安山煤礦頂板覆巖運(yùn)動規(guī)律與控制技術(shù)研究

文/王小輝 徐忠晨 段江飛

煤礦頂板覆巖事故是煤礦生產(chǎn)中常見且危險的現(xiàn)象，給礦工的生命和財產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重威脅。陜西涌鑫礦業(yè)有限責(zé)任公司安山煤礦具有高地應(yīng)力、高地溫、高瓦斯、高淋水等復(fù)雜的地質(zhì)條件，給礦井頂板覆巖穩(wěn)定性帶來了一系列挑戰(zhàn)。為此，安山煤礦通過全面調(diào)查、系統(tǒng)分析和實地觀察，揭示了煤礦頂板覆巖運(yùn)動的機(jī)理與規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)有理論和實踐經(jīng)驗，研究并提出一套切實可行的控制技術(shù)，降低了事故發(fā)生率，保障了礦工的安全。

一、頂板覆巖運(yùn)動規(guī)律分析

1.頂板運(yùn)動特征概述

為可以了解頂板行為并制定出相應(yīng)的控制技術(shù)，研究頂板運(yùn)動特征至關(guān)重要。經(jīng)調(diào)查研究，安山煤礦頂板運(yùn)動具有以下一般特征。

（1）頂板下沉具有常見的頂板運(yùn)動特征，其與采煤方式、煤層厚度和巖層性質(zhì)等因素相關(guān)。

（2）頂板斷裂是在巨大應(yīng)力作用下可能發(fā)生的現(xiàn)象，可能出現(xiàn)單一或多重斷裂帶，導(dǎo)致巖層破碎和頂板下沉，對地表和井下設(shè)備造成損壞。

（3）頂板運(yùn)動還可能涉及頂板片段的滑移，滑移程度和范圍由巖層結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)決定，對礦井穩(wěn)定性和采煤工作面的安全產(chǎn)生一定影響。

（4）頂板可能發(fā)生塌落，即大范圍破碎和下沉形成塌陷區(qū)域，頂板塌落對礦井的安全性和生產(chǎn)效率會產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

（5）在采礦活動停止后，頂板可能發(fā)生回彈現(xiàn)象，即頂板在恢復(fù)平衡狀態(tài)時的抬升運(yùn)動，其程度和速度與巖層的彈性模量和厚度等因素相關(guān)。

2.頂板離層變化分析

頂板離層是煤層或巖層中的非均質(zhì)性現(xiàn)象，對頂板穩(wěn)定性至關(guān)重要。為全面了解頂板巖層變化規(guī)律，進(jìn)行頂板離層變化分析十分必要。

（1）要仔細(xì)研究安山煤礦的地質(zhì)構(gòu)造和地層情況，包括地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)、鉆探樣本以及地質(zhì)地圖等。通過分析這些數(shù)據(jù)，可以確定地下巖層的性質(zhì)、煤層的厚度、煤與巖層之間的界面情況等重要信息，為后續(xù)的離層分析提供依據(jù)。

（2）建立頂板離層監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，包括離層厚度、位置、傾角等，提供實時變化信息。統(tǒng)計分析這些數(shù)據(jù)揭示離層分布規(guī)律和趨勢，通過頻率、趨勢和相關(guān)性分析揭示其特征，預(yù)測未來變化趨勢，為穩(wěn)定性控制提供科學(xué)依據(jù)。

（3）利用數(shù)值模擬工具，建立安山煤礦地層分布、地下水流動、巖石力學(xué)性質(zhì)等地質(zhì)模型?？梢曰诘刭|(zhì)資料和監(jiān)測數(shù)據(jù)對其進(jìn)行校準(zhǔn)，以驗證模型的準(zhǔn)確性。模擬中還應(yīng)包括開采活動的影響，例如采煤機(jī)械的挖掘和支護(hù)措施，這有助于預(yù)測未來變化趨勢，為穩(wěn)定性控制提供科學(xué)依據(jù)。

二、礦用光纖礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)與控制技術(shù)設(shè)計

1.實時數(shù)據(jù)采集與存儲

安山煤礦地處廟哈孤礦區(qū)，位于陜北侏羅紀(jì)煤田新民區(qū)東側(cè)，神府礦區(qū)東部邊緣地帶。目前，礦井采用平硐多水平開拓方式，設(shè)置一水平+1165m、二水平+1015m，布置4個盤區(qū)，均采用傾斜長壁綜合機(jī)械化采煤，垮落法管理頂板。礦井地質(zhì)復(fù)雜，淺埋煤層，礦壓顯著。為深入研究頂板運(yùn)動規(guī)律，開發(fā)了礦用光纖礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)通過光纖頂板動態(tài)監(jiān)測主機(jī)和光纖離層位置傳感器，實時監(jiān)測頂板運(yùn)動狀態(tài)。所用的光纖光柵（FBG）是一種反射式光纖濾波器，通過紫外線干涉條紋照射10mm長的裸光纖，在纖芯產(chǎn)生折射率周期調(diào)制，形成布拉格反射。光纖光柵原理示意圖如圖1所示。

