基于震動波CT探測的沖擊地壓危險性分析及防治實(shí)踐

程 剛，梁開山，辛崇偉，孫 偉，韓 亮，張 健，張立明

(1.山東省滕東生建煤礦，山東 棗莊 277500；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 102200；3.華北科技學(xué)院，河北 廊坊 065201；4.新汶礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，山東 泰安 271233)

沖擊地壓是指井巷或者工作面周圍煤巖體，由于彈性變形能的瞬時釋放而產(chǎn)生突然劇烈破壞的動力現(xiàn)象，常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等現(xiàn)象。它具有很大的破壞性，是煤礦重大災(zāi)害之一[1]。

開采之前的預(yù)評價與開采過程中的監(jiān)測與檢驗(yàn)是沖擊地壓治理過程中的重要手段和方法[2]，特別是回采工作面的防治。但是評價是基于歷史數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料的靜態(tài)評價，難以預(yù)測到構(gòu)造活化、以及采動應(yīng)力的變化規(guī)律和幅值，實(shí)時的監(jiān)測預(yù)警能夠補(bǔ)充和完善靜態(tài)評價的不足[3]。當(dāng)前沖擊地壓比較成熟的監(jiān)測手段主要是微震監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、鉆屑法等，近年來微震監(jiān)測技術(shù)發(fā)展較快[4-6]，其中利用震動波反演可以得到煤巖體的應(yīng)力變化狀態(tài)，該技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于沖擊地壓礦井的預(yù)測預(yù)報(bào)[7-11]。

礦山震動波CT技術(shù)是通過布置在巷道中的震動檢波器，接收震源信號，通過對震動波各種震相的運(yùn)動學(xué)(走時、射線路徑)和動力學(xué)(波形、振幅、相位、頻率)資料的分析，進(jìn)而反演出煤巖體內(nèi)部地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力、煤厚變化的異常區(qū)分布，可為煤礦生產(chǎn)過程中開采設(shè)計(jì)、動力災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)、防治效果檢驗(yàn)及安全措施制定等提供參考依據(jù)[12-15]。本文將該CT探測技術(shù)應(yīng)用于受到采動及構(gòu)造影響的具有強(qiáng)沖擊危險的工作面，分析工作面前方煤體應(yīng)力集中程度，對探測區(qū)域的異常帶進(jìn)行預(yù)判，回采前采取針對性措施，實(shí)現(xiàn)安全回采。

1 工作面概況

滕東生建煤礦3下113工作面長920m，寬150m，呈平緩單斜，局部起伏明顯，采深930～990m，工作面煤厚2.4～6.5m，平均4.2m，工作面煤厚變化明顯，頂板細(xì)砂巖20.46m，硬度較大，底板多為泥質(zhì)砂巖，掘進(jìn)中揭露19條斷層，推進(jìn)末期會經(jīng)過向斜軸部區(qū)域，構(gòu)造較復(fù)雜。工作面北部為未開采的3下115工作面，南部為3下103工作面、3下105工作面、3下107工作面采空區(qū)，3下107工作面采空區(qū)距離3下113回風(fēng)巷59m；為提高煤炭回收率，對切眼設(shè)計(jì)進(jìn)行了更改；巷道沿煤層底板掘進(jìn)；采煤方法為一次采全厚放頂煤開采，工作面基本布置情況如圖1所示。

圖1 工作面布置情況圖

2 危險區(qū)評價

3下113工作面綜合地質(zhì)條件較為復(fù)雜，經(jīng)鑒定煤層、頂、底板均具有強(qiáng)沖擊傾向性，工作面主要受DF24、DF19、F113-9、F113-13等斷層(最大落差大部分在1.5～2m以下，F(xiàn)113-13斷層最大落差5m)影響，主要危險區(qū)位于工作面初次來壓、單見方及回風(fēng)巷側(cè)60m煤柱區(qū)域。

根據(jù)工作面沖擊地壓危險性的綜合指數(shù)法，3下113工作面沖擊地壓危險等級為強(qiáng)沖擊危險性；根據(jù)工作面沖擊地壓發(fā)生可能性指數(shù)診斷法，診斷該工作面發(fā)生沖擊地壓的可能性指數(shù)為1，即能夠發(fā)生沖擊地壓。整體來看，該工作面沖擊危險性較高。

2.1 CT探測實(shí)驗(yàn)

結(jié)合開采前的靜態(tài)危險區(qū)評價結(jié)果分析，認(rèn)為原切眼前后為回采的沖擊危險關(guān)鍵期，受斷層、煤柱及見方綜合影響，故圍繞原切眼進(jìn)行了三次探測，探測區(qū)域分布如圖2所示。

