基于應(yīng)力在線-微震監(jiān)測系統(tǒng)的厚煤層掘進面防沖優(yōu)化

翟建博　徐勇勇　郭英杰

(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院)

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基于應(yīng)力在線-微震監(jiān)測系統(tǒng)的厚煤層掘進面防沖優(yōu)化

翟建博徐勇勇郭英杰

(北京科技大學土木與環(huán)境工程學院)

摘要為優(yōu)化矯正巨厚礫巖下厚煤層掘進面的防沖卸壓措施，采用理論分析、力學計算及現(xiàn)場驗證相結(jié)合的方法，探討了巨厚礫巖下厚煤層掘進面沖擊地壓機理，提出了應(yīng)力在線-微震監(jiān)測方案，現(xiàn)場試驗結(jié)果表明：在相向相鄰井田采空區(qū)掘進時，可根據(jù)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)得到巖石破裂角對工作面寬度及開切眼位置進行優(yōu)化處理，同時基于應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)可對鉆孔卸壓參數(shù)進行優(yōu)化。常村煤礦21220掘進工作面優(yōu)化后煤柱寬度不小于150 m，工作面寬度取265 m，幫部卸壓孔深度優(yōu)化為25 m，掘進頭卸壓孔深40 m，卸壓孔直徑大于150 mm，成功應(yīng)用于現(xiàn)場并取得了良好效果，驗證了結(jié)論的可靠性，為相似條件下掘進工作面的防沖措施提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞掘進工作面沖擊地壓應(yīng)力在線-微震監(jiān)測

近年來，隨著礦井開采深度的不斷增加，沖擊地壓治理已成為世界性難題[1]，掘進工作面受到地質(zhì)條件、現(xiàn)場施工工藝等綜合因素的影響，沖擊地壓防治工作尤為重要。目前，我國學者對掘進工作面的沖擊地壓監(jiān)測預警系統(tǒng)及技術(shù)做了一些研究[2]，并根據(jù)實踐經(jīng)驗總結(jié)了沖擊地壓實時監(jiān)測預警技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[3]；國內(nèi)沖擊危險礦井雖然在巷道掘進過程中采取了國內(nèi)外先進的裝備和技術(shù)，但至今仍未能完全控制住這類災(zāi)害，尤其是存在巨厚礫巖的厚煤層掘進面。

以河南義馬常村煤礦21220工作面下巷為研究對象，該掘進工作面受到上工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力、躍進煤礦采空區(qū)上覆巨厚礫巖傳遞應(yīng)力、下山煤柱區(qū)上分層工作面采空區(qū)外圍支承壓力、掘進擾動應(yīng)力等綜合因素的影響，存在強沖擊危險，且在掘進期間已多次發(fā)生沖擊地壓事件。因此，為了保障該掘進工作面能夠安全推進，并探索掘進期間的沖擊危險性綜合監(jiān)測預警方法和指標，特對該掘進工作面進行應(yīng)力-微震監(jiān)測。根據(jù)21220掘進工作面的實測數(shù)據(jù)對存在沖擊危險區(qū)域進行預測預報，并及時調(diào)整優(yōu)化現(xiàn)場卸壓措施，保證本工作面的安全掘進。

1工程地質(zhì)條件分析

1.1地質(zhì)條件

常村煤礦21220工作面標高為-191.622～-254.484 m，工作面對應(yīng)地面標高為+519～+586 m，最大采深達815 m，走向長926～909 m，傾斜長264～366 m，工作面煤層從煤軌向西至設(shè)計切眼，逐漸變薄，且煤層中夾矸增多，平均煤厚7.9 m，傾角為9°～15°，可采儲量為202萬t。該工作面以北為已采畢的10個采空區(qū)，以南為未開掘的21240工作面，以西為相鄰躍進煤礦已回采完畢的23050工作面及正在回采的23070工作面(最小煤柱間距為102 m)，以東為21盤區(qū)的3條下山。21220工作面位置見圖1。

