孤島工作面沖擊地壓多指標(biāo)監(jiān)測(cè)及危險(xiǎn)性區(qū)域劃分

姜希印，陶維國(guó)

(兗州煤業(yè)股份有限公司 濟(jì)寧二號(hào)煤礦， 山東 濟(jì)寧 272072)

0 引言

沖擊地壓會(huì)引起圍巖突然外移、彈射、破壞或堵塞巷道，造成人員傷亡，破壞通風(fēng)系統(tǒng)，且破壞范圍可達(dá)數(shù)米或數(shù)百米，近年來(lái)煤礦沖擊地壓破壞巷道最長(zhǎng)達(dá)到了600 m。目前，我國(guó)煤炭開(kāi)采深度以每年8～12 m的速度增加，東部礦井的增加速度達(dá)到每年10～25 m，絕大部分國(guó)有重點(diǎn)煤礦已進(jìn)入深部開(kāi)采(部分達(dá)到1 000 m以上采深)。隨著采深不斷加大，地應(yīng)力不斷增大，采場(chǎng)結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，采掘工作面沖擊地壓災(zāi)害頻次、強(qiáng)度和破壞程度均呈上升趨勢(shì)[1-2]。因此，對(duì)沖擊地壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。

沖擊地壓孕育(演化)過(guò)程中的應(yīng)力監(jiān)測(cè)可以通過(guò)鉆屑量、巷道變形量和采動(dòng)應(yīng)力的直接測(cè)量實(shí)現(xiàn)，能量監(jiān)測(cè)可以通過(guò)微震、電磁輻射和聲發(fā)射等地球物理的非接觸式測(cè)試實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[3-4]介紹了采動(dòng)應(yīng)力及微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)微震事件及能量的動(dòng)態(tài)分析確定預(yù)警區(qū)域，利用鉆孔應(yīng)力值確定危險(xiǎn)程度。文獻(xiàn)[5]通過(guò)建立礦震發(fā)生的三維激震模型，對(duì)礦震的定位進(jìn)行計(jì)算，揭示礦震的機(jī)理。文獻(xiàn)[6]認(rèn)為構(gòu)造型沖擊地壓發(fā)生前，微地震事件持續(xù)在斷層兩側(cè)出現(xiàn)，不再向掘進(jìn)工作面前方遷移，具有明顯的分區(qū)性，表明斷層開(kāi)始大量積聚應(yīng)力。文獻(xiàn)[7]認(rèn)為沖擊地壓發(fā)生前，微地震事件活躍，其震動(dòng)總能量、最大能量和頻次均較高，信號(hào)呈現(xiàn)低頻、低振幅的特征。文獻(xiàn)[8]優(yōu)選了b值、η值、Mm值、A(b)值和P(b)值5個(gè)指標(biāo)作為沖擊地壓危險(xiǎn)的微震預(yù)測(cè)指標(biāo)。文獻(xiàn)[9-15]對(duì)煤巖電磁輻射的產(chǎn)生機(jī)理、特征、規(guī)律及傳播特性等進(jìn)行了持續(xù)的深入研究，提出了電磁輻射預(yù)測(cè)沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害的原理及預(yù)報(bào)方法，研制出了煤巖電磁輻射監(jiān)測(cè)裝備及系統(tǒng)，并在多個(gè)煤礦應(yīng)用，用于沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災(zāi)害的監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)。以上研究及實(shí)踐推動(dòng)了我國(guó)沖擊地壓監(jiān)測(cè)及預(yù)警研究的發(fā)展，目前我國(guó)沖擊地壓災(zāi)害嚴(yán)重的礦井幾乎均采用了微震、采動(dòng)應(yīng)力、鉆屑量、電磁輻射等方法和手段，以提高沖擊地壓危險(xiǎn)預(yù)警的準(zhǔn)確率[16]。但上述沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)方法均是采用單一指標(biāo)進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性預(yù)警，存在較大的預(yù)警誤差，無(wú)法全面反映采掘過(guò)程中的沖擊危險(xiǎn)性?；诖?，本文以濟(jì)寧二號(hào)煤礦93下05工作面(孤島工作面)為研究對(duì)象，采用鉆屑量、微震、鉆孔應(yīng)力等礦壓顯現(xiàn)指標(biāo)開(kāi)展孤島工作面沖擊地壓多指標(biāo)監(jiān)測(cè)及危險(xiǎn)性區(qū)域劃分，根據(jù)危險(xiǎn)性區(qū)域劃分結(jié)果對(duì)不同的危險(xiǎn)區(qū)域采取針對(duì)性的沖擊地壓預(yù)防與治理措施，提前降低應(yīng)力集中程度，避免能量積聚，防止沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生。