圖2 探測區(qū)域分布

2.1.1 第一次探測區(qū)域及方案

該次探測區(qū)域以原切眼為初始位置，向新切眼方向超前原切眼5m開始布置接收端和激發(fā)端，接收端共布置8個拾振器，其間距設(shè)計(jì)為17m，激發(fā)端布置28個炮點(diǎn)，間距為5m。

2.1.2 第二次探測區(qū)域及方案

該次探測區(qū)域仍以原切眼為初始位置，向停采線方向超前原切眼5m開始布置接收端和激發(fā)端，接收端共布置8個拾振器，其間距設(shè)計(jì)為17m，激發(fā)端布置28個炮點(diǎn)，間距為5m。

2.1.3 第三次探測區(qū)域及方案

該次探測區(qū)域以超前原切眼145m為初始位置開始布置接收端和激發(fā)端，接收端共布置8個拾振器，間距設(shè)計(jì)為17m，激發(fā)端布置28個炮點(diǎn)，間距為5m。

2.2 探測結(jié)果

2.2.1 第一次探測結(jié)果分析

該區(qū)域波速場總體處于較高水平，其最高波速區(qū)域分布在靠近新切眼附近位置，超前新切眼約20m，距回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷煤壁深度約40m，具體如圖3中Ⅰ區(qū)域所示，該區(qū)域與F113-14斷層、F113-16斷層具有較高的重疊度，判斷造成該區(qū)域應(yīng)力集中程度相對較高的原因與斷層交匯具有直接的關(guān)系。上述區(qū)域附近緊鄰低波速區(qū)，存在較大的波速梯度，即上述區(qū)域存在較高的沖擊危險性。

在運(yùn)輸巷靠近原切眼位置至回風(fēng)巷側(cè)原切眼與新切眼中間位置存在波速異常升高的條狀區(qū)域，如圖3中Ⅱ區(qū)域所示，該區(qū)波速值顯著低于其周邊，認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)可能存在尚未揭露的斷層結(jié)構(gòu)。

圖3 第一次探測波速分布云圖

2.2.2 第二次探測結(jié)果分析

第二次探測波速分布情況如圖4所示，由圖4可知，高波速區(qū)域分布在靠近回風(fēng)巷一側(cè)超前原切眼50～105m范圍左右，該區(qū)域受內(nèi)部斷層F113-11與F113-12、周邊斷層DF19共同作用，DF19斷層落差大，且趨近回風(fēng)巷，造成該區(qū)波速較高，應(yīng)力集中程度較高。

3下113工作面推進(jìn)度超過原切眼78m左右進(jìn)入60m煤柱的影響范圍，由進(jìn)入煤柱影響區(qū)開始，直至超前原切眼105m范圍內(nèi)，軌道巷的生產(chǎn)幫和非生產(chǎn)幫都將具有較高的應(yīng)力集中程度，需要提前進(jìn)行卸壓解危處理。

圖4 第二次探測波速分布云圖

2.2.3 第三次探測結(jié)果分析

第三次探測波速分布情況如圖5所示，由圖5可知，總體波速呈現(xiàn)出較為均勻的分布特征，出現(xiàn)了1條疑似連續(xù)的高波速帶和1條疑似連續(xù)的低波速帶，認(rèn)為其內(nèi)部存在連續(xù)異常結(jié)構(gòu)。同時出現(xiàn)高速和低速的疑似波速帶有可能為尚未揭露的斷層結(jié)構(gòu)。

圖5 第三次探測波速分布云圖

2.3 潛在危險區(qū)及構(gòu)造區(qū)分布

斷層及煤柱是工作面應(yīng)力顯著影響因素，結(jié)合三次探測結(jié)果分析，得到回采中潛在重點(diǎn)關(guān)注危險區(qū)3處及可能未揭露斷層，如圖6所示。

圖6 潛在危險區(qū)及斷層分布圖

潛在危險區(qū)具體如下：

1)危險區(qū)A：該區(qū)域受斷層交匯影響，有相對較高的應(yīng)力集中程度，其分布位置為靠近新切眼側(cè)，距離新切眼煤壁20m，距離回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷煤壁深度約為40m。

