綜采工作面礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法研究及應(yīng)用

張金虎，楊正凱

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

液壓支架與圍巖關(guān)系是采場礦山壓力理論研究的關(guān)鍵，是指導(dǎo)工作面支架選型和頂板控制技術(shù)措施制定的依據(jù)[1-3]。綜采工作面液壓支架工作阻力監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律是對采場礦山壓力顯現(xiàn)有明顯影響巖層運(yùn)動(dòng)特征的直接反應(yīng)，礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析處理是獲悉采場上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律和研究支架—圍巖關(guān)系的重要手段[4-5]。

近年來，我國礦山壓力監(jiān)測儀器、方法和技術(shù)發(fā)展較快，從最初的需要人工定期讀數(shù)的機(jī)械式、數(shù)顯式監(jiān)測儀表逐步發(fā)展到單片機(jī)記錄存儲(chǔ)、采集器紅外無線采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測單片機(jī)存儲(chǔ)記錄儀，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)通過在線或無線監(jiān)測系統(tǒng)用地面計(jì)算機(jī)進(jìn)行在線監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理[6-10]。

科學(xué)的礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)處理方法可以有效指導(dǎo)生產(chǎn)工作人員、工程技術(shù)人員和安全檢查員直觀了解支架支護(hù)質(zhì)量，對圍巖變形和頂板來壓規(guī)律進(jìn)行預(yù)報(bào)分析。本文結(jié)合大量監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的分析處理提出有關(guān)礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)處理內(nèi)容和方法，以指導(dǎo)支架圍巖關(guān)系的研究和頂板控制措施的制定。

礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理流程主要包括4個(gè)部分：根據(jù)綜采工作面開采實(shí)踐制定科學(xué)合理的監(jiān)測方案；通過礦壓監(jiān)測儀器獲得時(shí)間序列上的支架工作阻力并對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理得到初撐力、循環(huán)末阻力和時(shí)間加權(quán)平均阻力；分析初撐力和循環(huán)末阻力沿工作面推進(jìn)方向及面長方向隨時(shí)空變化的顯現(xiàn)規(guī)律得出上覆巖層的運(yùn)動(dòng)特征；支架支護(hù)質(zhì)量評價(jià)。礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。

圖1 礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)處理流程

1 礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)間序列上的采集和預(yù)處理

目前主流的礦壓監(jiān)測設(shè)備記錄的P-t曲線包含了礦壓規(guī)律研究的基礎(chǔ)內(nèi)容，但直接看記錄數(shù)據(jù)或曲線很不直觀，且大量的數(shù)據(jù)中有很多是對分析礦壓顯現(xiàn)規(guī)律而言無用的數(shù)據(jù)，必須加以整理和計(jì)算才能成為研究分析礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的有用資料。支架在支撐上覆巖層的支護(hù)循環(huán)過程中有初撐和工作兩個(gè)階段，根據(jù)綜采工作面礦壓研究及支護(hù)質(zhì)量評價(jià)的需要，按照支架不同工作階段需對支架初撐階段及工作階段分別研究處理，主要處理數(shù)據(jù)包括初撐力(P0)、循環(huán)末阻力(Pm)和時(shí)間加權(quán)平均阻力(Pt)。礦壓數(shù)據(jù)的預(yù)處理是指根據(jù)礦壓規(guī)律研究的需要在海量的數(shù)據(jù)中整理出需要處理的數(shù)據(jù)。

初撐階段 支架初撐力是指在每個(gè)割煤循環(huán)中，支架向前推移到新的支護(hù)位置后通過泵站供液提供給頂板的主動(dòng)支撐力(如圖2所示)，其大小取決于泵站的工作壓力，并受管路損失、工人操作和供液距離等因素的影響。支架額定初撐力F0的計(jì)算公式為[3]：

F0=nπr2Pb

式中，n為立柱數(shù)量；r為支架立柱半徑；Pb為泵站額定壓力。

圖2 初撐力和循環(huán)末阻力在P-t曲線位置

工作階段 當(dāng)支架完成初撐階段之后即進(jìn)入工作階段，如圖2所示在1個(gè)割煤循環(huán)初期支架工作阻力較小，隨著割煤的進(jìn)行，上覆巖層運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)產(chǎn)生作用力通過直接頂作用于支架上，支架工作阻力開始上升，當(dāng)該作用力超過支架安全閥設(shè)定開啟壓力時(shí)，支架通過卸壓緩沖頂板壓力，此時(shí)支架工作阻力在額定工作阻力上下波動(dòng)直至平衡。支架在一個(gè)循環(huán)結(jié)束，液壓支架移架之前的工作阻力稱為循環(huán)末阻力，正常情況下循環(huán)末阻力為一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)工作阻力最大值，是反映礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)弱、評價(jià)支架支護(hù)質(zhì)量的重要指標(biāo)[11]。

