补连塔煤矿矿压规律分析方法应用研究

郭宏伟，刘 正

(国能神东煤炭集团有限责任公司 移动应用开发项目部，陕西 榆林 719315)

补连塔煤矿是国能神东煤炭集团有限责任公司主力矿井之一，矿井位于内蒙古鄂尔多斯市伊旗乌兰木伦镇，东以乌兰木伦河西缘为界，南与上湾井田为邻，西与察哈素井田毗邻，北与李家塔井田接壤。井田面积106.6 km2，地质储量18.6亿t，剩余可采储量12.1亿t，核定生产能力2 800万t/a，为典型的薄基岩、浅埋深、厚松散层覆岩顶板。

12514综采面是补连塔煤矿的主采工作面，该面平均采高7.26 m，为一次性采全高综采工作面，平均日进尺14 m左右。由于该综采面采高大、开采强度大，使得采场顶板覆岩运动较为复杂，工作面来压显现剧烈，大大增加了煤壁大面积片帮、顶板大面积来压及异常压架等事故的发生概率。因此，开展补连塔煤矿12514综采面薄基岩、浅埋深、大采高综采面矿山压力规律分析及预测预报具有研究意义。

1.1 综采工作面现状

12514综采面为1-2煤五盘区第8个综采面，南侧为12513综采面采空区，东侧为1-2煤五盘区3条大巷和1-2煤四盘区采空区，北侧为正在准备的12515综采面，西侧为规划的12518综采面。地面标高1 314～1 340 m，底板标高1 039.8～1 060.5 m，埋深274.2～279.5 m。

工作面倾斜长度327.7 m，推采长度3 088.8 m，可回采面积101.21万m2，可采储量895.21万t，煤层厚度4.4～8.8 m，平均7.26 m，煤层倾角1°～3°，采用倾斜长壁后退式开采一次采全高全部垮落法处理采空区的综合机械化采煤法进行回采作业，使用ZY21000/36.5/80D型液压支架。工作面按16刀/d组织生产，日进尺13.84 m，生产强度较大。

1.2 综采工作面开采地质条件

回采范围内地表沟谷较为发育，第四系黄土、残堆积层、冲洪积层等分布于山梁、山坡及沟谷地带，显示侵蚀性丘陵地貌特征，具体见表1。

表1 补连塔煤矿12514综采面煤层顶底板情况

2.1 矿压监测数据分析

2.1.1 统计学分析方法

统计分析方法主要指统计学中的数量关系分析方法。数量关系分析方法是运用统计学中论述的方法对矿压数据的数量表现，包括数据的规模、水平、速度、结构比例、数据之间的联系进行分析的方法。如对比分析法、平均和变异分析法、综合评价分析法、结构分析法、平衡分析法、动态分析法、因素分析法、相关分析法等。本节主要对实时矿压数据进行了均值、方差、标准差、中位数、众数、峰度、偏度、置信区间等参数进行分析，利用统计学规律寻找矿压数据之间的内在关系。对选定区间内所有液压支架的监测数据进行技术分析，分析结果见表2。

表2 62#～98#支架矿压特征分析结果

由表2实测统计可得出，工作面由300.2 m推采至391.0 m过程中，共来压7次，平均来压步距13.79 m，显著来压步距平均3.71 m。

2.1.2 矿压热力图分析法

12514综采面开采热力图，如图1所示。

图1 12514综采面开采热力图Fig.1 Thermal diagram of mining at 12514 fully mechanized mining face

热力图显示分8个等级，0～25.2 MPa显示为白色、25.2～30 MPa显示为浅绿色、30～35 MPa显示为绿色、35～40 MPa显示为橙黄色、40～45 MPa显示为红色、45～50 MPa显示为紫色、50～55 MPa显示为黄色、55～60 MPa显示为蓝色。其中，提取40 MPa及以上数据作为显著来压区域，对矿压监测数据进行深度分析，并根据分析结果和热力图自动绘制三维曲面模型和三维曲面投影图。

