澳大利亚长壁工作面自动化来压预警技术与冲击危险性评价应用研究

李安民，张 宁,2，隋 健，玄立明

(1.兖煤澳大利亚有限公司，新南威尔士州 悉尼 2000；2.山东能源集团有限公司，山东 济南 250000)

当今世界，人工智能大热，国内煤炭工业紧跟浪潮开启了如火如荼的智能化矿山建设革命，全国各地智能化采掘技术、智能化装备、智能化监测监控等俨然成为衡量行业发展水平的重要指标[1]。本文结合国内外煤炭行业智能化监测监控技术的发展应用[2-4]，通过对澳大利亚某矿LVA长壁工作面可视化监控系统(简称“LVA系统”)的数据采集、共享和数据处理方法的介绍，全面展示了澳大利亚长壁工作面自动化矿压分析和预警技术；通过多维度数据分析，探索建立了若干指标辅助现场安全管理和指导冲击危险性评价，对于国内智能化矿山建设和工程技术人员业务学习具有积极的参考价值。

1 矿井概况

某矿位于澳大利亚东海岸纽卡斯尔煤田，主采煤层厚度4.5～7.5 m，倾角4°，埋深450～700 m。煤层顶板为砂岩、粉砂岩互层，厚度达20 m，煤层底板为薄层状泥岩、黏土岩、粉砂岩、砂岩，厚度约2 m，下覆较厚的砾岩层。按照中国标准开展了矿井冲击倾向性鉴定，经测定该矿主采煤层和顶板岩层均具有弱冲击倾向性。

2016年以来，该矿多次发生冲击地压事件，严重影响了矿井的生产经营。为了安全、经济地管控冲击地压风险，尽快恢复正常生产作业，该矿与设备供应商一起研究建成了澳洲首个无人化开采长壁工作面，并通过LVA系统的应用收集了丰富的矿山压力数据，为长壁工作面的矿压管理和防冲安全评价提供了可靠的技术支持。

2 长壁工作面可视化监控系统

作为澳大利亚煤炭工业智能化监控体系的重要组成部分，LVA系统是一款集连续工作阻力监测、分析、形象化显示以及割煤路线追踪等功能为一体的矿压分析软件包。该系统自2006年第一版试行以来，被迅速推广至澳大利亚各州井工矿以及美国和南非的部分煤炭企业，并被用于高等院校矿业工程专业的教学和展示[5]。

智能化工作面配置的LVA系统主界面设定了6个风险预警仪表盘，分别表征低于额定工作阻力的液压支架数、升柱后开始减阻时间、直接顶板的破断程度、工作面液压支架工作阻力峰值区平均压力、工作面来压变化趋势以及冒顶风险。并且，系统对每项表征指标进行了风险分级，用“绿-橙-红”分别表示低、中、高风险，直观地显示了采场矿山压力与支护状态。此外，该系统还具有以下功能(图1)：

图1 LVA系统主界面

1) 系统的访问用户可以无限扩展，支持任何数量的用户同时、实时访问监测系统数据库。

2) 系统支持多站点访问，技术人员或高管可通过网络异地远程调阅多座矿井的监控界面。

3) 实时显示液压支架工作阻力、采煤机位置、推移千斤顶行程，同时保留了有关气体浓度、支架支撑高度及综放技术参数扩展端口。

4) 自动化矿压分析，并生成支护工作阻力曲线、漏窜千斤顶标注、让压卸载支架数量巡检、初始增阻速率监测及工作面来压、冒顶等矿压事件预警等。

3 基于LVA系统的来压预警技术

3.1 预警指示参数

在采用LVA系统进行来压预警过程中，比较关键的3个指示参量为工作面来压趋势指数(WDI)、冒顶风险指数(CRI)和卸载次数(YC)。这是基于LVA系统用户的大量联网数据，结合液压支架初始增阻速率和卸载事件设定的全真指示参数。液压支架的初始增阻速率是顶板来压比较灵敏的判据，它的变化反应了顶板的活动情况，它与支架的工作阻力变化一致，但可以消除循环时间带来的影响[6]。

CRI指数表示潜在冒顶事件在设定时间段内发生的可能性，WDI指数则表示工作面覆岩运动和加载的趋势，YC指数则被用于辅助确定覆岩运动的活跃程度。综合考量3个指示参数共同预测和评价顶板来压风险。当三者达到预设临界值或呈现特定变化趋势时，可触发来压预警，并提示作业人员及时采取应急响应措施。

3.2 来压事件应急响应预案

利用LVA系统的顶板来压预警和自动化矿压分析功能，结合矿井实际开采过程中的地质和矿压管理经验，可以编制来压事件应急响应预案。表1为某矿基于LVA系统编制的来压事件应急响应预案，即LVA系统在预设的时间间隔内对长壁工作面液压支架工作状态进行巡检，巡检内容包含：

