基于靜態(tài)探測與動態(tài)監(jiān)測的沖擊地壓危險區(qū)劃分及防治措施

毛慶福，孔 賀，魏全德，辛崇偉，田兆龍

(1.山東濟礦魯能煤電股份有限公司 陽城煤礦，山東 濟寧 272155； 2.山東安科興業(yè)智能裝備有限公司，山東 濟南 250002； 3.北京安科興業(yè)礦山安全技術研究院有限公司，北京 102299； 4.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100083)

沖擊地壓是國內井工煤礦開采中遇到的嚴重動力災害，具有突發(fā)性、瞬時性、巨大破壞性等特點。據不完全統(tǒng)計，截止到2016年全國范圍內已有189處沖擊地壓礦井[1-3]。影響沖擊地壓災害發(fā)生的因素包括兩方面，一方面為地質因素，即斷層分布、沖蝕帶、相變帶、火成巖侵蝕、大埋深、煤巖沖擊傾向性等；另一方面為開采技術因素，即工作面開采順序、終采線位置設計、區(qū)段煤柱設計、回采速度等[4，5]。國內外眾多專家、學者對沖擊地壓的發(fā)生機理、監(jiān)測預警方法及防治技術開展了大量研究，取得了諸多有益的研究成果。例如，王恩元[6]為了定向測試煤巖體多向應力及其演化規(guī)律，研發(fā)了煤巖體動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，分析了采場應力分布及演化規(guī)律。竇林名[7]針對煤礦沖擊礦壓的時空預測難題，進一步發(fā)展了微震多維信息的時空預測方法，實現(xiàn)了實時定量分析監(jiān)測區(qū)域的沖擊危險狀態(tài)、具體危險區(qū)域及等級，為沖擊地壓預測預報提供了新的思路。崔峰[8]為研究沖擊傾向性頂板破斷及其能量釋放規(guī)律，采用微震監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了采動影響下微震事件分布特征與分布規(guī)律之間的關系研究，進而分析了礦壓對煤巖體能量積聚與釋放間關系，揭示了關鍵層破斷的誘沖機制。王書文[9]基于地震波運動學理論，通過CT反演間接反映煤層內部應力分布情況，發(fā)現(xiàn)上覆巖層的斷裂失穩(wěn)下沉是造成工作面礦壓顯現(xiàn)的根源。齊慶新[10，11]基于煤礦沖擊地壓發(fā)生特點，分別從沖擊地壓發(fā)生機理、監(jiān)測預警技術、卸壓解危技術和標準體系方面詳細論述了沖擊地壓災害防治進展，提出了沖擊地壓防治的發(fā)展方向。潘一山[12，13]為提高沖擊地壓預測預報準確性，提出了通過監(jiān)測鉆孔過程中鉆桿推力、鉆桿扭矩與鉆屑量等鉆孔多參量指標變化規(guī)律來預測沖擊危險性的方法，豐富了鉆屑法預警和檢驗沖擊地壓的手段。何學秋[14]在總結我國煤礦典型動力災害預防基礎上，提出了煤礦典型動力災害風險精準判識及監(jiān)控預警新理念與關鍵技術，實現(xiàn)了煤礦典型動力災害前兆信息深度感知、風險精準判識及監(jiān)控預警的新模式新方法。上述研究成果為沖擊地壓礦井的現(xiàn)場防治提供了理論基礎和技術保障。但是，這些研究成果多為單一方法或手段，在大采深、厚煤層開采條件下，沖擊地壓監(jiān)測預警準確性仍不能滿足現(xiàn)場需要。本文以陽城煤礦3306工作面為例，開展了大采深、厚煤層復雜開采條件下沖擊危險區(qū)綜合判定方法研究，提出并實踐了“CT靜態(tài)應力探測-微震和鉆孔應力動態(tài)監(jiān)測-鉆屑檢驗驗證”綜合判定工作面沖擊危險區(qū)的方法。