根据图1所示提取矿压监测相关数据，共提取矿压显现明显区域9次，具体情况见表3。

表3 12514综采面整体分析矿压显现数据

通过表3可得出，基于热力图的分析方法提取来压比较明显区间9次，平均来压步距21.24 m，显著来压步距平均5.34 m。

2.2 对比分析

通过对补连塔煤矿12514综采面矿压实测数据进行分析，可以看出基于统计学与热力图的分析方法，对来压比较明显的区间进行提取与分析。

由于统计学分析是针对综采面某一区间范围内所有支架点进行统计分析，数据存在不连续性，其数据的提取具有局部与片面性；
基于热力图的分析方法是针对某一范围内的所有支架进行统计分析，其数据具有“面”的连续特性，分析结果相对比较全面、客观。

3.1 热力图分析

补连塔煤矿12514综采面三维曲面模型如图2所示。基于区间优化算法，得到顶板来压明显的区域如图3所示。

图2 补连塔煤矿12514综采面三维曲面模型Fig.2 3D curved surface model of 12514 fully mechanized mining face in Bulianta Coal Mine

图3 补连塔煤矿12514综采面三维曲面来压标注Fig.3 3D curved surface weighting marking of 12514 fully mechanized mining face in Bulianta Coal Mine

按照计算方式，对三维曲面进行二维投影，投影云图如图4所示。基于区间优化算法，得到顶板来压明显的区域如图5所示。

图4 补连塔煤矿12514综采面三维曲面投影Fig.4 3D curved surface projection of 12514 fully mechanized mining face in Bulianta Coal Mine

图5 补连塔煤矿12514综采面三维曲面投影标注Fig.5 3D curved surface projection annotation of 12514 fully mechanized mining face in Bulianta Coal Mine

3.2 矿压热力图分析

3.2.1 基于时间的矿压热力图

传统的矿压热力图以时间为横轴，如图6所示。

图6 基于时间的矿压热力图Fig.6 Time-based thermal map of mine pressure

3.2.2 基于推进距离的矿压热力图

较基于时间的矿压热力图，基于推进距离的矿压热力图更能结合空间推进关系，进一步反映顶板的运动情况。如图7所示。

图7 基于推进距离的矿压热力图Fig.7 Thermal map of mine pressure based on advancing distance

3.2.3 来压信息自动提取

通过图像处理的边缘检测算法，进行矿压热力图数据的过滤及处理。每次来压开始、来压持续到来压结束，综采面总体矿压都是一个逐渐提升到峰值后逐渐下降的过程，其边缘的概念明显。依靠边缘检测算法，可以有效过滤掉边缘干扰信息，使来压信息成为一个聚合的“云朵”。通过分析计算可以获取到来压强度、来压面积、持续距离、周期来压距离等。“云”与“云”之间的关系信息包括,平常距离、平常强度、周期来压步距及动载比等。图8为周期来压步距示意图。

图8 来压步距示意Fig.8 Schematic of the weighting step distance

系统在周期性来压云图展示的基础上，对每次周期性来压情况进行分析。通过把每次周期性来压的来压强度、来压面积进行量化，并建立复杂的模型，分析出每次周期性来压的开始和结束时间，计算出来压步距。

周期性来压分析出后，系统会自动根据近期历史周期性来压的数据，对下次周期性来压的时间和位置做出预测，并及时发出预警信息，提示相关部门和人员采取针对性措施，提高安全生产的管控水平。图9为工作面来压预测图，其中的黄色线条为周期性来压预测线。

图9 来压预测图Fig.9 Prediction of weighting

(1)通过对基于统计学与热力图的分析方法进行对比分析可以看出，由于统计学分析是针对综采面某一区间范围内所有支架点进行统计分析，数据存在不连续性，其数据的提取有局部与片面性；
而基于热力图的分析方法是针对某一范围内的所有支架进行统计分析，其数据具有“面”的连续特性，分析结果相对比较全面、客观。

(2)基于热力图的矿压分析方法是基于采场来压整体受力而言，由于目前补连塔煤矿液压支架阻力普遍较大，从采场顶板控制以及液压支架工况分析的角度看，该种分析方法提出的来压区域对煤矿安全管理的指导意义更大。

(3)通过补连塔煤矿矿压灾害安全监控远程预警快速响应智能防控体系平台，可以直观地得出基于推进距离的矿压热力图、基于时间的矿压热力图和周期来压预测图，及时发出预警信息，提示相关部门和人员采取针对性措施，提高安全生产的管控水平。该矿压规律深度分析和周期来压预测预报方法对提升神东矿区其他矿井矿压管理水平具有借鉴和参考价值。