)采采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)、工作面沿走向礦壓顯現(xiàn)特征以及圍巖災(zāi)害防治技術(shù)等相關(guān)理論進(jìn)行了大量研究。但對(duì)工作面沿走向礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究相對(duì)較少，本文利用支架電液控?cái)?shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)某煤礦220705綜采工作面煤層開(kāi)采過(guò)程中工作面綜采區(qū)域礦壓分析及預(yù)警進(jìn)行研究，旨在進(jìn)一步確定支架載荷的分區(qū)特征，以便于提前做好頂板控制預(yù)警，防止頂板事故的發(fā)生。

1 工作面及基本支架參數(shù)

某礦220705工作面及其基本支架主要特征參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 工作面及基本支架參數(shù)

2 工作面區(qū)域頂板周期來(lái)壓特征統(tǒng)計(jì)

220705工作面共布置96臺(tái)支架，此次分析，計(jì)算了工作面正常推進(jìn)158.9-649.8m（約209個(gè)割煤循環(huán)）過(guò)程中8個(gè)區(qū)域工作阻力，統(tǒng)計(jì)工作面機(jī)頭區(qū)域（1-20#支架）、中部1區(qū)（21-30#支架）、中部2區(qū)（31-40#支架）、中部3區(qū)（41-50#支架）、中部4區(qū)（51-60#支架）、中部5區(qū)（61-70#支架）、中部6區(qū)（71-80#支架）、機(jī)尾區(qū)域（81-96#支架）共96個(gè)支架的工作阻力；以20、16、10、10、10、10、10、10臺(tái)支架寬度作為1個(gè)分析區(qū)域?qū)挾龋⒁詤^(qū)域內(nèi)全部支架同一循環(huán)工作阻力均值變化特征，研究工作面區(qū)域礦壓變化規(guī)律。

工作面區(qū)域頂板周期來(lái)壓特征計(jì)參數(shù)主要有：來(lái)壓時(shí)支架工作阻力判據(jù)來(lái)壓值、頂板穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)（非來(lái)壓）步距及支架循環(huán)末阻力、來(lái)壓開(kāi)始和結(jié)束時(shí)刻、頂板顯著運(yùn)動(dòng)（來(lái)壓持續(xù)）步距和支架循環(huán)末阻力、頂板周期來(lái)壓步距以及支架動(dòng)載系數(shù)等。

分析數(shù)據(jù)可知，工作面推進(jìn)158.9-649.8m過(guò)程中，機(jī)頭區(qū)域（1-20#支架）、中部1區(qū)（21-30#支架）、中部2區(qū)（31-40#支架）、中部3區(qū)（41-50#支架）、中部4區(qū)（51-60#支架）、中部5區(qū)（61-70#支架）、中部6區(qū)（71-80#支架）、機(jī)尾區(qū)域（81-96#支架）分別經(jīng)歷了5、7、11、8、4、8、6、1次完整的老頂周期來(lái)壓。

3 工作面區(qū)域頂板來(lái)壓步距分析

3.1 工作面區(qū)域頂板周期來(lái)壓步距

①頂板周期來(lái)壓步距變化范圍為27.9-268.8m，均值為83.6m，折合割煤刀數(shù)平均97刀；頂板周期來(lái)壓步距均方差為0.0-125.8m，其中機(jī)頭區(qū)域頂板周期來(lái)壓步距變化范圍最大，為3.8-324.8m。

②機(jī)頭區(qū)域來(lái)壓步距3.8-324.8m，均值為77.4m；中部1區(qū)來(lái)壓步距10.2-124.2m，均值為43.1m；中部2區(qū)來(lái)壓步距5.1-247.2m，均值為38.2m；中部3區(qū)來(lái)壓步距11.2-243.2m，均值為55.9m；中部4區(qū)來(lái)壓步距16.6-329.6m，均值為113.8m；中部5區(qū)來(lái)壓步距3.8-256.8m，均值為44.0m；中部6區(qū)來(lái)壓步距3.8-86.4m，均值為27.9m；機(jī)尾區(qū)域來(lái)壓步距268.8-268.8m，均值為268.8m。

3.2 工作面區(qū)域頂板相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)步距

①頂板相對(duì)穩(wěn)定步距（也稱(chēng)非來(lái)壓步距）變化范圍為22.7-208.0m，均值為63.2m，折合割煤刀數(shù)平均73刀；頂板相對(duì)穩(wěn)定步距均方差為0.0-101.4m，其中機(jī)頭區(qū)域頂板相對(duì)穩(wěn)定步距變化范圍最大，為2.4-264.0m。