1 工作面概況

濟(jì)寧二號(hào)煤礦為沖擊地壓礦井，93下05工作面為典型的孤島工作面(面臨上部采空和臨近采空)，位于九采區(qū)中部，南到井田邊界煤柱，北到九采輔助帶式輸送機(jī)巷，西鄰93下06工作面采空區(qū)，東鄰93下03工作面采空區(qū)，工作面中南部上方為93上工作面采空區(qū)，地面標(biāo)高為+33.31～+33.45 m。工作面位于礦井西南部，地面大部分為農(nóng)田，工作面北部為地表積水區(qū)。工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為1 497.47～1 517.42 m，寬度為162.25 m，面積為244 499.2 m2，工作面標(biāo)高為-741.5～-699.8 m。孤島工作面采掘平面如圖1所示。

93下05工作面煤體以鏡亮煤為主，夾暗煤條帶，內(nèi)生裂隙發(fā)育，夾矸為粉砂巖；煤層產(chǎn)狀變化大，煤層傾角為1～10°，北部和南部煤層傾角較大，中部?jī)A角相對(duì)平緩，煤層走向以東北向?yàn)橹?；工作面煤厚?.6～4.8 m，平均厚度為2.79 m，總體趨勢(shì)為南部較厚，中部、北部較薄，北部終采線附近受沉積影響，局部煤厚為1.5 m以下，煤層最薄處為0.7 m。煤層普氏系數(shù)(f)一般在1.91左右。煤層頂?shù)装逄匦砸?jiàn)表1。

2 孤島工作面沖擊危險(xiǎn)性多指標(biāo)監(jiān)測(cè)及危險(xiǎn)區(qū)域劃分

多方法、多指標(biāo)綜合監(jiān)測(cè)及多參量耦合分析有利于提高孤島工作面沖擊危險(xiǎn)性的預(yù)警準(zhǔn)確性。根據(jù)礦井沖擊地壓的發(fā)生規(guī)律，鉆屑量、微震能量、鉆孔應(yīng)力值等參數(shù)能較好地反映井下沖擊危險(xiǎn)性，因此采用以上幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性的預(yù)警監(jiān)測(cè)?；?3下05孤島工作面運(yùn)輸巷鉆孔鉆屑量、工作面回采過(guò)程中的微震、鉆孔應(yīng)力的監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析巷道頂?shù)装寮跋飵褪芄ぷ髅娌蓜?dòng)影響劇烈的范圍，并根據(jù)這些指標(biāo)的耦合監(jiān)測(cè)分析結(jié)果確定了該工作面在有保護(hù)區(qū)和無(wú)保護(hù)區(qū)開(kāi)采時(shí)的沖擊危險(xiǎn)程度。孤島工作面煤試樣沖擊傾向性鑒定結(jié)果見(jiàn)表2，由表2可看出，93下05孤島工作面具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性。

表1 煤層頂?shù)装逄匦?/p>

表2 孤島工作面煤試樣沖擊傾向性鑒定結(jié)果

整個(gè)工作面的沖擊地壓危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 93下05孤島工作面沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

(1) 鉆屑量。鉆屑法是通過(guò)在煤層中鉆直徑為42～50 mm的鉆孔，根據(jù)鉆孔排出的鉆屑量及其變化規(guī)律和有關(guān)動(dòng)力效應(yīng)鑒別沖擊危險(xiǎn)的一種方法。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，鉆屑量與煤體應(yīng)力狀態(tài)具有定量關(guān)系，即在其他條件相同的煤體中，應(yīng)力狀態(tài)不同，排出的鉆屑量也不同。當(dāng)單位長(zhǎng)度鉆孔排出的鉆屑量增大或超過(guò)臨界值時(shí)，表示應(yīng)力集中程度增加和沖擊危險(xiǎn)性增強(qiáng)。

(2) 微震。93下05孤島工作面軌道巷、運(yùn)輸巷內(nèi)各布置1個(gè)微震傳感器。通過(guò)KJ551微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)開(kāi)采期間該工作面及周圍微震事件進(jìn)行微震能量計(jì)算，分析微震能量與回采工作面動(dòng)壓顯現(xiàn)的相關(guān)性，預(yù)測(cè)工作面沖擊危險(xiǎn)性。

(3) 鉆孔應(yīng)力。鉆孔應(yīng)力通過(guò)安裝在93下05孤島工作面軌道巷、運(yùn)輸巷巷幫煤體中的應(yīng)力傳感器獲得，應(yīng)力傳感器自工作面前方30 m開(kāi)始布置，每25 m布置一組(誤差范圍為-2～2 m)，每組2個(gè)，每條巷道10組，共20組，埋設(shè)深度分別為8,14 m，每組2個(gè)測(cè)點(diǎn)間距為1～1.5 m。每條巷道安裝2個(gè)中繼器用于接收信號(hào)，中繼器距離工作面60 m左右，2個(gè)中繼器之間的距離為80 m。隨著工作面的推進(jìn)，實(shí)時(shí)對(duì)工作面超前影響區(qū)進(jìn)行沖擊地壓監(jiān)測(cè),通過(guò)分析監(jiān)測(cè)的應(yīng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行沖擊地壓預(yù)警。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