1) 在一个完整工作循环中液压支架是否出现快速增阻状态，即加载速率>0.5 MPa/min。

2) 在一个完整工作循环中液压支架是否出现卸载状态(额定阻力32 MPa，卸载阈值42 MPa)。

3) 在一个完整工作循环中液压支架出现的让压卸载次数。

当支架初始增阻速率大于0.5 MPa/min并出现安全阀开启卸压现象时，该组支架会被自动标注为一个触发事件，若在连续相邻20组支架中有10组及以上支架被标记为触发事件，则WDI指数进入红色预警状态；若在连续相邻20组支架中超过5组且少于10组支架被标记为触发事件，则WDI指数显示橙色预警状态。

4 LVA系统在冲击危险性评价中的应用

LVA系统的自动来压分析功能可以根据长壁工作面平均工作阻力、初始增阻速率及让压卸载次数等参数的预设临界值，自动生成工作面来压分布图，来压分布图可以电子化编辑或覆盖在采掘工程、地质工程等图件上进行综合分析，同时可以导出来压时间、来压范围及相应液压支架工作阻力等电子数据，方便更为深入地处理分析。

图2为某矿区域冲击危险区划分图，预评价过程中考虑了历史工作面的顶板来压影响因素。工作面开采结束后，笔者对两个长壁工作面的监测来压事件和冲击危险性评价进行了复审。从B5工作面的来压分布来看，当工作面进入“硬顶-硬底”结构区域时，监测来压事件呈现频次增加、步距缩短的现象，且来压范围增大，而该区域在预评价报告中被划分为强冲击和中等冲击危险区，与评价结果互证。

此外，LVA监测发现长壁工作面的来压步距差异性较大，这与普遍认知的周期来压理论略有不同，这是由LVA系统对来压事件监测的敏感度决定的，即LVA系统的监测结果不仅包括连续、均质地层条件下的老顶周期性破断来压，还包括由于地质构造、开采环境、长时段停面等时空因素引起的特殊时段、特殊区域的顶板来压。因此，通过应用LVA系统进行来压监测和分析比传统人工矿压观测更为全面、客观和科学。

为了进一步总结规律，笔者对5个长壁工作面的来压数据进行了进一步整理(表2)，可以得出：

表2 某矿B采区长壁工作面LVA监控来压参数

1) 来压事件主要在工作面中部显现，来压范围大致在第31～第117号架范围内。

2) 大的来压事件前后会伴随小范围的局部来压现象，每次来压涉及的支架数约58～91架，约占全面支架总数的44%～69%。

3) B2首采工作面平均来压步距为14 m，相比其他沿空工作面，首采工作面来压周期性更强。

4) B5工作面在进入“硬顶-硬底”结构区之前，平均来压步距约为24 m，进入“硬顶-硬底”区域后，平均来压步距约为9 m。

如图3所示，对B3～B6长壁工作面来压事件频次进行线性拟合，统一各工作面的开切眼位置，方便对比分析。可以看出，当B5工作面进入“硬顶-硬底”区域后(约670 m进尺点处)，来压频次曲线急剧上升，斜率增大。B4工作面在开采临近断层构造时呈现相同的增势，图3中两椭圆位置所示的两区域皆被评价为强冲击危险区。而在其他不存在 “硬顶-硬底” 或断层构造的区域，顶板来压频次曲线的斜率非常稳定且相近。可见，断层构造和坚硬顶底板结构可增加顶板来压的频次，缩短来压步距，顶板来压事件的统计分析对局部冲击危险性评价具有重要指示意义。

图3 B3～B6工作面顶板来压事件频次曲线

5 顶板来压与其他动力事件之间的联系

2018年，澳大利亚新南威尔士州颁布补充法案具体定义了冲击地压和震动引起的松散煤体坠落、煤炮、片帮等动力现象。法案认为，煤炮、片帮等低水平动力事件尽管没有引起大面积煤体失稳和变形，但仍可能预示冲击危险性的增加[7]。为了探索上述动力事件与顶板来压之间的关联性，笔者对某矿5个长壁工作面的有关动力事件进行了整理分析。

5.1 顶板来压与煤炮事件的联系

国内外矿业界对于“Coal bump”的研究应用比较普遍，但是对其定义不尽统一。结合澳大利亚煤炭工业的现场管理实践，比较贴切的中文释义为“煤炮”，即煤层地压显现出来的煤体深部发生错动产生的响声(闷雷声、机枪声、沙沙声等)[8]。早在1983年，国内便有工程技术人员将煤炮作为评价瓦斯突出危险的“一种简单、实用又便于掌握的定性方法”[9]。兖煤澳大利亚有限公司在现场矿山开采过程中建立了长期、系统的煤炮跟踪评价制度，并根据伴随的片帮、震动、声响等进行了强度量化分级。