支架初撐力和循環(huán)末阻力分布特征基本可以反映液壓支架主要工作狀態(tài)，但是2個(gè)不同循環(huán)內(nèi)存在如圖3所示循環(huán)末阻力相等但是循環(huán)內(nèi)支架受力差別很大的情況，因此不同循環(huán)內(nèi)液壓支架的受力狀態(tài)不能簡單地認(rèn)為是等同的，此時(shí)，通過時(shí)間加權(quán)平均阻力(Pt)則可以反映這一差別。

圖3 2個(gè)不同工作循環(huán)內(nèi)支架P-t曲線

P-t曲線除了可以獲取礦壓規(guī)律研究所需的初撐力及循環(huán)末阻力外，統(tǒng)計(jì)不同時(shí)期(如周期來壓和非周期來壓)各循環(huán)P-t曲線中不同類型的百分比，可以分析頂板壓力的大小和支架對頂板的適應(yīng)性。P-t曲線類型主要分為圖4所示4種：微增阻類型，支架升架后，支架的工作阻力不增加或增加較小，表明支架初撐力較高，或頂板沒有下沉或離層，支架與頂板保持相對穩(wěn)定；急增阻類型，支架升架后，支架工作阻力一直在急劇增加，一次急增阻中最不利的是連續(xù)增阻，急增阻類型表明液壓支架的初撐力過低，并且在循環(huán)內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)支架頂板相對平衡；增阻-恒阻類型，支架升架后，支架工作阻力在很短時(shí)間內(nèi)增阻，隨著增阻達(dá)到安全閥開啟壓力后，安全閥一直在泄液，說明支架工作阻力較小或工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，根據(jù)支架超過額定工作阻力的比例評價(jià)支架不能或接近滿足工作面的支護(hù)要求；增阻-降阻類型，支架升架后，支架的工作阻力在減少，主要原因一是頂?shù)装遢^破碎(軟)，或有浮煤，造成支架降阻，該種情況降阻幅度不大，二是由于立柱漏液或安全閥不能保壓，導(dǎo)致工作阻力急劇減少，此種對支架控制頂板非常不利[12]。

圖4 不同P-t曲線類型

2 礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)空間序列上的處理

隨著采場的推進(jìn)，巖梁發(fā)生周期性破斷、下沉和回轉(zhuǎn)，礦山壓力也隨之發(fā)生周期性的變化，液壓支架的工作阻力也會(huì)呈現(xiàn)一定的周期規(guī)律性。上覆巖層運(yùn)動(dòng)分為相對穩(wěn)定和顯著運(yùn)動(dòng)2個(gè)階段，液壓支架工作阻力隨著頂板不同運(yùn)動(dòng)階段也呈現(xiàn)不同的特征，在頂板相對穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)，上覆巖層的運(yùn)動(dòng)幅度相對較小，礦壓顯現(xiàn)不明顯，支架工作阻力較小且變化不大，當(dāng)頂板處于顯著運(yùn)動(dòng)時(shí)，巖層的運(yùn)動(dòng)幅度增大，液壓支架工作阻力將隨之增大[13]。

礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)在空間數(shù)列上的處理即沿工作面面長方向分析工作面不同部位礦山壓力顯現(xiàn)的規(guī)律和沿工作面推進(jìn)方向分析支架循環(huán)末阻力的周期性

變化規(guī)律所反映的上覆巖層周期性垮落特征。根據(jù)液壓支架的不同工作階段，處理的數(shù)據(jù)主要包括初撐力和循環(huán)末阻力。

2.1 初撐力數(shù)據(jù)處理

液壓支架初撐力是采場支護(hù)質(zhì)量評價(jià)的重要指標(biāo)，對于支架合理工況的發(fā)揮和頂板的防護(hù)具有重要作用，初撐力是液壓支架給予頂板的主動(dòng)作用力，對于抑制頂板早期下沉、最大限度保持直接頂(頂煤)的完整、減小離層和預(yù)防沖擊地壓等都具有重要作用[14-16]。

