基于UWB通信的奇異點(diǎn)降噪分析沖擊地壓防治技術(shù)

趙維國(guó)

(雙鴨山礦業(yè)集團(tuán)，黑龍江 雙鴨山 155100)

基于UWB通信的奇異點(diǎn)降噪分析沖擊地壓防治技術(shù)

趙維國(guó)

(雙鴨山礦業(yè)集團(tuán)，黑龍江 雙鴨山 155100)

針對(duì)集賢煤礦采煤過(guò)程沖擊地壓頻發(fā)的實(shí)際情況，分析了3604工作面回采及收尾時(shí)發(fā)生動(dòng)力現(xiàn)象的影響因素，結(jié)合采面生產(chǎn)的實(shí)際，運(yùn)用鉆屑法和電磁輻射法進(jìn)行觀測(cè)，確定3604工作面危險(xiǎn)等級(jí)為三級(jí)。在此基礎(chǔ)上，制定科學(xué)的防沖解危措施。結(jié)果表明:采取綜合防沖措施后，鉆屑法和電磁輻射法指標(biāo)均在臨界值以下，電磁輻射曲線變化幅度明顯降低，礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象明顯減少。

沖擊地壓;采煤工作面;解危措施

0 引言

隨著礦井開(kāi)采深度的增加，礦山壓力顯現(xiàn)越來(lái)越強(qiáng)。采煤工作面前方煤體受支承壓力影響會(huì)形成高應(yīng)力集中，在集中應(yīng)力影響下會(huì)造成沖擊地壓頻繁發(fā)生。雙鴨山集賢煤礦中一下采區(qū)3604采煤工作面即連續(xù)發(fā)生多起沖擊地壓現(xiàn)象。該采區(qū)位于運(yùn)輸上山左側(cè)，開(kāi)采深度639～663 m，工作面長(zhǎng)170～190 m，煤層傾角9～11°，為復(fù)合煤層。上分層平均煤厚1.18 m，下分層平均煤厚0.33 m，中間夾矸為0.15 m的細(xì)紗巖。上方直接頂為0.7 m細(xì)砂巖，無(wú)層理完整;老頂為8.1 m細(xì)砂巖，堅(jiān)硬、完整;直接底為8.1 m的細(xì)砂巖，波狀炭質(zhì)條紋完整。采煤方法為高檔普采，采用DZ1800型單體配合頂帽支護(hù)。上巷超前支護(hù)長(zhǎng)度從工作面煤壁起60 m范圍內(nèi)，采取四排單體支護(hù);60～150 m范圍內(nèi)，采取三排單體支護(hù);下巷超前支護(hù)長(zhǎng)度為30 m，采用一梁三柱傾向棚子支護(hù)，棚距為1.0 m。近兩年來(lái)，由于發(fā)生多起沖擊地壓現(xiàn)象，嚴(yán)重影響采面的安全生產(chǎn)。針對(duì)集賢煤礦采煤過(guò)程中發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象，分析其影響因素，筆者制定防止沖擊地壓發(fā)生的技術(shù)措施，并采取相應(yīng)的監(jiān)測(cè)手段對(duì)技術(shù)措施效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 發(fā)生沖擊地壓影響因素分析

1.1 煤巖層沖擊傾向性

中一下采區(qū)九層煤巖的煤層彈性能和沖擊能大，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間短，表現(xiàn)為強(qiáng)沖擊傾向性。該層的頂板和底板巖層的彎曲能量也較大，表現(xiàn)為中等沖擊傾向性。在這種環(huán)境下，工作面易發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象［1］。

