深井冲击倾向性采场矿压大数据精准管理技术

梁国栋，邱翰林

（徐矿能源股份有限公司 张双楼煤矿，江苏 徐州 221000）

我国虽然矿产资源丰富，但矿产资源的地理分布很不均衡，矿层赋存条件和开采方法也各不相同，赋存条件较差的矿层，由于投入多、产出少、开采技术难度大，产量和效率还不高，其中，受冲击地压影响的深部矿层开采尤为突出。山东科技大学吴士良教授提出的矿压分析基础是将支架工作阻力时间压力关系转换为步距压力关系，根据支架围岩关系模型，将支架的最大末阻力约等于顶板来压强度，将支架移架循环、采矿循环、工作面顶板周期断裂步距建立矿压分析模型，从而得出周压步距与最大来压强度，有效的指导冲击倾向性矿层工作面生产[1，2]。

张双楼矿现已进入深部开采（-1000m 水平），主采的9 号矿倾角18°～40°，平均25°，厚度为2.6m ～4.5m，平均3.6m，地质构造较为复杂，直接顶为砂岩，厚度约20m ～50m。矿井深部开采受冲击地压影响，需不断采取卸压、爆破等冲击地压防治措施后方可正常回采。因此明确工作面初次来压及周期来压步距、掌握采空区下采场顶板运动规律，为冲击地压防治措施制定提供依据意义深远。

1 工作面地质条件

我矿现开采的94101 工作面位于-1000m 水平延伸采取，工作面标高为-968.7m～-1062.2m、地面标高+37.6m，上覆74101 工作面、7123 工作面采空区，南临9121 工作面采空区，东部、北部均为未采区。工作面走向长1360m、倾向长204m，安装136 台支架；地层倾角为10°～30°、平均23°，矿层平均厚度3.3m；矿层直接顶为18.6m 细砂岩，局部发育一层厚0m～1.4m 泥岩。同时，工作面深部开采受冲击地压影响为中等冲击危险，需要采取卸压及加强支护等冲击地压防治措施。

2 基于支架工作阻力大数据的工作面区域矿压分析

2.1 工作面区域矿压分析新概念

目前多数学者对与矿压的研究重点集中在支架工作阻力数据，分析采场工作面的矿压规律，根据支架工作阻力数据，判断出矿压规律随支架间的数据变化而发生变化，当遇到安装监测分站的支架数量不够或者出现个别支架阻力缺失时，以单个支架的工作阻力去推断全部采场工作面的矿压规律缺乏严谨性，造成分析判断出现较大的误差。为此依据矿山采场工作面推进方向以及布置方向将靶区划分为两个大的区域，即走向区域和倾向区域，将参数特征相似的支架在工作面的方向进行一个区域划分，倾向区域归属于采场工作面的面长方向；设定非来压区和来压区，两区域的特征规律依照采场工作面的推进方向进行划分，走向区域即为推进方向的区域[3]。

2.2 工作面区域矿压分析关键技术

依照不同区域对矿压进行有效分析的相关思路，在得到矿压数据情况下分析所使用的相关技术：

（1）采场开采的循环聚类。详细的解释是这种循环聚类能够将支架在工作情况下的末阻力和初掌力进行筛选。

（2）横向区域的自动化分。

（3）采场不同区域内的支架工作阻力研究和相关运行参数的求取。因先关研究存在差异，支架的工作阻力可视为一个新概念，在预测模型中可以当做一个物理定义[4]。

2.3 基于大数据的矿压预测模型

宋振骐院士和姜福兴教授早在八十年代就提出了基于专家系统的矿压预测预报方法。矿山采场工作面实行矿压预测时，矿压的顶板岩层会出现明显的运移变化和周期性断裂，主要可能引发矿山压力分布变化和部分区域支撑力的变化，围岩运动受矿山压力变化的影响。矿山压力和顶板运动之间存在一定的联系，采场工作面的顶板运动是一种不确定因素，因此无法进行规律预测。而矿山压力分布也是不确定因素；而诸如支架压力、巷道顶底板移进量、工作面顶板等矿山压力显现是很容易测量的，因此，可以通过矿山压力显现的已知因素推断上覆岩层运动和矿山压力分布的未知因素[5，6]。

3 94101工作面实测矿压规律

监测方案和测区布置：

（1）监测系统概况：工作面安装一套KJ564 矿山压力实时在线监测系统，可集中连续的监测整个工作面的矿山压力、顶板动态环境等参数，在监控主机屏幕上可以显示不同的曲线、图形和表格等，具有数据存贮、超限报警、输出控制、打印各种报表和曲线等多种功能。

（2）工作面支架工作阻力测线布置：每个监测分站包含两个监测通道，分别与支架的前后立柱相连。共布置20 个监测分站，从7#支架开始安装，第二个在20#支架，最后一个监测分站在117#支架，每隔5 个支架安装一个监测分站，监测分站分别安装在7#、20#、25#、30#、35#、40#、45#、50#、55#、60#、65#、70#、75#、80#、85#、90#、95#、100#、105#和117#支架处，实时监测记录并传输20 个支架的工作阻力，工作面相邻5 个支架定义为一条测线，共20 条测线。工作面监测系统测区布置如图1 所示。

图1 KJ564 矿山压力工作面监测系统测区布置示意图

（3）支架初撑力分布。

图2 6 条测线支架初撑力和循环末阻力变化曲线

4 结论

（1）根据工作面顶底板条件，94101 工作面基本顶之上为7采空区，且顶板赋存较薄，采动后弹性能释放，分析动载主要来自于基本顶断裂。

（2）工作面顶板初次来压步距为32.5m，周期来压步距为14.9m，其中显著运动步距为2.7m。通过对6 条测线支架工作阻力实测分析，支架初撑力统计均值3322kN，占额定初撑力的65.6%，远没有达到初撑力的80%（4051kN）的管理目标要求，初撑力利用率偏低。支架循环末阻力均值4981kN，均未超出支架的额定工作阻力，占额定工作阻力73.3%，利用率良好。

（3）通过对微震日释放能量曲线推断分析，推断顶板初次来压步距36.8m，周期来压步距14.8m，与支架实测来压步距结果基本吻合，可以说明诱发冲击矿压的动载主要来自于基本顶断裂。根据分析观察，微震日释放总能量与次数变化曲线与支架循环末阻力曲线具有相似性，都存在周期性变化。

（4）矿压大数据观测和分析揭示了顶板破断能量变化和工作面顶板周期性运动规律，为矿井冲击地压的防治和预警提供了新途径。