②機(jī)頭區(qū)域來(lái)壓步距2.4-264.0m，均值為61.9m；中部1區(qū)來(lái)壓步距6.4-77.6m，均值為32.6m；中部2區(qū)來(lái)壓步距3.2-207.2m，均值為29.3m；中部3區(qū)來(lái)壓步距8.0-184.8m，均值為40.9m；中部4區(qū)來(lái)壓步距10.4-208.8m，均值為76.2m；中部5區(qū)來(lái)壓步距2.4-203.2m，均值為33.8m；中部6區(qū)來(lái)壓步距2.4-84.0m，均值為22.7m；機(jī)尾區(qū)域來(lái)壓步距208.0-208.0m，均值為208.0m。

3.3 工作面區(qū)域頂板顯著運(yùn)動(dòng)步距

①頂板顯著運(yùn)動(dòng)步距變化范圍為5.2-60.8m，均值為20.5m，折合割煤刀數(shù)平均24刀；頂板顯著運(yùn)動(dòng)步距均方差為0.0-48.1m，其中中部4區(qū)頂板顯著運(yùn)動(dòng)步距變化范圍最大，為6.2-120.8m；

②機(jī)頭區(qū)域來(lái)壓步距1.4-60.8m，均值為15.5m；中部1區(qū)來(lái)壓步距2.4-46.6m，均值為10.5m；中部2區(qū)來(lái)壓步距1.9-40.0m，均值為8.9m；中部3區(qū)來(lái)壓步距2.4-58.4m，均值為15.0m；中部4區(qū)來(lái)壓步距6.2-120.8m，均值為37.6m；中部5區(qū)來(lái)壓步距1.4-53.6m，均值為10.2m；中部6區(qū)來(lái)壓步距1.4-11.2m，均值為5.2m；機(jī)尾區(qū)域來(lái)壓步距60.8-60.8m，均值為60.8m。

3.4 工作面區(qū)域支架循環(huán)末阻力

支架循環(huán)末阻力是支架工作阻力是否滿(mǎn)足控頂要求的主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

①非來(lái)壓時(shí)，工作面支架循環(huán)末阻力為5704-107723kN，均值為18837kN，占額定工作阻力（10000kN）的57%-1077%，平均188.37%；

來(lái)壓時(shí)，工作面支架循環(huán)末阻力為6452-435672kN，均值為60853kN，占額定工作阻力（10000kN）的65%-4357%，平均608.53%。

②非來(lái)壓時(shí)，工作面機(jī)尾區(qū)域平均末阻力最大，機(jī)頭區(qū)域平均末阻力最小；

來(lái)壓時(shí)，工作面機(jī)尾區(qū)域平均末阻力最大，機(jī)頭區(qū)域平均末阻力最小。

③非來(lái)壓時(shí)，支架循環(huán)末阻力均方差均值為9233kN，占額定工作阻力的92.33%；來(lái)壓時(shí)，支架循環(huán)末阻力均方差均值為13320kN，占額定工作阻力的133.20%。

工作面全部支架循環(huán)末阻力（頂板壓力）均以4000kN作為來(lái)壓判定值標(biāo)準(zhǔn)（大值標(biāo)準(zhǔn)）。

3.5 支架動(dòng)載系數(shù)

頂板運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了支架工作阻力及其變化，可以用來(lái)壓前和來(lái)壓時(shí)支架上的頂板壓力差異來(lái)描述頂板運(yùn)動(dòng)對(duì)支架工作阻力的影響。動(dòng)載系數(shù)KD=來(lái)壓時(shí)支架工作阻力／來(lái)壓前支架工作阻力。

①區(qū)域動(dòng)載系數(shù)為1.1-6.2，均值為1.8，機(jī)尾區(qū)域支架動(dòng)載系數(shù)均值最大，為6.2，機(jī)頭區(qū)域支架動(dòng)載系數(shù)均值最小，為1.1。

②一般認(rèn)為動(dòng)載系數(shù)KD＜1.2為來(lái)壓不明顯；KD=1.2～1.5為來(lái)壓明顯；KD=1.5～2.0為來(lái)壓強(qiáng)烈；KD＞2為來(lái)壓非常強(qiáng)烈（超強(qiáng)烈）。由于220705工作面頂板來(lái)壓時(shí)支架動(dòng)載系數(shù)均值為1.8。因此，可以認(rèn)為220705工作面礦壓顯現(xiàn)為來(lái)壓強(qiáng)烈。

4 前期工作面礦壓分析和主要結(jié)論

4.1 工作面分區(qū)及來(lái)壓線

本工作面共布置96臺(tái)支架。以若干個(gè)相鄰支架作為一個(gè)區(qū)域，全工作面共劃分成頭三角1區(qū)、尾三角1區(qū)和中部6區(qū)共8個(gè)礦壓分析區(qū)域。

