时空聚类分析法在冲击地压防治中的应用

时空聚类分析法在冲击地压防治中的应用

王超1，2石红丽3

山东省朝阳矿业有限公司山东滕州27500

摘要：传统的冲击地压研究主要是分类分析或综合分析，如从构造、采动、岩层、煤柱等不同的影响因素的角度进行研究。而煤矿冲击地压发生是一个动态的、复杂的多种因素共同作用的结果，从某一个角度往往不能全面的分析出发生的机理。而时空聚类就是将连贯的时间、动态的空间、不同的影响因素在一个模型中进行分析的方法。本文章以3206工作面、3112工作面等区域微震事件分析为例说明时空聚类分析在防冲中的应用。

关键词：时空聚类；冲击地压；微震事件

朝阳煤矿现开采3下煤，最大开采深度1100m左右。经鉴定，3下煤局部具有强冲击倾向性。矿井配备有SOS微震监测系统、KJ551微震监测系统、KJ24煤体应力在线监测系统、KJ24矿压在线监测系统；掘进工作面装备SOS微震监测系统、KJ24煤体应力在线监测系统等多种冲击地压监测系统。本文仅以3206工作面、W121集轨等区域微震事件分析为例，简要说明时空聚类分析在防冲中的应用。

过去防冲分析主要是将微震监测数据定位在采掘工程平面图上进行。虽然也有做剖面图，但仍比较片面、不直观，不利于统计分析，而且是静态的。为解决此问题，矿井组织防冲、测量、地质等相关技术人员进行研究，将采掘工程、地质素描、微地震事件集合到一个三维动态图中，将原来的分类片面的分析转变为时空聚类分析，并可以实现随着时空变化进行动态分析，从而发现诱发冲击地压发生的根本原因，并根据分析制定解危处理。

1三维模型建立方法

1.1建立三维采掘工程图

利用巷道控制导点的三维坐标，将导点坐标输入至采掘工程图上，按照巷道走向依次将导线点连接在一起，画出三维采掘工程图。如图1。

2时空聚类分析应用案例

2.1微震事件空间动态分析之平面分析

首先生成3206工作面微震事件三维模型，利用autocad软件中视图中的“动态观察”命令，选择从不同角度观察微震事件分布规律，如图2。

从图2可以看出：3206工作面SOS微震监测事件集中分布在两个区域，本月SOS微震事件集中分布两个区域一是沿F3206-1断层上盘走向分布；另一区域沿3206材料道外侧，也就是相变带区域。

3206皮带巷与F3206-1断层之间煤柱区域受到向斜、断层、工作面见方等因素综合影响，顶板活动与构造应力释放共同影响，造成此区域应力集中，冲击危险程度较高，随着工作面的推进，煤柱越来越窄，应力集中程度逐步升高，此区域也是下一步防冲工作的重点。

受工作面采动影响，3206材料道外侧构造区域开始活动，此区域的微震事件个数和能量都有明显增加，超前支承压力与构造应力共同作用，造成材料道超前支护区域应力集中。

2.2微震事件空间动态分析之剖面分析

2.2.13206材料道外侧事件空间分布规律分析

从图2可以看出，3206材料道外侧事件层位位于顶板上方5～15米的位置，结合工作面顶底板岩性分析，目前，工作面顶板破裂事件层位为顶板细粒砂岩，即工作面直接顶。

虽然工作面已推进至见方位置，但是顶板破裂位置仍然位于直接顶，工作面老顶并未发生断裂。随着采空区面积的增加，加上相邻的3205（里）工作面采空区影响，当推进至双工作面见方时，预计老顶将会大面积垮落，因此，双工作面见方前，应采取深孔断顶爆破等措施，破坏工作面老顶的完整性，人为促使老顶提前垮落，避免出现老顶大面积垮落。

2.2.2沿工作面走向事件空间分布规律分析

从图中看以看出，工作面里的事件集中分布在F3206-1断层与3206皮带巷之间的位置，这与平面分析中的结果相同；事件层位位于工作面顶板上方0～20米的区域，也就是工作面直接顶的区域，与3206材料道外侧的事件位于同一层位。

2.33206工作面微震事件综合分析

从以上分析得出，目前3206工作面事件集中分布在两个区域，一个是3206材料道外侧的断层带（区域1），二是F3206-1断层影响的窄煤柱区域（区域2）；由于两个区域造成应力集中的原因不同，所以应采取不同的卸压解危措施。

造成区域1应力集中的原因是巷道外侧断层活动影响，由于应力集中区位于工作面以外，对工作面推采影响较小，反应到工作面顺槽内主要表现在震动引起的微震动及材料道外帮的应力小幅升高。因此，需对3206材料道采取深孔断顶爆破，切断断层带与工作面的联系，减弱断层活动对工作面推采的影响。

F3206-1断层活动释放的构造应力、采空区侧的侧向支承压力、工作面超前支承压力等全部作用在F3206-1断层与3206皮带巷之间窄煤柱上，造成区域2应力集中。由于造成此区域应力集中的原因较多，因此需要采取综合措施进行处理。大直径卸压钻孔和帮部煤体爆破将支承压力转移至工作面深部，保证工作面顺槽的安全，深孔断顶爆破用于减弱采空区顶板活动对工作面的影响。

3集中轨道巷、集中皮带巷微震事件分析

图4集轨、集皮掘进期间3112区域微震事件分布图

朝阳煤矿西翼采区3下煤采掘活动已接近尾声，日前开始准备下组煤层12层煤，两煤层相距90米左右，图5为12煤层准备巷道W121集轨掘进期间3下煤层3112、3113等区域微震事件分布平面图、剖面图。

从剖面图可以看出，W121集轨掘进期间均为岩巷掘进，微震事件层位与3112材料道煤层层位基本相同，我们可以认为，W121集轨掘进期间对3下煤层扰动较大，引起周围区域3下煤层的大范围活动。

因此，12煤层可以作为3下煤层的解放层进行开采，在12煤层采掘期间，附近的3下煤层不能进行采掘活动，若矿井有条件的话，可以先行开采12煤层作为3下煤层的解放层，可以大大降低3下煤层孤岛工作面的冲击危险程度。

4结论

（1）时空聚类分析法能够将不同角度对冲击地压危险程度、发生机理进行分析，既可避免分类分析的片面行，又不同于简单的危险性综合评价。它是动态的、多因素有机结合的分析。

（2）在3112工作面、3206工作面的时空聚类分析中，得到31采区下组煤层采掘活动对上组煤层的影响规律；发现了3206工作面渐变带和断层对防冲重要的影响。以上两个实例证明了该分析方法的有效性。

（3）时空聚类分析法在实际应用中还可以发现原来平面静态分析中无法发现的因素，进而破解微震监测分析的很多难题。该技术在地质分析、通风系统等其他技术领域也有较好的推广价值。

参考文献：

[1]窦林名。矿震监测与冲击矿压预警技术——微震法。中国矿业大学矿震冲击分析研究中心。

[2]陆菜平，窦林名煤矿冲击矿压强度的弱化控制原理。中国矿业大学出版社。

作者简介：

王超（1987.2-），男，山东兖州人，毕业于山东科技大学采矿工程专业，工程师，目前在山东省朝阳矿业有限公司总工程师。联系电话：13791425990。