综采工作面矿压监测数据处理方法研究及应用

张金虎，杨正凯

(1.煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；3.煤炭科学研究总院，北京 100013)

液压支架与围岩关系是采场矿山压力理论研究的关键，是指导工作面支架选型和顶板控制技术措施制定的依据[1-3]。综采工作面液压支架工作阻力监测数据的变化规律是对采场矿山压力显现有明显影响岩层运动特征的直接反应，矿压监测数据的分析处理是获悉采场上覆岩层运动规律和研究支架—围岩关系的重要手段[4-5]。

近年来，我国矿山压力监测仪器、方法和技术发展较快，从最初的需要人工定期读数的机械式、数显式监测仪表逐步发展到单片机记录存储、采集器红外无线采集数据的实时监测单片机存储记录仪，目前已经可以实现通过在线或无线监测系统用地面计算机进行在线监测与数据处理[6-10]。

科学的矿压监测数据处理方法可以有效指导生产工作人员、工程技术人员和安全检查员直观了解支架支护质量，对围岩变形和顶板来压规律进行预报分析。本文结合大量监测数据信息的分析处理提出有关矿压监测数据处理内容和方法，以指导支架围岩关系的研究和顶板控制措施的制定。

矿压监测数据的处理流程主要包括4个部分：根据综采工作面开采实践制定科学合理的监测方案；通过矿压监测仪器获得时间序列上的支架工作阻力并对原始数据进行预处理得到初撑力、循环末阻力和时间加权平均阻力；分析初撑力和循环末阻力沿工作面推进方向及面长方向随时空变化的显现规律得出上覆岩层的运动特征；支架支护质量评价。矿压监测数据处理流程如图1所示。

图1 矿压监测数据处理流程

1 矿压监测数据时间序列上的采集和预处理

目前主流的矿压监测设备记录的P-t曲线包含了矿压规律研究的基础内容，但直接看记录数据或曲线很不直观，且大量的数据中有很多是对分析矿压显现规律而言无用的数据，必须加以整理和计算才能成为研究分析矿压显现规律的有用资料。支架在支撑上覆岩层的支护循环过程中有初撑和工作两个阶段，根据综采工作面矿压研究及支护质量评价的需要，按照支架不同工作阶段需对支架初撑阶段及工作阶段分别研究处理，主要处理数据包括初撑力(P0)、循环末阻力(Pm)和时间加权平均阻力(Pt)。矿压数据的预处理是指根据矿压规律研究的需要在海量的数据中整理出需要处理的数据。

初撑阶段 支架初撑力是指在每个割煤循环中，支架向前推移到新的支护位置后通过泵站供液提供给顶板的主动支撑力(如图2所示)，其大小取决于泵站的工作压力，并受管路损失、工人操作和供液距离等因素的影响。支架额定初撑力F0的计算公式为[3]：

F0=nπr2Pb

式中，n为立柱数量；r为支架立柱半径；Pb为泵站额定压力。

图2 初撑力和循环末阻力在P-t曲线位置

工作阶段 当支架完成初撑阶段之后即进入工作阶段，如图2所示在1个割煤循环初期支架工作阻力较小，随着割煤的进行，上覆岩层运动、回转产生作用力通过直接顶作用于支架上，支架工作阻力开始上升，当该作用力超过支架安全阀设定开启压力时，支架通过卸压缓冲顶板压力，此时支架工作阻力在额定工作阻力上下波动直至平衡。支架在一个循环结束，液压支架移架之前的工作阻力称为循环末阻力，正常情况下循环末阻力为一个工作循环内工作阻力最大值，是反映矿压显现强弱、评价支架支护质量的重要指标[11]。

支架初撑力和循环末阻力分布特征基本可以反映液压支架主要工作状态，但是2个不同循环内存在如图3所示循环末阻力相等但是循环内支架受力差别很大的情况，因此不同循环内液压支架的受力状态不能简单地认为是等同的，此时，通过时间加权平均阻力(Pt)则可以反映这一差别。

图3 2个不同工作循环内支架P-t曲线

P-t曲线除了可以获取矿压规律研究所需的初撑力及循环末阻力外，统计不同时期(如周期来压和非周期来压)各循环P-t曲线中不同类型的百分比，可以分析顶板压力的大小和支架对顶板的适应性。P-t曲线类型主要分为图4所示4种：微增阻类型，支架升架后，支架的工作阻力不增加或增加较小，表明支架初撑力较高，或顶板没有下沉或离层，支架与顶板保持相对稳定；急增阻类型，支架升架后，支架工作阻力一直在急剧增加，一次急增阻中最不利的是连续增阻，急增阻类型表明液压支架的初撑力过低，并且在循环内难以实现支架顶板相对平衡；增阻-恒阻类型，支架升架后，支架工作阻力在很短时间内增阻，随着增阻达到安全阀开启压力后，安全阀一直在泄液，说明支架工作阻力较小或工作面矿压显现强烈，根据支架超过额定工作阻力的比例评价支架不能或接近满足工作面的支护要求；增阻-降阻类型，支架升架后，支架的工作阻力在减少，主要原因一是顶底板较破碎(软)，或有浮煤，造成支架降阻，该种情况降阻幅度不大，二是由于立柱漏液或安全阀不能保压，导致工作阻力急剧减少，此种对支架控制顶板非常不利[12]。