取支架電液控礦壓數(shù)據(jù)作為礦壓分析基礎(chǔ)信息，定義礦壓分析區(qū)域內(nèi)全部支架循環(huán)末阻力及其變化特征作為區(qū)域頂板來(lái)壓顯現(xiàn)的主要標(biāo)志，定制一個(gè)來(lái)壓線值，支架循環(huán)末阻力大于來(lái)壓線認(rèn)為頂板來(lái)壓（顯著運(yùn)動(dòng)），小于來(lái)壓線為頂板不來(lái)壓（相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)），8個(gè)區(qū)域有各自不同的來(lái)壓判定值標(biāo)準(zhǔn)（個(gè)性化標(biāo)準(zhǔn)）。

4.2 礦壓大數(shù)據(jù)分析主要成果

計(jì)算了工作面正常推進(jìn)500.2-649.8m（2020年12月1日中班至2020年12月16日中班）149.6m（約173個(gè)割煤循環(huán)）過(guò)程中全部8個(gè)頂板區(qū)域支架工作阻力及來(lái)壓情況，工作面頂板平均經(jīng)歷了6次周期來(lái)壓。

本文列出了近期6個(gè)頂板來(lái)壓特征值，見(jiàn)表2。由表2可知：

表2 大數(shù)據(jù)頂板區(qū)域來(lái)壓特征（500.2-649.8m）

①8個(gè)區(qū)域頂板來(lái)壓線值為6181-253699kN（19.2-788.6MPa）。其中，機(jī)尾區(qū)域和中部4區(qū)來(lái)壓線最高，分別為253699kN（788.6MPa）和7638kN（23.7MPa）。

②頂板周期來(lái)壓步距均值50.8m，相對(duì)穩(wěn)定步距均值為32.4m，顯著運(yùn)動(dòng)步距均值為18.3m，區(qū)域動(dòng)載系數(shù)均值為1.8，來(lái)壓顯現(xiàn)明顯，離散性較大。

③工作面不同部位頂板來(lái)壓顯現(xiàn)有明顯差別，來(lái)壓強(qiáng)度6579-435672kN（20.5-1354.3MPa）。礦壓顯現(xiàn)的區(qū)域主要集中在機(jī)尾區(qū)域和中部4區(qū)，來(lái)壓強(qiáng)度分別為435672kN（1354.3MPa）和7848kN（24.4MPa）。

④單支架工作阻力超額定工作阻力90%（來(lái)壓強(qiáng)烈）的比例，見(jiàn)表3。

表3 單架頂板強(qiáng)烈來(lái)壓以上顯現(xiàn)特征（500.2-649.8m）

⑤單支架動(dòng)載系數(shù)超1.5（來(lái)壓強(qiáng)烈以上）的比例，見(jiàn)表3。

5 工作面區(qū)域來(lái)壓預(yù)警分析

5.1 工作面區(qū)域來(lái)壓預(yù)警約定

來(lái)壓預(yù)警是根據(jù)當(dāng)前工作面推進(jìn)步距至649.8m一刀煤之前的礦壓大數(shù)據(jù)來(lái)壓分析，甄別目前割煤刀以及預(yù)警此后1-3刀割煤時(shí)頂板來(lái)壓情況，見(jiàn)表4。

表4 最大來(lái)壓強(qiáng)度2個(gè)區(qū)頂板來(lái)壓預(yù)警

5.1.1 當(dāng)前割煤刀來(lái)壓甄別

①統(tǒng)計(jì)工作面8個(gè)區(qū)域。其中0個(gè)頂板區(qū)域來(lái)壓。來(lái)壓區(qū)域?qū)挾日急?%。

②當(dāng)前割煤刀時(shí)頂板壓力最大的2個(gè)重點(diǎn)區(qū)域分別為：機(jī)尾區(qū)域不來(lái)壓，來(lái)壓強(qiáng)度5514kN（17.1MPa）；中部1區(qū)不來(lái)壓，來(lái)壓強(qiáng)度5400kN（16.8MPa）。