圖1　21220工作面位置

1.2巨厚礫巖及地表沉陷量

21220工作面直接頂為1～4.9 m厚泥巖，老頂為31.5～32.6 m厚泥巖，之上為幾十到百余米的砂礫巖互層，再向上為發(fā)育到接近地表350～450 m的巨厚礫巖層，巨厚礫巖導致21220附近工作面開采后地表下沉不明顯，懸頂應(yīng)力傳遞到正在開采區(qū)域21220工作面，易發(fā)生沖擊地壓和礦震；同時地表沉陷現(xiàn)場勘查結(jié)果顯示，該礦21采區(qū)東翼淺部礫巖已經(jīng)斷裂沉降，下沉量達到5 m以上，而西翼深部正在掘進的21220工作面下巷區(qū)域地表最大沉陷量約1 m。因此，21220工作面存在巨型礫巖結(jié)構(gòu)，是沖擊地壓防治的重點區(qū)域。

2巨厚礫巖厚煤層沖擊機理及監(jiān)測原理

2.1巨厚礫巖震動誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生機理

工作面上覆礫巖厚度較大時，附近采空區(qū)上方地表沉陷幅度小，巖層完整性好，抗變形能力強，有利于彈性變形能的儲存。一旦堅硬頂板發(fā)生脆性斷裂，猛然釋放巨大彈性勢能和重力勢能，并以應(yīng)力波的形式到達煤巖層自由面，造成自由面附近的煤巖體破壞并獲得一定的動能，形成強烈的沖擊力，使自由面附近煤巖應(yīng)力瞬間升高誘發(fā)沖擊地壓。

設(shè)采掘空間周圍煤巖體的初始應(yīng)力為σ，巖體自重應(yīng)力為σq；震動造成的附加應(yīng)力為σ′，沖擊地壓發(fā)生的臨界應(yīng)力為σk，則礫巖斷裂時震動誘發(fā)沖擊地壓的機理可描述為

(1)

根據(jù)已有的礦壓理論可知，第i層關(guān)鍵巖層傳遞到一側(cè)工作面前方的應(yīng)力增量Δσi為[4]

(2)

式中，σimax為第i層關(guān)鍵層在采空區(qū)一側(cè)煤體上產(chǎn)生的最大支承壓力，MPa；Hi為第i層關(guān)鍵層厚度中心到煤層底板的距離，m；α為上覆巖層斷裂角，(°)。

其中，

(3)

(4)

式中，I為采空區(qū)高度，m；Mi為第i層關(guān)鍵層厚度，m；Mj為第j層關(guān)鍵層厚度，m；Qi為第i層關(guān)鍵層在采空區(qū)懸露部分的一半重量，kN。

其中，

(5)

(6)

式中，Li為第i層關(guān)鍵層厚度中心位置在采空區(qū)的懸露長度，m；2I為采空區(qū)寬度，m；γ為巖層容重，kN/m3。

所以，由自重產(chǎn)生的應(yīng)力為

(7)

綜上可知，支承壓力的估算公式由一組分段函數(shù)組成，即解算分段函數(shù)便可得到總支承壓力：

(8)

2.2沖擊地壓實時在線-微震聯(lián)合監(jiān)測原理

臨場建立以沖擊地壓(動態(tài)應(yīng)力)實時在線監(jiān)測-微震監(jiān)測預警系統(tǒng)為主，其他手段為輔的監(jiān)測系統(tǒng)，達到預防動力災(zāi)害發(fā)生的目的。大采深巨厚礫巖結(jié)構(gòu)下采掘工作面，巨厚礫巖的傳遞應(yīng)力占主導地位。當高位巖層緩慢沉降，煤體受到巖層和底板夾持作用應(yīng)力持續(xù)增加，導致煤體發(fā)生破裂或巖層發(fā)生斷裂，巖層斷裂時，斷裂支點位置產(chǎn)生震動，誘發(fā)沖擊地壓。因此，針對該類采掘工作面，監(jiān)測煤體受力狀態(tài)和大范圍煤巖震動信息對預防沖擊地壓的發(fā)生至關(guān)重要。

在沖擊地壓礦井開采成本中，防沖成本占了很大的比重。而各種防沖措施的必要性和應(yīng)用到何種程度、是否需要聯(lián)合使用、防沖措施的具體參數(shù)等問題，一直沒有明確的答案，通常只是通過工程類比進行施工，這是造成防沖成本增加且安全性難以保證的重要原因之一。

