基于统计分析法的工作面来压预测研究

庞军林

(内蒙古伊泰京粤酸刺沟矿业有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯017000)

基于统计分析法的工作面来压预测研究

庞军林

(内蒙古伊泰京粤酸刺沟矿业有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯017000)

Prediction of Underground Pressure Behavior in Mining Face Based on Statistic Analysis

为解决酸刺沟105－2工作面末采期间压力大不利于回撤问题，对该工作面进行了矿压监测，并基于统计分析法对工作面来压进行预测研究。结果表明:该工作面周期来压可划分为3个阶段:压力缓和阶段、压力升高阶段和大面积来压阶段。安全阀开启率、工作面平均工作阻力及加权工作阻力曲线变化趋势基本一致，属于顶板压力显现强度正相关的参数，可通过工作面支架工作阻力状态评价顶板压力显现程度，并根据相关参数的拟合公式对后续来压参数进行预测。

统计分析;来压预测;矿压观测;周期来压

长期以来，采矿科技工作者们通过理论分析、相似模拟、数值计算和现场实测，对工作面顶板来压强度、来压步距、顶板下沉量、来压时刻和来压影响距离等参数进行了预测研究［1－4］。顶板矿压显现预测方法主要有概率统计法、模糊数学法、物理力学法和计算机智能法。但是，由于工作面赋存条件的复杂多变性，加之各矿区技术和设备条件相差较大，迄今并未建立起通用的预测模型。

近几年来，支架工作阻力监测设备制造水平得到了较快发展，具备适应井下恶劣环境、监测周期短、井上下同步显示、局域网同步查看、自动分析、初撑力不足报警、实时评价、支架效能监测等功能。通过监测支架工作阻力，可反映顶板压力显现变化，矿压监测设备的大规模推广应用为实施基于概率统计法的来压预测提供了可能，加密测点可显著提高此方法的预测准确性。

1 工作面概况

酸刺沟6上105－2工作面位于酸刺沟井田南部一盘区6上煤层，东邻6上107胶运巷和6上107工作面未开采煤体，西邻6上103－2工作面采空区，南邻6上煤105－1工作面与6上煤105－2之间煤柱，北邻6上105－2主设备撤出巷。对应地面标高为1112～1197m，对应井下标高为908～993m。工作面走向长度1356m，倾斜长度245m，煤层平均厚度7.14m，倾角0～5°。

工作面矿压观测采用天地科技股份有限公司自主研发的KJ21型矿压监测系统，该系统压力巡检时间短，只有2s，压力变化大于1MPa时对数据进行记录。工作面共安装46台记录仪，约3部支架布置1个测点，每个测点可监测支架前后柱工作阻力变化。为保证工作面顺利回撤，避免回撤期间工作面大面积来压，以实测数据为基础，对末采期间的矿压显现规律进行分析总结及预测。

2 来压规律

为了直观分析不同时空位置的工作面压力情况，绘制了工作面2011年4月7日至11月14日共221d的支架日加权工作阻力三维等值线图，如图1所示。沿工作面走向，间隔有高压力带和低压力带出现，且具有一定的影响时间，说明顶板压力显现有周期性。从三维图上分析，正常推进期间的矿压周期规律更为明显。沿工作面倾向，工作面两端压力小于工作面中部，高压力区主要集中在40～120号支架之间，不同位置顶板来压时序与强度存在差异。

图1 日加权工作阻力三维等值线

周期来压分析以支架的平均循环末阻力与其均方差之和作为判断顶板周期来压的主要指标，各支架来压判据如表1所示。

表1 支架周期来压判据

图2和图3为30号支架和100号支架的循环末阻力曲线图，30号和100号支架各判断出4次来压。

图2 30号支架循环末阻力曲线

图3 100号支架循环末阻力曲线

6上105－2工作面一个周期来压的周期约为3～4d，周期来压步距约15～35m，平均周期来压步距为20.2m，来压平均动载系数1.35。

图4为工作面平均工作阻力曲线图，根据变化趋势，一个周期基本可划分为3个阶段。

图4 工作面平均工作阻力曲线

(1)压力缓和阶段 上一个周期工作面大面积来压后，采空区顶板充分垮落，工作面顶板压力迅速下降，处于压力缓和阶段，此阶段持续约1～2d，推进距离5～15m。

(2)压力升高阶段 随着推进距离的增加，悬顶面积加大，支架支撑的上覆岩层重量增加，工作面顶板压力逐渐显现，发生局部来压现象，此阶段持续约1d，推进距离5～10m。