3.1 鉆屑量監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

93下05孤島工作面的臨界鉆屑量指標(biāo)：鉆孔深度為0～3 m時(shí)，臨界鉆屑量為2.77 kg/m；鉆孔深度為3～6 m時(shí)，臨界鉆屑量為3.02 kg/m；鉆孔深度為6～10 m時(shí)，臨界鉆屑量為6.90 kg/m。若鉆屑量超過(guò)臨界鉆屑量，或在鉆孔過(guò)程中出現(xiàn)較多的卡鉆、吸鉆及聲響等動(dòng)力效應(yīng)，則判定有沖擊危險(xiǎn)。

93下05孤島工作面推進(jìn)過(guò)程中鉆屑量的變化曲線如圖3所示，由圖3可知，在保護(hù)區(qū)，當(dāng)鉆孔深度為0～3 m、3～6 m時(shí),鉆屑量保持基本穩(wěn)定，為2.0～3.0 kg；當(dāng)鉆孔深度為6～10 m時(shí),鉆屑量離散性較大，為3.0～7.0 kg。當(dāng)工作面推采到聯(lián)絡(luò)巷影響區(qū)時(shí)，各個(gè)孔深的鉆屑量均降低，此后隨著工作面的推進(jìn)，在進(jìn)入未保護(hù)區(qū)時(shí),各孔深的鉆屑量值整體較低且離散性較弱。

圖3 鉆屑量監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

工作面推進(jìn)位置的微震監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在保護(hù)區(qū)開(kāi)采時(shí),工作面煤體受頂板應(yīng)力較小，此時(shí)微震參量(日震動(dòng)總能量、日震動(dòng)最大能量)波動(dòng)較大，日震動(dòng)最大能量峰值達(dá)到強(qiáng)沖臨界值。當(dāng)工作面推進(jìn)到聯(lián)絡(luò)巷影響區(qū)時(shí)，日震動(dòng)總能量及日震動(dòng)最大能量均高值響應(yīng)，日震動(dòng)最大能量在40～100 kJ范圍內(nèi)波動(dòng)。當(dāng)工作面推進(jìn)到未保護(hù)區(qū)時(shí)，日震動(dòng)總量及最大能量較低，根據(jù)微震指標(biāo)，此時(shí)沖擊危險(xiǎn)性較低，屬于弱沖擊危險(xiǎn)性。

(a) 日震動(dòng)總能量

(b) 日震動(dòng)最大能量

3.3 鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。根據(jù)鉆孔應(yīng)力預(yù)警值，淺孔應(yīng)力預(yù)警值為11 MPa，在統(tǒng)計(jì)7個(gè)月的鉆孔應(yīng)力中，淺孔應(yīng)力均在預(yù)警值以下，但是淺孔應(yīng)力隨時(shí)間的波動(dòng)曲線反映出,在5月30日前后,鉆孔應(yīng)力維持穩(wěn)定且處于相對(duì)高值。此后隨著時(shí)間段變化，淺孔應(yīng)力值在預(yù)警值以下波動(dòng)較小，與此相比,深孔應(yīng)力值隨著時(shí)間的變化波動(dòng)相對(duì)較大。在聯(lián)絡(luò)巷附近及未保護(hù)區(qū)鉆孔應(yīng)力均未達(dá)到預(yù)警值。

(a) 軌道巷應(yīng)力峰值

(b) 運(yùn)輸巷應(yīng)力峰值

3.4 基于多參量監(jiān)測(cè)的沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域劃分

由巷道鉆屑量、微震及鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在工作面回采過(guò)程中，在保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)，當(dāng)工作面推進(jìn)到聯(lián)絡(luò)巷附近時(shí)，由于聯(lián)絡(luò)巷的影響，在其附近形成煤柱，在采掘過(guò)程中穩(wěn)定性受采動(dòng)影響劇烈，容易發(fā)生沖擊失穩(wěn)。當(dāng)工作面推進(jìn)到未保護(hù)區(qū)時(shí)，由于孤島工作面受到較大的頂板壓力，各項(xiàng)沖擊監(jiān)測(cè)指標(biāo)增幅明顯，是容易發(fā)生沖擊失穩(wěn)的危險(xiǎn)性區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆屑量、微震、鉆孔應(yīng)力監(jiān)測(cè)及危險(xiǎn)預(yù)警值可知，在工作面推進(jìn)到聯(lián)絡(luò)巷附近及未保護(hù)區(qū)時(shí)，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均達(dá)到?jīng)_擊危險(xiǎn)性預(yù)警級(jí)別。故聯(lián)絡(luò)巷影響區(qū)及未保護(hù)區(qū)為沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。孤島工作面沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域劃分剖面圖如圖6所示。