3沖擊地壓監(jiān)測預警技術(shù)

監(jiān)測的最終目的是為了防治沖擊地壓。沖擊地壓監(jiān)測預警技術(shù)能夠通過實時監(jiān)測結(jié)果達到預警、優(yōu)化開采設(shè)計、優(yōu)化卸壓措施等目的，保證采掘作業(yè)的安全。

3.1開采設(shè)計優(yōu)化

巨厚礫巖結(jié)構(gòu)下工作面回采后，采空區(qū)上方地表沉陷不明顯，巖層出現(xiàn)大面積懸頂，對采空區(qū)外側(cè)煤體的側(cè)向支承壓力峰值位置、支承壓力峰值大小、低應(yīng)力區(qū)范圍、支承壓力影響區(qū)范圍、原巖應(yīng)力區(qū)范圍都產(chǎn)生不同程度的影響。因此，在不考慮礫巖懸頂結(jié)構(gòu)情況下設(shè)計工作面寬度，不僅會增加采掘工作的沖擊危險性、加重防沖任務(wù)，同時也會增加支護難度，影響正常生產(chǎn)。微地震監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時反映頂板巖層的運動狀態(tài)，進而確定出巖層移動角，設(shè)計人員再根據(jù)懸頂采空區(qū)側(cè)向支承壓力計算模型確定出采空區(qū)側(cè)向支承壓力變化曲線[5]，為巨型礫巖結(jié)構(gòu)工作面的防沖開采設(shè)計提供依據(jù)。

3.2卸壓措施優(yōu)化

針對礦山壓力顯現(xiàn)較明顯或應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)預警的區(qū)域，常常采用大直徑深孔卸壓技術(shù)及深孔爆破技術(shù)進行解危處理。根據(jù)應(yīng)力三向化轉(zhuǎn)移原理[6]，對具有沖擊地壓危險的局部區(qū)域采用大直徑鉆孔進行卸壓，能夠保證自由面周圍煤巖體處于低應(yīng)力狀態(tài)，形成低應(yīng)力帶。應(yīng)力在線監(jiān)測預警系統(tǒng)不但可以通過測點附近煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)優(yōu)化掘進工作面超前卸壓孔的安全余量，還能對卸壓參數(shù)進行優(yōu)化，確保工作面的安全采掘。

針對義馬礦區(qū)沖擊地壓的特點，首先通過微震監(jiān)測系統(tǒng)對厚煤層開采后的上覆巖層斷裂角進行理論計算，并應(yīng)用到工作面支承應(yīng)力計算模型，估算出高應(yīng)力集中區(qū)間，優(yōu)化工作面寬度，其次通過應(yīng)力在線實時監(jiān)測系統(tǒng)對防沖措施的具體參數(shù)進行優(yōu)化，得到控制圍巖應(yīng)力增幅最有效、最理想的卸壓參數(shù)，最后在現(xiàn)場試驗，形成“斷裂角確定—工作面寬度優(yōu)化—應(yīng)力在線云圖曲線校驗—防沖措施優(yōu)化—有效性檢驗”的半定量防沖技術(shù)。

4現(xiàn)場試驗

4.1掘進工作面沖擊危險性評價

沖擊地壓的發(fā)生是不可預測的，但是能通過宏觀、多因素耦合評價對待采掘工作面進行沖擊危險性評價，可宏觀或定性預測沖擊危險區(qū)域及危險程度，為監(jiān)測預警系統(tǒng)布置提供依據(jù)。宏觀評價方法包括綜合指數(shù)法和可能性指數(shù)法。根據(jù)21220掘進工作面地質(zhì)條件和開采條件得到其沖擊危險綜合指數(shù)Wt=max{Wt1，Wt2}=0.79，屬于強沖擊危險性；根據(jù)可能性指數(shù)計算方法，通過21220掘進工作面可能危險性指數(shù)U=(UIc+UWet)/2=1，說明該掘進工作面發(fā)生沖擊地壓可能性非常大；整體來看，該掘進工作面在推進過程中沖擊危險性高，需要警惕。

