綜采工作面來壓步距預(yù)測(cè)及修正方法研究

路建軍，周宏范，馮 明，王澤雨，夏方遷

(1.中煤新集能源股份有限公司，安徽 淮南 232001；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 102200)

井下工作面推進(jìn)過程中，受采動(dòng)應(yīng)力變化的影響，如何進(jìn)行綜采工作面上覆巖層的穩(wěn)定性判斷，一直是困擾礦壓研究工作者的難題之一[1-4]。進(jìn)行工作面礦壓監(jiān)測(cè)的主要目的，是為工作面回采過程中的頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律提供及時(shí)的預(yù)測(cè)預(yù)警，并確保生產(chǎn)過程安全進(jìn)行。在礦壓分析早期應(yīng)用階段，受監(jiān)測(cè)設(shè)備使用效果的約束，工作面來壓數(shù)據(jù)往往以單一支架工作阻力變化為依據(jù)，并以此進(jìn)行工作面頂板來壓規(guī)律分析。該方法將單一支架變化數(shù)據(jù)代表一定區(qū)域或整片區(qū)域內(nèi)支架工作阻力變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上對(duì)工作面進(jìn)行礦壓規(guī)律分析總結(jié)[5-11]。此監(jiān)測(cè)方式丟失了大量支架的礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，且在工作面頂板不均勻來壓時(shí)，無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，無法確保對(duì)礦壓規(guī)律全面精確的分析。

隨著礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)備機(jī)械自動(dòng)化程度的提高，液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)所需的監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔逐漸縮短，其監(jiān)測(cè)的礦壓數(shù)據(jù)則隨之增多[12-14]?；谕鈷鞙y(cè)站式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[15]，或支架自帶的電液控制系統(tǒng)[16]中獲得的支架工作阻力大數(shù)據(jù)，需進(jìn)行快速有效的提取分析，找到影響礦壓分析結(jié)果的有效數(shù)據(jù)，并以此分析頂板來壓規(guī)律。屈世甲等通過并以30組礦壓監(jiān)測(cè)原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種多元線性區(qū)域預(yù)測(cè)模型，并驗(yàn)證模型方程的來壓預(yù)測(cè)可行性[17]。吳士良等通過設(shè)計(jì)一種支架工作阻力大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦壓監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析，并將分析結(jié)果以專業(yè)圖形及報(bào)表形式展示[18]。左凌云等通過對(duì)區(qū)域礦壓的分析結(jié)果，證明區(qū)域來壓能反映區(qū)域內(nèi)大部分單架的來壓特征，區(qū)域礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能對(duì)工作面進(jìn)行較好的礦壓分析[19]。

以上監(jiān)測(cè)方式均針對(duì)工作面頂板礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，考慮推采速度等對(duì)礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響較少。為更準(zhǔn)確地從礦壓監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)中分析、預(yù)測(cè)來壓步距，本文采用支架間隔布置礦壓測(cè)點(diǎn)，確保監(jiān)測(cè)完整的工作面頂板來壓規(guī)律，并以此布置方式，在劉莊煤礦1508采區(qū)首采面進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)，通過大數(shù)據(jù)分析確定來壓步距，預(yù)測(cè)來壓位置，同時(shí)結(jié)合工作面不同推采速度的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，補(bǔ)充修正周期來壓步距。

1 礦壓預(yù)測(cè)模型

工作面支架阻力監(jiān)測(cè)大數(shù)據(jù)處理，依托綜合礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)(KJ1129)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)基于以太網(wǎng)平臺(tái)、無線MESH、光纖傳輸?shù)燃夹g(shù)，建立起集礦壓監(jiān)測(cè)、智能預(yù)警、分析和閉環(huán)管理于一體的礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)。平臺(tái)系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)智能預(yù)測(cè)模型，可自動(dòng)識(shí)別工作面初撐力、末阻力、來壓步距等，并進(jìn)行來壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

1.1 工作面來壓判別模型

周期來壓分析以支架的平均循環(huán)末阻力與其均方差之和作為判斷頂板周期來壓的主要指標(biāo)，同時(shí)根據(jù)來壓值對(duì)應(yīng)開采位置即可確定來壓步距[20]。末阻力均方差計(jì)算過程見式(1)：

根據(jù)式(1)，將實(shí)測(cè)的循環(huán)末阻力平均值加上循環(huán)末阻力的均方差，所得即為頂板來壓判斷值，頂板來壓判據(jù)如式(2)所示：

1.2 工作面來壓預(yù)測(cè)判別

工作面來壓預(yù)測(cè)主要包括預(yù)測(cè)來壓位置及預(yù)測(cè)來壓支架阻力大小。

來壓阻力預(yù)測(cè)值：工作面支架阻力預(yù)測(cè)主要依據(jù)對(duì)已經(jīng)監(jiān)測(cè)得到的來壓值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)來壓值進(jìn)行均值處理，而后對(duì)來壓值均方差進(jìn)行計(jì)算，來壓平均值與均方差相加減即為下次來壓值的波動(dòng)區(qū)間。來壓均值、以及來壓預(yù)測(cè)值判據(jù)計(jì)算過程見式(3)、式(4)。