1 工程概況

陽城煤礦位于山東省，屬于濟寧煤田。主采3煤層，3306工作面平均埋深878m，工作面傾斜長度為180m。工作面一側為采空區(qū)，一側為實體煤，區(qū)段煤柱寬度為6m，煤層平均厚度7.2m，傾角23°～27°，煤體單軸抗壓強度為7.7MPa。3306工作面揭露多條斷層，最大落差為30m，在大采深及斷層構造影響下工作面開采具有較高的沖擊危險性。3306工作面位置如圖1所示。

圖1 3306工作面位置示意圖

2 沖擊危險區(qū)劃分方法

3306工作面回采至DF34斷層時，工作面處于“大見方”影響區(qū)內，采動影響下高位頂板的斷裂、運動增加了工作面沖擊危險性，針對上述問題，在總結前期沖擊地壓監(jiān)測預警手段的基礎上，提出了“CT靜態(tài)應力探測-微震和鉆孔應力動態(tài)監(jiān)測-鉆屑檢驗驗證”綜合判定工作面沖擊危險區(qū)的方法，其沖擊地壓防治流程如圖2所示，并在3306工作面應用，為工作面安全生產提供了保障。

圖2 基于靜態(tài)探測與動態(tài)監(jiān)測的沖擊地壓防治流程圖

1)CT反演主要是利用地震波射線對工作面的煤巖體進行透視，根據速度場的大小，進而確定工作面范圍內應力場分布情況。潘俊鋒[15]基于沖擊啟動過程的沖擊危險性評估原理，通過理論研究，以電磁波CT探測系統(tǒng)為平臺，建立了能夠劃分近場圍巖沖擊危險區(qū)域及危險等級的電磁波CT評估方法，為沖擊地壓治理提供了更為準確依據。

2)微震監(jiān)測主要是利用拾震器接收到同一震動波過程中存在的時間差，在特定的波速場下對震源位置進行定位計算，確定微震事件震源位置，同時利用震相持續(xù)時間計算微震事件發(fā)生過程中釋放的能量，并最終確定震源基本信息，指導礦井生產。李旭東[16]綜合采用震動場-應力場聯(lián)合監(jiān)測技術，通過微震監(jiān)測手段實現(xiàn)了采動影響下工作面超前支承壓力影響范圍監(jiān)測，為工作面超前支護設計提供指導。

3)應力監(jiān)測是通過監(jiān)測煤體應力變化，并基于應力變化與鉆屑量的“當量”關系進行沖擊地壓預警。曲效成[17]等基于當量鉆屑理論，通過理論研究和裝備開發(fā)，研制了KJ550煤礦沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了沖擊地壓危險區(qū)及危險程度的在線監(jiān)測。

文獻[18]研究表明：與厚煤層分層開采相比，放頂煤開采對工作面采場圍巖的擾動范圍大，超前支承壓力峰值位置前移，且應力集中系數較高。由于采動影響下綜放工作面前方支承壓力峰值向工作面前方轉移，造成工作面見方與斷層地質構造影響區(qū)疊加，沖擊危險性增加，因此，為提高工作面沖擊地壓監(jiān)測預警準確性，陽城煤礦3306工作面實踐了以“CT靜態(tài)應力探測-微震和鉆孔應力動態(tài)監(jiān)測-鉆屑檢驗驗證”綜合判定工作面沖擊危險區(qū)的方法，不僅提高了沖擊地壓監(jiān)測預警準確性，而且提高了現(xiàn)場防治區(qū)域的針對性。

3 基于靜態(tài)探測與動態(tài)監(jiān)測的工程應用

3.1 基于CT反演的靜態(tài)應力場探測

針對3306工作面“大見方”期間沖擊危險性增加的工程難題，陽城煤礦在工作面進入“大見方”前200m實施了CT超前應力探測，得到了工作面超前區(qū)域應力分布情況，如圖3所示。由圖3可知，工作面軌道巷應力集中區(qū)存在4處，分別為工作面前方約30～50m、80～100m、130～140m和180～200m范圍，且工作面前方30～50m范圍應力集中程度最高。工作面運輸巷側應力集中程度相對較低。

圖3 CT反演揭示的工作面超前應力集中區(qū)