2)危險區(qū)B：該區(qū)域?yàn)樾略龉ぷ髅娌糠挚拷醒鄄糠?，新增部分在回采后期將形成四面臨空的孤島煤柱，其范圍初步劃定為超前新切眼90m范圍至原切眼之間的全部煤體，該部分煤體應(yīng)力集中程度屆時將大幅度提升，具有較高的沖擊危險性，需要專門的卸壓解危措施，實(shí)現(xiàn)充分卸載后方可安全回采，該區(qū)域危險程度較其他重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域高。

3)危險區(qū)C：該區(qū)域位于靠近回風(fēng)巷一側(cè)超前原切眼50～105m范圍左右，受其范圍內(nèi)F113-11與F113-12斷層及附近的DF19斷層影響，具有較高應(yīng)力集中程度，且南側(cè)為3下107采空區(qū)，二者間隔60m煤柱，工作面進(jìn)入該區(qū)域時，回風(fēng)巷的生產(chǎn)幫和非生產(chǎn)幫都將具有較高的應(yīng)力集中程度，有必要在工作面接近該區(qū)域時提前進(jìn)行充分的卸壓解危。

3 危險區(qū)應(yīng)對措施

針對潛在危險區(qū)域，在工作面接近上述區(qū)域之前進(jìn)行充分的卸壓解危，采用大直徑鉆孔卸壓、煤層卸壓爆破相結(jié)合的措施對于上述區(qū)域進(jìn)行充分的卸壓解危，卸壓范圍覆蓋危險區(qū)域兩幫，對于留底煤區(qū)域應(yīng)當(dāng)進(jìn)行專項(xiàng)處理。

3.1 回采面大直徑鉆孔卸壓措施

對A、B、C沖擊危險區(qū)采用大直徑鉆孔卸壓，引起巷道圍巖高應(yīng)力深部轉(zhuǎn)移，使巷道圍巖處低應(yīng)力區(qū)。發(fā)生沖擊時，大直徑鉆孔可吸收沖出的煤粉，防止煤體沖出；頂?shù)装宓拈]合產(chǎn)生“楔形”阻力帶防止煤體沖出。

卸壓實(shí)施參數(shù)：鉆孔深度與煤層厚度有關(guān)，鉆孔間距與鉆孔直徑有關(guān)。若煤層厚度小于5m時，卸壓鉆孔深度不小于20m；若煤層厚度在5～8m，卸壓鉆孔深度不小于25m，卸壓孔間距均為1m。大直徑卸壓鉆孔傾向剖面圖如圖7所示。

圖7 大直徑卸壓鉆孔傾向剖面示意圖

3.2 深孔爆破卸壓

深孔爆破卸壓引起支承壓力峰值向煤巖體深部轉(zhuǎn)移，達(dá)到在巷道或工作面附近卸壓的目的，主要針對危險區(qū)B、C內(nèi)的斷層煤柱區(qū)。

爆破卸壓參數(shù)：巷道爆破卸壓中，按照需要設(shè)置多個爆破鉆孔，爆破鉆孔深度8.0～10.0m，孔間距5m，孔徑Φ42mm，鉆孔斜向上3°～5°，鉆孔距離地板1.2m，裝藥量為1/4～1/2(500mm一個藥卷，需要4～10個藥卷，正向安裝)，一次最多起爆5組爆破孔，巷道爆破卸壓鉆孔布置如圖8所示。

圖8 巷道爆破卸壓鉆孔布置示意圖

3.3 開采前斷底卸壓

對留底煤區(qū)域及時實(shí)施斷底卸壓處理，破壞底煤的整體性。對A、B、C危險區(qū)的留底煤區(qū)進(jìn)行底煤厚度排查：小于1.0m時，實(shí)施底板大直徑鉆孔卸壓；大于1.0m時，實(shí)施爆破斷底。

4 應(yīng)用效果檢驗(yàn)

對危險區(qū)實(shí)施卸壓解危措施后，必須要進(jìn)行效果檢驗(yàn)。在達(dá)到預(yù)期效果或沖擊危險解除后，才可進(jìn)行回采。卸壓效果檢驗(yàn)使用鉆屑法，配合應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)及微震監(jiān)測系統(tǒng)。

4.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)

利用微震監(jiān)測系統(tǒng)，通過分析危險區(qū)卸壓后圍巖微震事件分布特征，判定回采近危險區(qū)、經(jīng)危險區(qū)的微震事件分布、集中情況。根據(jù)震動活動的擾動影響、頻次能量區(qū)域密度檢驗(yàn)危險區(qū)的卸壓解危效果。