式中，Pc為支架來壓平均值，MPa。

式中，Pi為第i次來壓值，MPa；Pl為預(yù)測(cè)來壓值，MPa。

來壓位置預(yù)測(cè)：工作面支架來壓位置預(yù)測(cè)主要對(duì)已監(jiān)測(cè)的來壓步距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行均值處理，而后對(duì)來壓步距的均方差進(jìn)行計(jì)算，平均來壓步距加減平均來壓步距的均方差即為預(yù)測(cè)來壓步距波動(dòng)區(qū)間，將其疊加在最近一次來壓位置上，即可得到下次來壓位置預(yù)測(cè)值。來壓步距預(yù)測(cè)判斷見式(5)。

式中，Mi為第i次來壓步距，m；Wz為最近一次來壓位置，m；Wl為來壓預(yù)測(cè)值，m。

2 工程實(shí)踐

2.1 現(xiàn)場(chǎng)情況

劉莊煤礦150802工作面為1508采區(qū)第一個(gè)工作面。該工作面東臨1508采區(qū)集中上山，南起1508采區(qū)未采區(qū)域，西至F8斷層，北近8煤露頭防水煤柱線。工作面南部上覆151101、151102工作面采空區(qū)，設(shè)計(jì)工作面切眼長約295.8m。測(cè)試工作面位置及周邊開采概況如圖1所示。150802工作面總體為一單斜構(gòu)造，煤層走向?yàn)?50°～270°，傾向?yàn)?60°～180°，傾角為10°～19°，平均傾角為16°。工作面兩巷道在掘進(jìn)過程中揭露一系列斷層，對(duì)工作面回采有較大影響。

圖1 150802工作面位置及周邊開采概況

150802工作面采用單一厚煤層前段采全高走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤法，全部垮落法管理頂板，工作面共194臺(tái)液壓支架，按每隔5臺(tái)液壓支架安裝一組測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)布置，工作面共安裝33組支架阻力監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)。設(shè)備于2021年3月1日安裝，3月4日設(shè)備試運(yùn)行，3月19日正式運(yùn)行采集。

現(xiàn)分析3月20日至6月4日共75日數(shù)據(jù)，該時(shí)間段內(nèi)，工作面運(yùn)輸巷從168m推進(jìn)至569m，累計(jì)推進(jìn)401m；軌道巷(風(fēng)巷)從147m推進(jìn)至539m，累計(jì)推進(jìn)389m；工作面平均推進(jìn)395m。以50支架監(jiān)測(cè)曲線為例支架阻力監(jiān)測(cè)效果如圖2所示。

圖2 支架阻力監(jiān)測(cè)曲線

由圖2可知，由于4月17日至5月1日礦井處于停采狀態(tài)，該處支架應(yīng)力值處于持續(xù)穩(wěn)定支撐狀態(tài)。在軟件內(nèi)通過程序自動(dòng)識(shí)別支架移架降壓前的最大支撐壓力，可實(shí)時(shí)得出支架的末阻力大小。

2.2 來壓步距分析及預(yù)測(cè)

通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析可得各支架來壓判據(jù)計(jì)算結(jié)果，見表1。由于25號(hào)、70號(hào)、145號(hào)和160號(hào)支架存在漏液情況，故此次分析不考慮25號(hào)、70號(hào)、145號(hào)和160號(hào)。分析得出的支柱來壓變化判據(jù)，結(jié)合支架阻力監(jiān)測(cè)曲線可以得到各個(gè)支架來壓次數(shù)和平均來壓步距，見表1。

表1 各支架周期來壓次數(shù)和平均步距 m

通過將表1中的支架來壓判據(jù)及支架平均來壓步距結(jié)合式(4)及式(5)可得支架預(yù)測(cè)來壓位置及預(yù)測(cè)來壓值。將同一時(shí)間內(nèi)各個(gè)支架預(yù)測(cè)來壓位置及來壓值與該時(shí)間內(nèi)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比效果見表2。

由表2可知通過將預(yù)測(cè)值范圍與實(shí)際監(jiān)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比：預(yù)測(cè)來壓值準(zhǔn)確率約在65.5%；預(yù)測(cè)來壓范圍準(zhǔn)確率約在51.7%。

3 來壓預(yù)測(cè)范圍修正分析

3.1 數(shù)值模擬分析

應(yīng)用FLAC3D有限元數(shù)值模擬軟件進(jìn)行劉莊150802開采工作面礦壓影響因素?cái)?shù)值模擬。模型基本力學(xué)參數(shù)見表3。

表2 預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比效果

表3 模型巖石基本力學(xué)參數(shù)