3.2 基于微震和應力的動態(tài)聯(lián)合監(jiān)測

針對CT探測的應力集中區(qū)，采用了震動場-應力場聯(lián)合監(jiān)測方式對沖擊危險區(qū)進行動態(tài)監(jiān)測。通過微震監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，工作面軌道巷側微震事件活躍程度高于工作面運輸巷側，主要表現(xiàn)為事件分布明顯集中于工作面軌道巷側且大能量事件較工作面運輸巷側多?；谖⒄鸨O(jiān)測的震動事件平面分布約為工作面超前180m范圍?；谡饎?應力場聯(lián)合監(jiān)測的結果如圖4、圖5所示。

圖4 微震監(jiān)測手段下震動事件分布平面圖

圖5 工作面兩巷相對應力監(jiān)測柱狀圖

通過對比工作面兩巷相對應力監(jiān)測情況發(fā)現(xiàn)，工作面軌道巷側應力高于工作面運輸巷側，且在工作面軌道巷工作面前方40m、80m、135m和185m出現(xiàn)4處鉆孔應力值較高，應力值分別為10.49MPa、8.04MPa、7.37MPa和6.84MPa，且工作面前方40m處測點應力值最大，已達到黃色預警，與CT探測和微震監(jiān)測結果基本一致。

3.3 鉆屑檢驗驗證

針對靜態(tài)探測與動態(tài)監(jiān)測聯(lián)合確定的沖擊地壓危險區(qū)，陽城煤礦施工了7組鉆屑檢驗鉆孔對沖擊地壓危險區(qū)進行驗證，施工位置分別為工作面前方30～50m、80～100m、130～140m、180～200m范圍，鉆檢間距10m，應力集中區(qū)鉆屑量曲線如圖6所示。由圖6可知，7組鉆屑孔均未出現(xiàn)鉆屑量超標情況，但鉆孔鉆進過程中均出現(xiàn)了動力顯現(xiàn)，表現(xiàn)為吸鉆，吸鉆位置主要集中在鉆孔孔深7～13m范圍內。因此，根據鉆檢結果判斷，工作面前方30～50m、80～100m、130～140m、180～200m存在沖擊地壓危險。

圖6 應力集中區(qū)鉆屑量曲線

基于“CT靜態(tài)應力探測-微震和鉆孔應力動態(tài)監(jiān)測-鉆屑檢驗驗證”的沖擊危險區(qū)綜合判定可知，工作面軌道巷工作面前方30～50m、80～100m、130～140m和180～200m范圍存在沖擊地壓危險，需采取解危措施。

3.4 現(xiàn)場防治措施

陽城煤礦針對確定的沖擊地壓危險區(qū)，制定了大直徑卸壓鉆孔解危措施和危險區(qū)限員管理措施。卸壓解危參數為孔徑125mm，鉆孔深度20m，鉆孔間距1m，施工范圍為危險區(qū)及前后各10m區(qū)域。施工結束后，經鉆屑檢驗，未出現(xiàn)卡鉆、吸鉆、煤粉超標等，經檢驗確認安全后，工作面恢復生產，并降低了該區(qū)域推采速度，實現(xiàn)了該區(qū)域的安全生產。回采工作面及兩巷超前300m范圍內嚴格執(zhí)行限員管理。

4 結 論

1)針對大采深、厚煤層開采沖擊地壓監(jiān)測預警準確性尚不能滿足現(xiàn)場需要的技術難題，提出了“CT靜態(tài)應力探測-微震和鉆孔應力動態(tài)監(jiān)測-鉆屑檢驗驗證”綜合判定工作面沖擊危險區(qū)的方法。該方法可以更加準確地劃分沖擊危險區(qū)，為現(xiàn)場針對性地采取卸壓解危措施提供了依據，提高了沖擊地壓防治效率。

2)“CT靜態(tài)應力探測-微震和鉆孔應力動態(tài)監(jiān)測-鉆屑檢驗驗證”綜合判定沖擊地壓危險區(qū)的方法雖然在現(xiàn)場實踐中起到了良好的效果，但是，更加準確的危險區(qū)域劃分方法、臨界預警指標等仍需進一步優(yōu)化。