1.2 圍巖性質(zhì)的影響

采煤達(dá)到一定深度以后，如果上覆巖層中存在強(qiáng)度較高的巖層，尤其是厚度較大的堅(jiān)硬砂巖層，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊災(zāi)害［2］。中一下采區(qū)九層煤的采煤深度約達(dá)650 m時(shí)，基本頂巖性是厚度較大的細(xì)砂巖，并夾雜著中砂巖，屬于堅(jiān)硬巖石。底板為堅(jiān)硬的細(xì)砂巖，很有沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn)。這樣判斷的原因是，堅(jiān)硬的頂?shù)装鍘r層中會(huì)聚集大量彈性能，當(dāng)頂?shù)装鍘r石遭到破壞時(shí)，能量就會(huì)釋放出來(lái)，導(dǎo)致沖擊地壓的發(fā)生。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造的影響

有學(xué)者通過(guò)大量實(shí)踐證明，構(gòu)造復(fù)雜的區(qū)域容易發(fā)生沖擊地壓［3］。集賢煤礦中一下采區(qū)為一單斜構(gòu)造，垂直和水平應(yīng)力均為壓應(yīng)力，易發(fā)生沖擊地壓現(xiàn)象。同時(shí)，3604工作面斷層較多，在斷層附近，地應(yīng)力增加，壓力增大，構(gòu)造應(yīng)力和地應(yīng)力疊加，發(fā)生沖擊地壓的概率更大。

1.4 煤柱的影響

中一下采區(qū)由于采用雙向布置，所以上下兩個(gè)面之間留有15～20 m的煤柱。上一個(gè)采面回采時(shí)，工作面下頭三角區(qū)冒落不嚴(yán)，造成采空區(qū)懸頂。而下一個(gè)面回采時(shí)，由于回采工作面上頭三角區(qū)回采后，頂板冒落不嚴(yán)，使采空區(qū)大面積懸頂。當(dāng)工作面推進(jìn)一定距離后，采空區(qū)懸頂達(dá)到一定面積，頂板來(lái)壓時(shí)，致應(yīng)力疊加。因此，在煤柱附近容易發(fā)生沖擊地壓。

2 沖擊礦壓監(jiān)測(cè)方法

2.1 電磁輻射法

煤礦采掘過(guò)程中，會(huì)引起應(yīng)力集中。應(yīng)力集中狀態(tài)與電磁輻射程度有關(guān)。電磁輻射信號(hào)強(qiáng)、頻率高時(shí)，應(yīng)力集中程度高，容易發(fā)生沖擊危害;電磁輻射強(qiáng)度低時(shí)，發(fā)生沖擊災(zāi)害的可能性就小。因此，可以利用電磁輻射法對(duì)沖擊災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)。集賢礦的沖擊地壓監(jiān)測(cè)設(shè)備采用在線KBD7和便攜式KBD5電磁輻射儀。對(duì)3604工作面150 m內(nèi)，上巷兩幫和工作面尾以下40 m范圍內(nèi)的硬幫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在區(qū)段回風(fēng)平巷內(nèi)距煤壁37 m位置處，輻射強(qiáng)度高，平均值在90～160 mV。當(dāng)采煤工作面向前推進(jìn)時(shí)，輻射強(qiáng)度峰值區(qū)也隨之向煤體深部推移，且輻射峰值區(qū)基本處于工作面前方40 m處。觀測(cè)曲線如圖1所示。

圖1 左五采面區(qū)段回風(fēng)平巷上幫輻射強(qiáng)度曲線Fig.1 Radiation intensity curve in wind drift roadway of left five mining face section

圖1可見(jiàn)，在區(qū)段回風(fēng)平巷內(nèi)距離采煤工作面煤壁40～100 m范圍內(nèi)，輻射強(qiáng)度值較穩(wěn)定，曲線變化不大，輻射強(qiáng)度均值在40～70 mV。在巷道超前支護(hù)區(qū)域以內(nèi)，由于集中壓力影響，使煤體及巖層破壞，蓄積的彈性能減少。超前支護(hù)區(qū)域以外50 m處，輻射強(qiáng)度較大，均值范圍處在85～110 mV，便反映出在這個(gè)位置煤及圍巖體形程度較大，蓄積的能量多。在采煤工作面上端頭以下40 m范圍內(nèi)，磁輻強(qiáng)度值較低。