模型采用摩爾-庫倫準(zhǔn)則，并約束邊界條件，將x、y方向固定，z方向固定模型下部，z方向上部施加應(yīng)力。將平衡模型的速度與位移清零后，進(jìn)行工作面模型模擬開挖，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，分析單工作日內(nèi)，一次開采不同長度對(duì)工作面頂板的影響，劉莊煤礦平均最大推采約8m，所以分為一次推采3m、5m、8m三種情況，不同推采長度模型均按相同時(shí)間步進(jìn)行模擬計(jì)算。沿工作面長度均勻布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，記錄不同推采速度下距工作面2m距離的頂板下沉位移變化過程。各個(gè)推采速度下頂板位移變化如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著推采長度的增大，工作面前方2m距離的頂板下稱量逐漸增大，推采3m時(shí)最大下沉量為0.08m；推采5m時(shí)最大下沉量為0.10m；推采8m時(shí)最大下沉量為0.13m。隨著日推采長度增大，頂板位移逐漸增大，頂板來壓明顯。將不同日推采長度下的頂板位移狀態(tài)進(jìn)行整理，具體效果如圖4所示。

圖3 不同開采長度下工作面頂?shù)装逦灰谱兓^程

圖4 不同推采速度下工作面下沉對(duì)比

由圖4可以看出，隨著日推采長度的增大，工作面最大與最小下沉量均有較為明顯的變化，且下沉量最大值均在工作面中部位置。以日推采3m為基礎(chǔ)：當(dāng)日推采長度增大67%時(shí)，最大下沉量增大25%；當(dāng)日推采長度增大167%時(shí)，最大下沉量增大63%。所以針對(duì)數(shù)值模擬所得結(jié)果，對(duì)于當(dāng)日快速推采與緩慢推采，礦壓預(yù)測(cè)結(jié)果應(yīng)進(jìn)行一定范圍的修正調(diào)整。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工狀況，將3月20日至6月4日工作面推采進(jìn)度分為4段，3月20日至4月17日穩(wěn)定推采階段，4月18日至5月6日停采檢修階段，5月7日至5月22日快速推采階段，5月23日至6月4日過斷層階段。

各階段來壓次數(shù)、日進(jìn)尺、平均步距統(tǒng)計(jì)和工作面來壓熱力圖見表4及圖5所示。

表4 各階段工作面周期來壓次數(shù)、平均進(jìn)尺和平均步距 m

圖5 工作面來壓熱力圖

圖5橫軸代表推進(jìn)進(jìn)尺，縱軸表示工作面傾斜長度，且縱軸圓點(diǎn)(0)位置為150802運(yùn)輸巷，紅色圓點(diǎn)表示支架來壓。通過圖5分析可得，在整個(gè)推采進(jìn)程中，來壓多集中在工作面中部，兩端頭來壓較少；對(duì)比150802運(yùn)輸和回風(fēng)巷，靠近風(fēng)巷位置工作面來壓次數(shù)多于機(jī)巷位置。在穩(wěn)定推采階段，來壓熱力點(diǎn)較少，工作面來壓次數(shù)較少，來壓步距較大；停采階段，工作面整體來壓，壓力較大，且持續(xù)整個(gè)停采階段；快速推采階段，來壓熱力點(diǎn)較密集，工作面周期來壓頻繁，步距較大。

由以上分析可得，推進(jìn)速度對(duì)工作面整體來壓有較為明顯的影響。當(dāng)工作面推進(jìn)速度過快時(shí)，周期來壓頻繁，來壓步距增大。結(jié)合實(shí)際來壓數(shù)據(jù)得出針對(duì)劉莊礦井來壓步距的預(yù)測(cè)修正方法，見表5。

表5 受單工作日推采距離影響下的來壓位置修正方法

表5中，Wi為系統(tǒng)預(yù)測(cè)步距范圍；Wi1為系統(tǒng)預(yù)測(cè)步距范圍的最大值，Wi2為系統(tǒng)預(yù)測(cè)步距范圍的最小值。

4 結(jié) 論

1)給出了綜采支架來壓值及來壓預(yù)測(cè)方法，在劉莊煤礦實(shí)測(cè)效果來壓值預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率約在65.5%，來壓范圍預(yù)測(cè)約在51.7%。

2)使用FLAC3D數(shù)值模擬得出劉莊礦井在不同日推進(jìn)長度影響下，推采距離越長，頂板下沉量越大，支架承壓值越大，所以對(duì)于穩(wěn)定推采與快速推采階段礦壓預(yù)測(cè)結(jié)果需要進(jìn)行修正。

3)通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)分析，將推采過程劃分穩(wěn)定推采、停采檢修、快速推采、過斷層四個(gè)階段，得出：①穩(wěn)定推采來壓次數(shù)少，來壓步距小，來壓預(yù)測(cè)區(qū)間適當(dāng)減??；②停采階段工作面整體來壓，壓力較大，來壓預(yù)測(cè)區(qū)間適當(dāng)增大；③快速推采階段來壓頻繁來壓步距大，來壓預(yù)測(cè)區(qū)間適當(dāng)增大，通過對(duì)回采各階段的劃分及來壓影響性質(zhì)，可根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)來壓預(yù)測(cè)范圍進(jìn)行修正補(bǔ)充劉莊煤礦通過實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，修正值K取±1.5。