圖6 孤島工作面沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域劃分剖面圖

4 防沖措施及監(jiān)測(cè)結(jié)果響應(yīng)

結(jié)合濟(jì)寧二煤礦93下05孤島工作面實(shí)際情況，在保護(hù)區(qū)開(kāi)采時(shí),為降低沖擊危險(xiǎn)性，采用大直徑卸壓鉆孔(孔徑為110 mm，孔距為2.0 m)，聯(lián)絡(luò)巷附近及未保護(hù)區(qū)內(nèi)沖擊地壓危險(xiǎn)性大的區(qū)域可以減小大直徑鉆孔的間距(孔徑為110 mm，孔距為1.0 m)；如果卸壓效果不明顯，可考慮增大卸壓鉆孔孔徑,減小孔間距和增加孔深(孔徑為150 mm，孔距為1.0 m，孔深為20 m)。如果經(jīng)校檢，密集大直徑鉆孔依然不能消除沖擊危險(xiǎn)性，需采用煤層深孔爆破卸壓來(lái)緊急解危，最終消除工作面的沖擊地壓危險(xiǎn)。

在工作面回采之前，首先對(duì)93下05孤島工作面未保護(hù)區(qū)一側(cè)實(shí)體煤幫實(shí)施鉆孔卸壓預(yù)處理，隨工作面推進(jìn),前方及時(shí)補(bǔ)打鉆孔。當(dāng)工作面推進(jìn)至臨近聯(lián)絡(luò)巷及進(jìn)入未保護(hù)區(qū)開(kāi)采時(shí),采取大直徑鉆孔卸壓，具體施工參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 大直徑鉆孔卸壓參數(shù)

對(duì)比分析圖3—圖5可看出，93下05孤島工作面微震參量和工作面附近的鉆屑量、鉆孔應(yīng)力的變化規(guī)律與工作面的受力情況及卸壓措施的實(shí)施情況基本相同。在保護(hù)區(qū),采用大直徑鉆孔卸壓時(shí)，鉆孔應(yīng)力、鉆屑量及微震的變化情況表現(xiàn)為較高值響應(yīng)；在聯(lián)絡(luò)巷影響區(qū)及未保護(hù)區(qū)，通過(guò)增大孔徑及縮小孔距的卸壓措施，微震、鉆屑量及鉆孔應(yīng)力值均呈下降趨勢(shì)。

雖然孤島工作面在回采期間也出現(xiàn)了巷道變形和底鼓等強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，但由于工作面卸壓防沖措施得當(dāng)，最終確保了工作面安全回采。

5 結(jié)論

(1) 具有復(fù)雜條件的濟(jì)寧二號(hào)煤礦93下05 孤島工作面，在開(kāi)采過(guò)程中，由于開(kāi)采對(duì)該工作面及上下運(yùn)輸巷的煤柱應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生了重大影響，極易產(chǎn)生沖擊地壓。孤島工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性的準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)評(píng)估及危險(xiǎn)性區(qū)域劃分僅依據(jù)單個(gè)指標(biāo)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，必須依靠多個(gè)監(jiān)測(cè)指標(biāo)或多參量監(jiān)測(cè)的綜合分析結(jié)果。

(2) 對(duì)濟(jì)寧二號(hào)煤礦93下05 孤島工作面回采過(guò)程中鉆屑量、微震、鉆孔應(yīng)力進(jìn)行預(yù)警分析，得出在孤島工作面回采過(guò)程中，聯(lián)絡(luò)巷附近、保護(hù)區(qū)與未保護(hù)區(qū)銜接區(qū)及未保護(hù)區(qū)是沖擊地壓危險(xiǎn)性區(qū)域，與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律一致，鉆屑量、微震和鉆孔應(yīng)力等各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均表現(xiàn)出了相應(yīng)的響應(yīng)規(guī)律。

(3) 針對(duì)93下05孤島工作面地質(zhì)條件和開(kāi)采條件等多因素的疊加影響，考慮到不同區(qū)域(保護(hù)區(qū)、聯(lián)絡(luò)巷影響區(qū)及未保護(hù)區(qū))應(yīng)力集中程度的差異性，提出并提前實(shí)施了針對(duì)性和差異化的大直徑鉆孔卸壓防沖措施，煤體積聚的彈性能得到了有效釋放，卸壓效果顯著，大大降低了工作面沖擊危險(xiǎn)性。