對特定的空間折射率調(diào)制周期（Λ）和纖芯折射率（n），布拉格波長λB為：

由式（1）可以看出，n與Λ的改變均會引起反射光波長的改變。因此，通過一定的封裝設(shè)計，使外界移動、應(yīng)力和壓力的變化導(dǎo)致n與Λ發(fā)生改變，即可使FBG達(dá)到對其敏感的目的。

FBG中心波長與壓力變化的關(guān)系為：

式（2）中，ΔλB是壓力變化引起的反射光中心波長的改變；ΔP為壓力的變化量；ξ為光纖的熱光系數(shù)。在1550nm波段，F(xiàn)BG對壓力的敏感系數(shù)為10pm/Pa。

對光纖光柵傳感器壓力進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 光纖光柵傳感器壓力測試數(shù)據(jù)

根據(jù)測試數(shù)據(jù)可以看到，光纖光柵的波長與壓力的線性度很好，基本為一次擬合曲線。采集到的數(shù)據(jù)將以毫秒級的頻率實時采集，并通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳輸至井上監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行存儲，能夠確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性。光纖光柵傳感器技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 光纖光柵傳感器技術(shù)指標(biāo)表

2.聯(lián)動預(yù)警巡檢系統(tǒng)

在礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)中，聯(lián)動預(yù)警巡檢系統(tǒng)是至關(guān)重要的一環(huán)。采用C/S、B/S、移動APP一體化相結(jié)合架構(gòu)設(shè)計構(gòu)建一個系統(tǒng)平臺，由驅(qū)動引擎、消息引擎、容器、WEBGL3D引擎、圖形引擎、業(yè)務(wù)引擎和分析預(yù)警引擎構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)合傳感器采集的實時數(shù)據(jù)，與預(yù)設(shè)的安全閾值進(jìn)行比對，實現(xiàn)對礦山壓力狀態(tài)的實時監(jiān)控和預(yù)警。一旦壓力異常，超出預(yù)警值時，系統(tǒng)將自動觸發(fā)報警機(jī)制，同時通過短信、聲光等多種方式通知相關(guān)人員，便于管理人員及時掌握現(xiàn)場的可靠信息，從而進(jìn)行人員的調(diào)度。

3.自動報表與定制報警功能

監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析也是礦用光纖礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)的核心功能之一。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定時間自動生成報表，可以任意配置時間，按日、周、旬、月等生成壓力監(jiān)測報表，有效反映壓力變化趨勢，為后續(xù)分析提供依據(jù)。此外，系統(tǒng)還支持包括超限報警、速率報警、系統(tǒng)在接設(shè)備故障記錄在內(nèi)的定制報警功能，通過礦用監(jiān)測數(shù)據(jù)中心接入系統(tǒng)，對已接入的測點進(jìn)行自動分類監(jiān)測、處理，由已接入測點的設(shè)置和一段時間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)警值算法計算得出該測點的預(yù)警參考值，并由此參考值對測點的實時值進(jìn)行處理得到測點的預(yù)警狀態(tài)。當(dāng)測點有故障、報警時，監(jiān)測中心會自動將故障、報警的詳細(xì)內(nèi)容以短信的形式發(fā)送到預(yù)設(shè)的手機(jī)上，便于管理人員及時了解安全生產(chǎn)的情況。

三、頂板覆巖控制技術(shù)研究與應(yīng)用

1.頂板壓力影響預(yù)測模型

頂板壓力是煤礦開采的重要安全隱患，為確保礦井的安全與穩(wěn)定運(yùn)營，構(gòu)建頂板壓力影響預(yù)測模型成為關(guān)鍵。這一模型的構(gòu)建過程包括數(shù)據(jù)采集，特征選取，模型選擇、訓(xùn)練、驗證和應(yīng)用等步驟。

（1）數(shù)據(jù)采集。通過收集礦井的地質(zhì)、采場參數(shù)、巖層特性等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行預(yù)處理，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。

（2）特征選取。從數(shù)據(jù)中選取與頂板壓力相關(guān)的特征變量，如巖層厚度、巖性等，基于專業(yè)知識進(jìn)行統(tǒng)計分析。

（3）模型選擇、訓(xùn)練、驗證和應(yīng)用。根據(jù)問題和數(shù)據(jù)性質(zhì)，選擇適當(dāng)?shù)念A(yù)測模型，如回歸分析、支持向量機(jī)等。在模型訓(xùn)練階段使用歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型，并通過調(diào)整參數(shù)優(yōu)化預(yù)測性能；在驗證和評估階段，利用驗證集評估模型的準(zhǔn)確性和泛化能力，衡量指標(biāo)包括均方誤差、決定系數(shù)等。經(jīng)過驗證的模型可應(yīng)用于預(yù)測未來頂板壓力趨勢。