5.1.2 未來(lái)1-3刀割煤時(shí)來(lái)壓預(yù)警

應(yīng)判定每刀割煤時(shí)下列頂板來(lái)壓參數(shù)。未來(lái)1刀時(shí)：

①統(tǒng)計(jì)工作面8個(gè)區(qū)域。其中4個(gè)頂板區(qū)域來(lái)壓，來(lái)壓區(qū)域?qū)挾日急?0%。

②預(yù)警來(lái)壓強(qiáng)度最大的2個(gè)重點(diǎn)區(qū)域：機(jī)尾區(qū)域超強(qiáng)來(lái)壓，預(yù)警級(jí)別為III級(jí)，紅色預(yù)警，來(lái)壓強(qiáng)度120216kN（373.7MPa），動(dòng)載系數(shù)KD=1.71：中部4區(qū)來(lái)壓明顯，預(yù)警級(jí)別為I級(jí)，黃色預(yù)警，來(lái)壓強(qiáng)度9321kN（29.0MPa），動(dòng)載系數(shù)KD=1.42。

未來(lái)2刀和3刀時(shí)：工作面分別有6個(gè)和5個(gè)區(qū)域頂板來(lái)壓，見(jiàn)圖1。

圖1 頂板壓力綜合分析圖

注：紅色（Ⅲ級(jí)預(yù)警），表示超強(qiáng)來(lái)壓—區(qū)域支架工作阻力大于額定工作阻力的99%，支架循環(huán)活柱縮量明顯，或支架動(dòng)載系數(shù)KD≥2.0；紫色（Ⅱ級(jí)預(yù)警），表示強(qiáng)烈來(lái)壓—區(qū)域支架工作阻力為額定工作阻力的90%～99%，或支架動(dòng)載系數(shù)KD≥1.5；黃色（Ⅰ級(jí)預(yù)警），表示明顯來(lái)壓—區(qū)域支架工作阻力大于來(lái)壓線但小于額定工作阻力的90%，且支架動(dòng)載系數(shù)KD：1.1～1.5；綠色（〇級(jí)預(yù)警），表示不來(lái)壓—區(qū)域架工作阻力小于來(lái)壓線，或支架動(dòng)載系數(shù)KD＜1.1。

③區(qū)域內(nèi)超50%支架來(lái)壓且KD≥1.1時(shí)，判定為明顯來(lái)壓；超過(guò)2個(gè)支架為強(qiáng)烈來(lái)壓或KD≥1.5時(shí)，判定為強(qiáng)烈來(lái)壓；當(dāng)超過(guò)2個(gè)支架為超強(qiáng)來(lái)壓或KD≥2時(shí)，判定為超強(qiáng)來(lái)壓。詳細(xì)信息見(jiàn)表5。

表5 區(qū)域來(lái)壓預(yù)警統(tǒng)計(jì)表（未來(lái)1刀）

5.2 頂板來(lái)壓預(yù)警綜合圖

綜合圖反映采場(chǎng)推進(jìn)方向3個(gè)位置頂板來(lái)壓狀態(tài)，見(jiàn)圖1。①采空區(qū)：2色彩云圖表示工作面后方采空區(qū)（500.2-649.8m）內(nèi)96臺(tái)支架上方的6-7個(gè)頂板周期來(lái)壓跨度范圍的頂板壓力分布情況。②當(dāng)前煤壁區(qū)：用方形4色塊表示當(dāng)前煤壁區(qū)內(nèi)區(qū)域頂板壓力情況。統(tǒng)計(jì)工作面8個(gè)區(qū)域，其中紅色預(yù)警的有0個(gè)區(qū)域；紫色預(yù)警的有0個(gè)區(qū)域；黃色預(yù)警的有0個(gè)區(qū)域。③預(yù)測(cè)區(qū)（1刀）：用圓形4色塊表示預(yù)測(cè)區(qū)內(nèi)區(qū)域頂板壓力預(yù)測(cè)情況。統(tǒng)計(jì)工作面8個(gè)區(qū)域，其中紅色預(yù)警的有1個(gè)區(qū)域；紫色預(yù)警的有0個(gè)區(qū)域；黃色預(yù)警的有4個(gè)區(qū)域。

6 小結(jié)

本文以支架電液控礦壓數(shù)據(jù)作為礦壓分析的基礎(chǔ)，對(duì)工作面區(qū)域頂板周期來(lái)壓步距、穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)步距、顯著運(yùn)動(dòng)步距、支架循環(huán)末阻力進(jìn)行了分析，研究了工作面推進(jìn)過(guò)程中8個(gè)區(qū)域支架平均循環(huán)末阻力分布曲線，制定了8個(gè)區(qū)域來(lái)壓判定值標(biāo)準(zhǔn)（個(gè)性化標(biāo)準(zhǔn)），指出了工作面來(lái)壓的顯現(xiàn)規(guī)律，對(duì)工作面精準(zhǔn)的控制頂板來(lái)壓，防止頂板事故起到了顯著的指導(dǎo)作用，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面煤層開(kāi)采過(guò)程中工作面綜采區(qū)域礦壓分析及預(yù)警。