2.2 鉆屑法

鉆屑法是根據(jù)鉆出煤粉量與煤體應(yīng)力狀態(tài)具有的關(guān)系，進(jìn)行對(duì)沖擊災(zāi)害的監(jiān)測(cè)。在相同條件的煤體中，如果煤層的應(yīng)力集中程度不同，那么在該煤層中鉆孔所排出的煤粉量也不同。如果一定范圍內(nèi)鉆孔的排粉量變多或者高出標(biāo)定值時(shí)，則說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)應(yīng)力集中程度高且容易發(fā)生沖擊危險(xiǎn)。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，原應(yīng)力煤層與沖擊煤層對(duì)比臨界值≥1.5倍。在鉆進(jìn)的過(guò)程中若出現(xiàn)動(dòng)力現(xiàn)象，如卡鉆、頂鉆、孔內(nèi)沖擊、煤粉顆粒變化等，可判斷此煤層有沖擊危險(xiǎn)。

在研究過(guò)程中，采用鉆屑法對(duì)3604工作面進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，對(duì)沖擊現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)，通過(guò)對(duì)鉆屑量數(shù)據(jù)處理，可知鉆屑量指數(shù)超過(guò)臨界值，并且在鉆進(jìn)過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)頂鉆、卡鉆等現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)分析，確定了3604工作面沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為三級(jí)，較為強(qiáng)烈。

3 防沖解危措施

從集賢煤礦3604工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出發(fā)，結(jié)合相關(guān)防沖解危理論，制定并實(shí)施了以下措施［4］。

3.1 增加支護(hù)強(qiáng)度

采煤工作面處于采空區(qū)與實(shí)體煤之間，受集中壓力影響嚴(yán)重，隨著采煤工作面向前推進(jìn)，集中壓力影響范圍也向工作面推進(jìn)方向移動(dòng)。集中壓力峰值區(qū)出現(xiàn)在距工作面煤壁10～20 m范圍內(nèi)，在工作面傾斜方向上，壓力峰值區(qū)出現(xiàn)在距工作面上端頭40 m左右。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況，可以看出在傾斜方向上，應(yīng)力集中區(qū)為采面上端頭往下40 m范圍內(nèi)。針對(duì)上述情況，采取以下處理方法:

(1)把工作面尾往下40 m范圍內(nèi)的單體液壓支柱全部更換為大強(qiáng)度支柱。

(2)區(qū)段回風(fēng)平巷超前支護(hù)在距煤壁60～150 m處內(nèi)，采取三排單體液壓支柱支護(hù)，柱間距0.5 m;在距工作面60 m范圍內(nèi)，用四排單體液壓支柱支護(hù)，柱距0.25 m;區(qū)段回風(fēng)平巷超前支護(hù)長(zhǎng)度為30 m，采用單體液壓支柱加頂梁的棚式支護(hù)，棚距1 m。

(3)工作面采用“四、五”控頂，排距0.6 m，柱距0.8 m;在上、下巷靠近采空區(qū)側(cè)增加斜撐，以提高支護(hù)強(qiáng)度及支護(hù)穩(wěn)定性。

(4)采面上端頭以下20 m內(nèi)，第二排及第三排支柱均增加一根，20～40 m處采用對(duì)柱支撐。

(5)提高單體液壓支柱的初撐力，并對(duì)支柱支設(shè)質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

采取上述方法后，工作面狀態(tài)明顯改善，回采巷道的穩(wěn)定性得到提高，服務(wù)期內(nèi)巷道變形量不大。應(yīng)用電磁輻射儀對(duì)上述區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，在新支護(hù)措施以外的區(qū)域，觀測(cè)曲線峰值比較高，當(dāng)采用新支護(hù)方案以后，輻射強(qiáng)度峰值區(qū)會(huì)向煤體內(nèi)部移動(dòng)，這表明新的支護(hù)方法收到理想的效果。