图4 不同P-t曲线类型

2 矿压监测数据空间序列上的处理

随着采场的推进，岩梁发生周期性破断、下沉和回转，矿山压力也随之发生周期性的变化，液压支架的工作阻力也会呈现一定的周期规律性。上覆岩层运动分为相对稳定和显著运动2个阶段，液压支架工作阻力随着顶板不同运动阶段也呈现不同的特征，在顶板相对稳定运动时，上覆岩层的运动幅度相对较小，矿压显现不明显，支架工作阻力较小且变化不大，当顶板处于显著运动时，岩层的运动幅度增大，液压支架工作阻力将随之增大[13]。

矿压监测数据在空间数列上的处理即沿工作面面长方向分析工作面不同部位矿山压力显现的规律和沿工作面推进方向分析支架循环末阻力的周期性

变化规律所反映的上覆岩层周期性垮落特征。根据液压支架的不同工作阶段，处理的数据主要包括初撑力和循环末阻力。

2.1 初撑力数据处理

液压支架初撑力是采场支护质量评价的重要指标，对于支架合理工况的发挥和顶板的防护具有重要作用，初撑力是液压支架给予顶板的主动作用力，对于抑制顶板早期下沉、最大限度保持直接顶(顶煤)的完整、减小离层和预防冲击地压等都具有重要作用[14-16]。

通过实时在线矿山压力监测系统获取工作面某段时间全开采过程支架初撑力原始数据并绘制支架初撑力特征曲线，对统计的支架初撑力进行分析研究后绘制支架初撑力分布直方图。如果支架架型为两柱式，则至少选取左柱或右柱之一进行观测分析；如支架架型为四柱式，则至少需前柱和后柱各选左柱或右柱之一进行观测分析，然后再对整架初撑力进行分析研究。表1为某矿统计初撑力现场实测情况。

表1 工作面不同部位支架初撑力及合格率

通过表1可以分析得到初撑力合格率及离散情况。由表1可知，整个观测过程支架初撑力平均值均小于额定初撑力，初撑力存在明显和较大幅度地波动，总体而言，初撑力合格率很低。另外通过初撑力在不同区间的分布情况绘制初撑力分布直方图，可以更直观地获悉初撑力合格率以有效指导生产实践。标准的初撑力分布直方图应该符合以约70%～80%F0为中心的正态分布。如图5所示为额定初撑力为31.5MPa的支架不同初撑力分布情况。

2.2 循环末阻力数据处理

2.2.1 采场顶板运动特征和参数确定

支架工作阻力是顶板压力的直接反应，通过对支架循环末阻力的处理可得出上覆岩层顶板的运动特征。周期来压分析以液压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[17]。来压判据计算公式为：

图5 初撑力分布

顶板周期来压步距主要根据支架循环末阻力的周期性变动作为判断标准，典型支架循环末阻力曲线如图6所示。

通过绘制支架循环末阻力曲线图可直观地观测某一测线位置的来压步距，通常工作面沿倾向方向来压步距及来压强度并不相同，通过如图7所示曲面图的绘制可直观形象地观察这种差别，在曲面图中，可以用灰度代表特定的数值范围，并可根据需要对灰度进行调整，因此可以更加直观地显示面长方向和推进方向压力的分布情况。如图7可直观看出绝大部分时间工作面中部来压强度要明显强于工作面上部和下部。

图6 支架循环末阻力曲线

图7 支架工作阻力分布曲面

2.2.2 液压支架工作阻力发挥程度评述

支架工作阻力发挥程度评述即分析额定工作阻力与支架实测循环末阻力的关系，主要包括以下2个方面，即支架工作阻力利用率和支架循环末阻力超限次数和比例，根据不同架型分为前柱、后柱和整架。通过对支架工作阻力发挥程度的评述最终完成支架支护质量的评价并结合采场顶板运动特征和参数制定顶板控制的专项技术措施，同时可为后续工作面液压支架选型提供参考。

3 结 论

矿压数据信息的科学利用可以为顶板控制和安全生产提供可靠保障，通过矿压数据的实时监测和科学处理，实现对综采工作面顶板岩层从整体到破断、垮落，从稳定到失稳、来压整个时空过程的监控，准确分析顶板岩层的压力显现特征和规律，有针对性地进行综采工作面顶板灾变预测、采取顶板控制措施和制定支架选型方案。

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