4.2沖擊地壓的測點布置

基于對21220掘進工作面的鉆屑量實測分析，結(jié)合前期對巷道危險區(qū)域的圈定結(jié)果，制定測點的具體布置方案。該巷道共布置12組測點，每組2個(超前測孔和垂直深孔)，自掘進工作面處安裝第一組測點，巷道每推進20 m，增加一組測點，直到巷道完成掘進?？紤]到掘進速度，掘進迎頭超前測孔應(yīng)力計采用油管長18 m的應(yīng)力計，滯后掘進工作面3～5 m，測孔沿煤層方向向工作面按30°傾斜，距離巷道底板0.5～1.5 m；同時滯后1 m布置18 m垂直深孔測點。煤層剖面鉆孔見圖2。

圖2　煤層剖面鉆孔示意

另外，微震檢波器測點共布置8個。第一組微震檢波器距離迎頭不超過50 m，檢波器前后間距初步定為50 m，可以根據(jù)現(xiàn)場測試效果進行調(diào)整。微震檢波器安裝在頂?shù)装邋^桿上，隨著掘進面的推進，對檢波器進行移組，實現(xiàn)循環(huán)監(jiān)測。

4.3現(xiàn)場防沖措施優(yōu)化

4.3.1工作面寬度及開切眼位置

根據(jù)微地震監(jiān)測數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料，常村煤礦21220工作面臨采空區(qū)的巖層斷裂角為78°(圖3)。

圖3　大能量微震事件揭示的巖層斷裂角

基于巨厚礫巖下特厚煤層支承壓力估算模型分析躍進煤礦23050工作面開切眼支承壓力、常村煤礦21220側(cè)支承壓力的影響范圍及程度，為合理確定常村煤礦21220工作面寬度及開切眼位置提供依據(jù)。巖層斷裂角為78°時支承壓力分布見圖4。

圖4　巖層斷裂角為78°時支承壓力分布

估算結(jié)果顯示，在距離23050開切眼61～139 m 掘進巷道具有沖擊危險，考慮到安全系數(shù)、現(xiàn)場開采實際等因素，取21220工作面與躍進礦23050工作面之間煤柱寬度不小于150 m(優(yōu)化前最小煤柱間距為102 m)；同理取工作面寬度為265 m。

4.3.2卸壓鉆孔參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)沖擊危險性評估結(jié)果及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對該掘進工作面的卸壓參數(shù)進行優(yōu)化。具體結(jié)果見表1。

優(yōu)化前后巷道幫部高度危險區(qū)卸壓孔間距均是1 m，距底板1.0～1.5 m。卸壓參數(shù)調(diào)整后監(jiān)測的掘進迎頭應(yīng)力曲線見圖5?？芍?，優(yōu)化后的參數(shù)正好能夠保證應(yīng)力升高的幫部煤體及時得到卸壓，實現(xiàn)了“有震無災(zāi)、有沖無傷”的特厚煤層沖擊地壓治理目標。

表1　卸壓參數(shù)優(yōu)化前后對比

圖5　參數(shù)優(yōu)化前后幫部煤體的應(yīng)力曲線

5結(jié)論

(1)常村煤礦21220工作面下順槽受到上工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力、躍進煤礦采空區(qū)上覆巨厚礫巖傳遞應(yīng)力、下山煤柱區(qū)上分層工作面采空區(qū)外圍支承壓力、掘進擾動應(yīng)力等綜合因素的影響，具有強沖擊危險性，需要在實踐中提高警惕。

(2)在相向相鄰井田采空區(qū)掘進時，根據(jù)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化巖石破裂角對工作面寬度及開切眼位置，計算得到21220工作面與躍進礦23050工作面之間煤柱寬度不小于150 m，工作面寬度取值265 m。

(3)根據(jù)沖擊危險性評估結(jié)果及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對掘進工作面的卸壓參數(shù)進行優(yōu)化處理，21220掘進面幫部卸壓孔深度優(yōu)化后增加了5 m，掘進頭優(yōu)化為φ153 mm、深40 m卸壓孔，成功指導現(xiàn)場施工,并取得了良好效果。

參考文獻

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(收稿日期2015-11-15)

翟建博(1989—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學院路30號。