綜上所述，頂板壓力影響預(yù)測模型在煤礦安全管理中具有重要價值，能夠為決策者提供科學(xué)支持，確保礦井的平穩(wěn)運(yùn)行。模型應(yīng)持續(xù)優(yōu)化和更新，以適應(yīng)不同開采階段的變化。

2.控制策略優(yōu)化

控制策略優(yōu)化過程的關(guān)鍵步驟包括地質(zhì)分析與巖層特性評價、數(shù)值模擬與優(yōu)化、實地試驗和監(jiān)測以及經(jīng)驗總結(jié)與分享。

（1）巖層特性評價。通過深入分析礦井的地質(zhì)構(gòu)造、斷層分布、巖層性質(zhì)等因素，科學(xué)評價巖層特性，從而為制定控制策略提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)值模擬與優(yōu)化。借助數(shù)值模擬方法，模擬不同控制策略下的頂板運(yùn)動過程，進(jìn)一步優(yōu)化策略，確保選定的措施能夠在實際應(yīng)用中發(fā)揮最佳效果。

（3）實地試驗和監(jiān)測。在實際開采中，將優(yōu)化后的控制策略應(yīng)用于實地試驗和監(jiān)測，并根據(jù)效果進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。

（4）經(jīng)驗總結(jié)與分享。通過長期實踐，不斷總結(jié)不同條件下控制策略的經(jīng)驗和效果，為行業(yè)提供可借鑒的安全保障方案。

通過對控制策略進(jìn)行優(yōu)化，不僅有助于降低頂板覆巖引發(fā)的安全風(fēng)險，還將為煤炭行業(yè)的安全管理和技術(shù)發(fā)展提供有力支持。綜上所述，通過控制策略的優(yōu)化研究與實踐，煤礦開采將會更為安全、穩(wěn)定。

3.安全運(yùn)營監(jiān)測與調(diào)整

為確保安山煤礦的安全運(yùn)營，實施全面的監(jiān)測和調(diào)整措施。具體來說，通過建立完善的監(jiān)測系統(tǒng)，實時收集頂板運(yùn)動、應(yīng)力分布、位移變化等數(shù)據(jù)。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)通過高級分析技術(shù)進(jìn)行處理，旨在及時識別潛在的頂板問題和異常變化趨勢。一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示出潛在的安全隱患，立即采取強(qiáng)化支護(hù)措施、調(diào)整開采工藝、暫時停產(chǎn)等相應(yīng)的調(diào)整策略。

（1）強(qiáng)化支護(hù)措施。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，通過增加支架數(shù)量、加固錨桿支護(hù)、增加支架的長度或直徑等對頂板支護(hù)進(jìn)行強(qiáng)化，可以提高頂板的穩(wěn)定性，降低離層的概率和危險性。

（2）調(diào)整開采工藝。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，調(diào)整開采工藝，以減輕對頂板的影響。例如，通過調(diào)整采煤速度、采煤機(jī)的切割參數(shù)、工作面的布置等，降低頂板應(yīng)力集中和離層發(fā)生的風(fēng)險，從而提高煤礦的安全性。

（3）暫時停產(chǎn)。當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示出嚴(yán)重的頂板問題時，需要暫時停產(chǎn)，以避免潛在的災(zāi)害發(fā)生。停產(chǎn)期間，可以進(jìn)一步評估頂板情況，采取必要的措施來解決問題，并確保安全后再次恢復(fù)生產(chǎn)。

四、小結(jié)

（1）位移變化和離層現(xiàn)象是煤礦頂板運(yùn)動的主要表現(xiàn)。這些現(xiàn)象受地質(zhì)條件和采礦參數(shù)等多方面因素的影響，需要深入理解其特征，以準(zhǔn)確預(yù)測變化趨勢，為支護(hù)措施提供科學(xué)依據(jù)，確保礦山頂板穩(wěn)定性。

（2）礦用光纖礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)是煤礦頂板運(yùn)動研究的重要技術(shù)之一。這一系統(tǒng)可以及時捕捉壓力變化，有助于準(zhǔn)確判斷潛在風(fēng)險并采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。

（3）通過建立頂板壓力預(yù)測模型，可以提前預(yù)測頂板的壓力分布情況，有助于礦井及時采取支護(hù)措施，防止?jié)撛诘捻敯迨Х€(wěn)風(fēng)險。

（4）采取安全運(yùn)營監(jiān)測與調(diào)整策略，實時收集頂板運(yùn)動、應(yīng)力分布、位移變化等數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，可以幫助礦井及時識別頂板異常變化趨勢。