4.1.1 回采至危險區(qū)前后頻次、能量分析

2017年7月13日至12月30日微震頻次、能量關(guān)系曲線如圖9所示，由圖9可知，新切眼煤壁20m，靠近軌道巷，即初次來壓階段，據(jù)初采至距新切眼30m(日期：7月30日—8月10日)的微震分析可知：頻次、能量相對較低，呈逐漸上升趨勢。

圖9 微震頻次、能量關(guān)系曲線

超前新切眼90m范圍至原切眼之間的全部煤體，對應(yīng)距新切眼80～170m(日期：8月30日—10月20日)的范圍。工作面距新切眼40～110m范圍(日期：8月10日—9月10日)為事件高發(fā)區(qū)，頻次及能量普遍較高，隨后呈下降趨勢，危險區(qū)B在距新切眼80～110m范圍微震頻次及能量較高。

近軌道巷距新切眼210～270m范圍，距新切眼210～270m(日期：11月10日—12月20日)的微震分析結(jié)果：頻次、能量較低，變化平穩(wěn)。

4.1.2 卸壓效果的微震事件檢驗(yàn)

回采至危險區(qū)A、B、C前后微震事件投影如圖10所示，由圖10可知，初采至距新切眼30m范圍，微震事件在危險區(qū)A分布較少，事件多分布在靠近運(yùn)輸巷區(qū)域，卸壓效果較好。

回采至距新切眼80～170m范圍，微震事件在危險區(qū)B分布相對較多，說明對危險區(qū)B的解危措施并不徹底，沖擊危險并未解除，因此對B危險區(qū)需進(jìn)行了二次卸壓處理。

回采至距新切眼210～270m范圍，微震事件在危險區(qū)C分布相對較少，卸壓效果較好。

圖10 回采至危險區(qū)A、B、C前后微震事件投影

4.2 應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)

利用應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，得到卸壓區(qū)域內(nèi)鉆孔應(yīng)力實(shí)時變化情況。選擇近危險區(qū)的6組深/淺應(yīng)力計(jì)，監(jiān)測回采至危險區(qū)(卸壓后)前后應(yīng)力變化。

A區(qū)：回風(fēng)巷距新切眼25～30m范圍應(yīng)力較高，最高達(dá)7.5MPa，但未預(yù)警。

B區(qū)：回風(fēng)巷距新切眼135～145m、145～147m范圍應(yīng)力較高，距新切眼140m紅色預(yù)警，應(yīng)力值15MPa，距新切眼147m黃色預(yù)警，應(yīng)力值11MPa；運(yùn)輸巷距新切眼90～110m范圍應(yīng)力較高，距新切眼110m黃色預(yù)警，應(yīng)力值9.5MPa。

C區(qū)：回風(fēng)巷距新切眼105～110m范圍應(yīng)力較高，未預(yù)警；運(yùn)輸巷應(yīng)力無變化。

根據(jù)應(yīng)力系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果可知，危險區(qū)A和C卸壓后應(yīng)力變化較平穩(wěn)，危險區(qū)B需進(jìn)一步監(jiān)測并卸壓，保證回采安全。應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果與微震監(jiān)測結(jié)果較一致。

5 結(jié) 論

1)對于3下113工作面，斷層為應(yīng)力集中程度主要影響因素。根據(jù)沖擊危險性評價及三次CT探測結(jié)果，得到三個危險區(qū)：距新切眼20m且距回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷煤壁深度40m區(qū)域(危險區(qū)A)、超前新切眼90m至原切眼區(qū)域(危險區(qū)B)、靠近回風(fēng)巷一側(cè)超前原切眼50～105m區(qū)域(危險區(qū)C)。

2)針對CT探測得到的應(yīng)力異常危險區(qū)，采用大直徑鉆孔卸壓、煤層爆破卸壓等措施進(jìn)行解危處理，回采中采用應(yīng)力、微震等多種監(jiān)測手段對應(yīng)力狀態(tài)及時分析判斷，實(shí)施針對性的卸壓解危措施。監(jiān)測預(yù)警結(jié)果表明，危險區(qū)A和C卸壓解危措施效果較好，危險區(qū)B解危措施效果不明顯，微震與應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果較一致。

3)通過本次實(shí)踐認(rèn)為，在沖擊地壓危險性評價中，CT探測是靜態(tài)評價的有力補(bǔ)充，能提供更為詳盡的應(yīng)力異常區(qū)信息，對指導(dǎo)現(xiàn)場防沖工作具有重要意義，建議有條件的沖擊地壓礦井開展該項(xiàng)工作。