3.2 震動(dòng)爆破

在采煤工作面，由于超前支承壓力影響，使煤體內(nèi)蓄積了大量能量。釋放這些能量的方法是采取震動(dòng)爆破，導(dǎo)致煤體產(chǎn)生松動(dòng)破壞區(qū)。該區(qū)域煤體承載能力降低，其所受壓力向煤體深部轉(zhuǎn)移。震動(dòng)爆破的合理布置及適當(dāng)?shù)难b藥量，不僅可以形成煤巖體震動(dòng)，還可以在一定程度上形成煤體的松動(dòng)帶。這種卸壓爆破可能誘發(fā)沖擊地壓，還可以將高的應(yīng)力集中區(qū)轉(zhuǎn)移到煤體深部［5］。

圖2 采用新支護(hù)方案前后電磁輻射儀監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.2 Monitored results of electromagnetic radiation before and after using new support program

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中，3604工作面每推進(jìn)3～3.6 m，工作面尾往下40 m內(nèi)就有一次來(lái)壓的情況，在該面即采用了震動(dòng)爆破法卸壓。具體鉆孔布置在煤層中部，垂直工作面煤壁打設(shè)，角度和煤層頂板平行。鉆孔深4 m，眼距1.5 m。采取爆破卸壓后，煤體松動(dòng)效果顯著，比沒(méi)卸壓前多卸壓2 m。沖擊顯現(xiàn)現(xiàn)象減少，取得非常明顯的卸壓效果。

3.3 切頂爆破

頂板中厚且堅(jiān)硬的巖層是誘發(fā)沖擊地壓的主要因素之一?？梢酝ㄟ^(guò)爆破的方法降低頂板強(qiáng)度或者切斷頂板，減少堅(jiān)硬頂板內(nèi)蓄積的大量彈性能，降低其對(duì)煤體和支護(hù)物的沖擊震動(dòng)危害。

在3604工作面尾部往下40 m內(nèi)，實(shí)施切頂爆破措施。切頂炮眼布置見(jiàn)圖3。在工作面軟幫3、4排之間打設(shè)放頂眼，眼深為13～15 m，炮眼打設(shè)與頂板仰角40°，眼距5 m，使用炮泥封孔，封孔長(zhǎng)度不小于2.5 m。切頂爆破沿工作面推進(jìn)方向每隔10 m進(jìn)行一次，這可以在很大程度上減少頂板懸露面積。圖4是采取切頂措施后，電磁輻射儀對(duì)工作面煤體監(jiān)測(cè)的結(jié)果。從圖4可以看出，煤體上的應(yīng)力集中程度明顯降低，說(shuō)明切頂爆破措施是解決該工作面沖擊問(wèn)題的一種有效方法。

圖3 切頂炮眼布置Fig.3 Borehole layout off top

圖4 斷頂前后電磁輻射儀監(jiān)測(cè)結(jié)果Fig.4 Monitored electromagnetic radiation results off top before and after

3.4 控制采煤機(jī)的截割速度

工作面頂板沖擊災(zāi)害的發(fā)生與采煤機(jī)的割煤速度有一定的關(guān)系。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)采煤機(jī)的截割速度v＜1.3 m/min或采煤機(jī)的截割速度約3 m/min時(shí)，沖擊地壓發(fā)生的次數(shù)最少;而當(dāng)采煤機(jī)的截割速度為1.5＜v＜2.5 m/min時(shí)，對(duì)于防治沖擊地壓是最不利的。采煤機(jī)的截割速度勻速推進(jìn)對(duì)防治沖擊礦壓是有利的。經(jīng)研究分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，3604工作面采煤機(jī)的截割速度確定為1.5 m/min，這個(gè)速度對(duì)該面的防治沖擊地壓起到了關(guān)鍵性的作用。

3.5 工作面收尾時(shí)的綜合防沖措施

用電磁輻射和鉆屑法在工作面停采線進(jìn)行取樣，兩項(xiàng)結(jié)果都表明工作面停采線位置存在沖擊地壓的顯現(xiàn)現(xiàn)象。為了確保采面的安全生產(chǎn)，采取以下措施:

(1)在工作面距離停采線50 m時(shí)，按照正?；夭蓵r(shí)期的沖擊地壓防治方案，實(shí)施煤體震動(dòng)爆破和斷頂爆破，其中斷頂爆破的距離由原來(lái)的每推進(jìn)10 m改為每推進(jìn)8 m進(jìn)行一次，直至停采線。

(2)在工作面上巷停采線和4109集中皮帶道之間(兩者間距34 m)，采用φ94 mm的鉆頭，打設(shè)雙排卸壓眼共11對(duì)，眼間距3 m，眼深15～20 m，實(shí)施煤體卸壓，并進(jìn)行注水。

(3)停采線設(shè)在工作面頂板周期來(lái)壓后。工作面停采后，在工作面尾往下40 m內(nèi)，采用φ94 mm鉆頭，打雙排卸壓眼共10對(duì)，眼間距5 m，眼深10～15 m，防止工作面收尾期間煤體沖出。

(4)工作面尾往下40 m范圍內(nèi)，工作面采取對(duì)柱支護(hù)。

4 結(jié)論

(1)影響集賢礦中一下采區(qū)九層深部沖擊地壓的因素一是地質(zhì)原因，主要包括煤巖層沖擊傾向性、圍巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造和煤柱。二是集賢礦的采深已達(dá)到650 m，這個(gè)數(shù)值是沖擊地壓急劇增加的深度。

(2)運(yùn)用電磁輻射法和鉆屑法對(duì)集賢礦沖擊地壓危害進(jìn)行監(jiān)測(cè)，兩種方法均可有效地對(duì)沖擊災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)?？梢詾榇_定防沖方案提供依據(jù)。

(3)在采取綜合防沖措施后，監(jiān)測(cè)指標(biāo)低于臨界值，電磁輻射曲線變化幅度明顯降低，工作面及巷道礦山壓力顯現(xiàn)變?nèi)酢?/p>

［1］郭東明，張 濤，李 耀，等.湖西礦800 m深井沖擊傾向性試驗(yàn)及防治對(duì)策研究［J］.中國(guó)礦業(yè)，2008，17(12):50－54.

［2］李 洪.沖擊礦壓前兆信息的混沌預(yù)測(cè)及模式識(shí)別研究［D］.青島:山東科技大學(xué)，2006.

［3］陳國(guó)祥，竇林名，喬中棟，等.褶皺區(qū)應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律及其對(duì)沖擊礦壓的影響［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，37(6):751－755.

［4］齊慶新，竇林名.沖擊礦壓理論與技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［5］齊慶新，陳尚本，王懷新，等.沖擊礦壓、巖爆、礦震的關(guān)系及其數(shù)值模擬研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(11):1852－1858.

Prevention technology of rock burst research and application

ZHAO Weiguo
(Shuangyashan Mining Group Heilongjiang，Shuangyashan 155100，China)

Aimed at frequent occurrence of rockburst in the Jixian coal operation，this paper offers an analysis of influencing factors associated with 3604 mining face and ending，and combined with the actual case of the mining face production，describes the use of cuttings method and electromagnetic radiation for observation in order to determine the hazard rate of 3604 face for three.The paper gives the scientific anti-the red solution measures.Results show that the use of comprehensive anti-red measures leaves the cuttings France and electromagnetic radiation indicators below the critical value，with a result of significantly reduced electromagnetic radiation curves and thus markedly reduced mine pressure behavior.

rock burst;workface;problem solution measures

TD324.2

A

1671－0118(2012)04－0420－04

2012－06－25

趙維國(guó)(1964－)，男，黑龍江省雞西人，高級(jí)工程師，在讀博士，研究方向:井瓦斯綜合治理、充填開(kāi)采技術(shù)，E-mail:skjtzgb@163.com。

(編輯 徐 巖)