图4是某矿B5工作面开采过程中煤炮事件的频次、强度统计曲线与来压事件的对比情况。可以看出，相对于煤炮频次曲线，来压频次与煤炮强度曲线表现出更为一致的变化趋势。当工作面推进至705.5 m位置后，顶板来压频次曲线斜率突变，来压事件数量开始增多；工作面推进至651.2 m进尺点时，来压频次显著增多。相应的，煤炮曲线斜率突变点发生在662 m进尺点(接近“硬顶-硬底”区域)，落后于顶板来压频次曲线约43.5 m，之后工作面煤炮数量开始激增，直至工作面推采至632.9 m工作面调整开采计划后，煤炮频次增速开始放缓并趋于稳定。由此可见，顶板来压频次对于采场地质因素变化较煤炮强度变化具有更高敏感性，可以为煤炮事件的发生提供前兆信息，同时间接评估覆岩运动的活跃程度。

图4 顶板来压与煤炮事件统计曲线

5.2 顶板来压与面内动力显现的联系

据统计，B5工作面共计推进770 m，累计发生煤壁片帮、炸帮15次，面内冲击2次，如图5所示。

图5 工作面内部动力显现情况统计

从动力事件显现的时序关系可以看出：

1) 面内冲击发生前、后均有片帮、炸帮现象发生。

2) 面内动力事件显现期间，长壁工作面顶板来压频次显著增加，顶板活动频繁。

3) 面内动力显现集中发生在工作面累计来压次数曲线斜率0.12～0.225之间，即基于LVA系统监测的累积来压事件统计规律，如果工作面每回采20 m，顶板来压数达到2～5次，则工作面出现片帮、炸帮甚至面内冲击的风险性将进一步升高。

5.3 顶板来压与微震事件的联系

研究[10]发现微震活动与围岩来压加载系数、动力场变化存在一定关系，并用以监测和评价隧道开挖过程中的冲击地压风险和发生概率。某工作面开采期间累计定位微震事件32 440个，释放总能量1.5×107J。LVA系统监测自1 118～308 m推进范围内发生来压事件46次，来压步距在3.2～45 m范围不等。

图6为顶板来压事件与累计微震能量、频次统计图。观察发现，在顶板来压步距存在显著差异的条件下，单位来压周期内微震事件呈现近似 “阶段能量守恒” 状态，并且这种能量守恒状态在不同开采阶段和地质因素的综合影响下逐渐失恒并形成新的能量平恒，与长壁工作面不同开采阶段的覆岩运动状态和活跃程度具有明显的关联性和指示性，因此，在综合考虑微震事件能级和频次的条件下，可将单位来压周期内累计微震能量作为长壁工作面冲击危险性评价的一项辅助参考指标。当相邻两个或两个以上来压周期内微震频次和能量 “近似守恒”时，工作面对应冲击危险状态可评价为低风险；若不守恒，则结合同期微震频次和能级变化评价工作面冲击危险为中等或高风险，最终评价等级还需进一步考虑地质构造等因素的叠加影响。澳大利亚某长壁工作面基于微震活动和顶板来压因素给出的冲击危险性评价情况如图6和表3所示。

图6 长壁工作面微震活动能量、频次统计

表3 基于微震和顶板来压事件的冲击危险性评价

6 结 语

1) 智能化采煤工作面通过装配LVA可视化监控系统可以实现工作面冒顶风险评估、顶板来压预警及自动化矿压分析等，根据WDI等关键监控指标可以进一步编制和完善矿井风险管理应急预案，提高现场安全管理水平。此外，通过可视化监控系统的自动巡检功能，可以使长壁工作面机械工程师更加方便、快捷和准确地发现和定位故障支架区，极大地方便了设备检修和维护。

2) LVA系统对于顶板来压事件的监测敏感性较高，监测结果不仅包括连续、均质地层条件下的老顶周期性破断来压，同时还包括由于地质构造、开采环境、长时段停面等时空因素引起的特殊时段、特殊区域的顶板来压，监测结果，比传统人工矿压观测更为全面、客观和科学。

3) 断层构造和坚硬顶底板结构可增加顶板来压的频次，缩短来压步距；顶板来压事件与煤炮、煤壁片帮、面内冲击以及采场微震活动存在显著的关联性，基于LVA系统的顶板来压实时监测和统计分析对局部冲击危险性评价具有重要指示意义。