(3)大面积来压阶段 悬顶面积增加到一定程度后，诱发工作面大面积来压，顶板压力普遍较大，来压影响距离5～10m左右，高压力持续一段时间后，进入下一个周期的压力缓和阶段。

工作面回撤期间，理想状态是位于压力缓和阶段，有利于回撤支架。6上105－2工作面埋藏较浅，来压强度大，支架最大工作阻力超过18000kN的比例高，回撤期间工作面大面积来压极易造成压架事故。采取有效手段对末采期间的来压规律进行准确预测，制定针对措施，改变来压参数，可避免挂网和回撤期间顶板压力显现异常。

3 预测方法分析

支架受力状态反映顶板压力显现强度，顶板周期性来压引起支架工作阻力不断变化，为研究工作阻力变化特征与周期来压之间的关系，选取工作面安全阀开启率、平均工作阻力和加权工作阻力变化作为相关参数进行统计分析 (见图5～图7)。

图5 安全阀开启率变化

图6 平均工作阻力曲线

分析图5～图7可知，安全阀开启率、工作面平均工作阻力及加权工作阻力曲线变化趋势基本一致，属于顶板压力显现强度正相关的参数。当安全阀开启率大于8%，平均工作阻力大于8000kN，加权工作阻力大于7500kN时，现场观测工作面片帮严重，判据判断超过50架支架来压，工作面处于大面积来压阶段;当安全阀开启率小于3.5%，平均工作阻力小于5000kN，加权工作阻力小于4000kN，此时工作面片帮少，仅可判断5架以下支架工作阻力超过来压判据，工作面处于压力缓和阶段。

图7 加权工作阻力曲线

统计分析监测的相关参数，作出拟合公式，公式 (1)为平均工作阻力与推进度的拟合关系式。通过计算可对后期的来压情况进行预测，并通过判据对压力显现程度进行判断。

y=0.0036x5－0.0002x4+0.0577x3－5.7719x2+ 219.8x+2885.8 (1)

为提高预测的准确性，需提高监测点的密度，增加数据量，采用多参数预测方法。6上105－2工作面末采期间推进至距回撤通道28m时，处于周期来压的压力缓和阶段，通过拟合计算预测推进至回撤通道时的工作面平均工作阻力8005kN，为大面积来压阶段，不利于回撤支架。根据预测结果，采取了超前顶板弱化措施，缩短了周期来压步距。

4 结论

(1)6上105－2工作面周期来压可划分为3个阶段:压力缓和阶段、压力升高阶段和大面积来压阶段。工作面回撤期间，理想状态是位于压力缓和阶段，有利于回撤支架。

(2)经统计分析，安全阀开启率、工作面平均工作阻力及加权工作阻力曲线变化趋势基本一致，属于顶板压力显现强度正相关的参数。

(3)顶板周期性来压引起支架工作阻力不断变化，可通过工作面支架工作阻力状态评价顶板压力显现程度，并根据相关参数的拟合公式对后续1～2次来压参数进行预测。

［1］谭云亮，赵卫东.矿压参量的递进灰色预测方法［J］.山东矿业学院学报，1992，3(1):1－6.

［2］姚建国，郭藩强，冯夏庭，等.采用自适应模式识别方法预测预报矿压显现［A］.中国岩石力学与工程学会第四次学术大会论文集［C］.北京:中国科学技术出版社，1996.

［3］袁义鲁，魏建青，梁广锋.采用灰色等维拓扑预测方法实现对63上10工作面顶板来压的近中期预报 ［J］.煤矿开采，1996(S1):29－36.

［4］杨 硕.基于PSO－BP神经网络的浅埋煤层工作面顶板矿压预测研究［D］.西安:西安科技大学，2010.

［5］黄庆享.采场老顶初次来压的结构分析［J］.岩石力学与工程学报，1998，17(5):521－526.

［6］刘小明，来兴平，崔 峰，等.复杂煤层6.2m大采高支架工况监测与分析［J］.煤炭科学技术，2011，39(3):29－31.

［责任编辑:潘俊锋］

TD324.2

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1006-6225(2012)04-0093-03

2012－05－04

庞军林 (1970－)，男，内蒙古鄂尔多斯人，高级工程师，现任内蒙古伊泰京粤酸刺沟矿业有限责任公司董事长、总经理。