通過實(shí)時(shí)在線礦山壓力監(jiān)測系統(tǒng)獲取工作面某段時(shí)間全開采過程支架初撐力原始數(shù)據(jù)并繪制支架初撐力特征曲線，對統(tǒng)計(jì)的支架初撐力進(jìn)行分析研究后繪制支架初撐力分布直方圖。如果支架架型為兩柱式，則至少選取左柱或右柱之一進(jìn)行觀測分析；如支架架型為四柱式，則至少需前柱和后柱各選左柱或右柱之一進(jìn)行觀測分析，然后再對整架初撐力進(jìn)行分析研究。表1為某礦統(tǒng)計(jì)初撐力現(xiàn)場實(shí)測情況。

表1 工作面不同部位支架初撐力及合格率

通過表1可以分析得到初撐力合格率及離散情況。由表1可知，整個(gè)觀測過程支架初撐力平均值均小于額定初撐力，初撐力存在明顯和較大幅度地波動(dòng)，總體而言，初撐力合格率很低。另外通過初撐力在不同區(qū)間的分布情況繪制初撐力分布直方圖，可以更直觀地獲悉初撐力合格率以有效指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。標(biāo)準(zhǔn)的初撐力分布直方圖應(yīng)該符合以約70%～80%F0為中心的正態(tài)分布。如圖5所示為額定初撐力為31.5MPa的支架不同初撐力分布情況。

2.2 循環(huán)末阻力數(shù)據(jù)處理

2.2.1 采場頂板運(yùn)動(dòng)特征和參數(shù)確定

支架工作阻力是頂板壓力的直接反應(yīng)，通過對支架循環(huán)末阻力的處理可得出上覆巖層頂板的運(yùn)動(dòng)特征。周期來壓分析以液壓支架的平均循環(huán)末阻力與其均方差之和作為判斷頂板周期來壓的主要指標(biāo)[17]。來壓判據(jù)計(jì)算公式為：

圖5 初撐力分布

頂板周期來壓步距主要根據(jù)支架循環(huán)末阻力的周期性變動(dòng)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，典型支架循環(huán)末阻力曲線如圖6所示。

通過繪制支架循環(huán)末阻力曲線圖可直觀地觀測某一測線位置的來壓步距，通常工作面沿傾向方向來壓步距及來壓強(qiáng)度并不相同，通過如圖7所示曲面圖的繪制可直觀形象地觀察這種差別，在曲面圖中，可以用灰度代表特定的數(shù)值范圍，并可根據(jù)需要對灰度進(jìn)行調(diào)整，因此可以更加直觀地顯示面長方向和推進(jìn)方向壓力的分布情況。如圖7可直觀看出絕大部分時(shí)間工作面中部來壓強(qiáng)度要明顯強(qiáng)于工作面上部和下部。

圖6 支架循環(huán)末阻力曲線

圖7 支架工作阻力分布曲面

2.2.2 液壓支架工作阻力發(fā)揮程度評述

支架工作阻力發(fā)揮程度評述即分析額定工作阻力與支架實(shí)測循環(huán)末阻力的關(guān)系，主要包括以下2個(gè)方面，即支架工作阻力利用率和支架循環(huán)末阻力超限次數(shù)和比例，根據(jù)不同架型分為前柱、后柱和整架。通過對支架工作阻力發(fā)揮程度的評述最終完成支架支護(hù)質(zhì)量的評價(jià)并結(jié)合采場頂板運(yùn)動(dòng)特征和參數(shù)制定頂板控制的專項(xiàng)技術(shù)措施，同時(shí)可為后續(xù)工作面液壓支架選型提供參考。

3 結(jié) 論

礦壓數(shù)據(jù)信息的科學(xué)利用可以為頂板控制和安全生產(chǎn)提供可靠保障，通過礦壓數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和科學(xué)處理，實(shí)現(xiàn)對綜采工作面頂板巖層從整體到破斷、垮落，從穩(wěn)定到失穩(wěn)、來壓整個(gè)時(shí)空過程的監(jiān)控，準(zhǔn)確分析頂板巖層的壓力顯現(xiàn)特征和規(guī)律，有針對性地進(jìn)行綜采工作面頂板災(zāi)變預(yù)測、采取頂板控制措施和制定支架選型方案。

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