復(fù)合厚煤層巷道掘進(jìn)沖擊地壓機(jī)制及監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

朱斯陶，姜福興，劉金海，王高昂，王緒友，姜亦武，曲效成，徐懷閣，寧廷洲

(1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083; 2.華北科技學(xué)院 河北省礦井災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101601; 3.兗礦新疆礦業(yè)有限公司 硫磺溝煤礦，新疆 昌吉 831100; 4.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 102299)

煤炭是我國(guó)的主導(dǎo)能源，隨著煤炭資源開采深度的不斷增加和開采條件的復(fù)雜化，我國(guó)中東部礦區(qū)沖擊地壓、煤與瓦斯突出和礦震等動(dòng)力災(zāi)害越來越嚴(yán)重[1-4]。為滿足國(guó)家能源需求，煤炭產(chǎn)能快速向開采深度較淺的西部轉(zhuǎn)移，與我國(guó)中東部礦區(qū)開采深度大、煤層相對(duì)較薄的特點(diǎn)不同，新疆、內(nèi)蒙古的相關(guān)礦區(qū)發(fā)生沖擊地壓的煤層掘進(jìn)工作面埋深普遍小于500 m，煤層相對(duì)較厚，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，呈現(xiàn)軟硬復(fù)合的特點(diǎn)[5]。相對(duì)于薄～中厚煤層多為單一結(jié)構(gòu)，厚煤層結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，一般由多層軟硬相間的煤層或薄層巖層與煤層組成，比較典型的是軟硬復(fù)合厚煤層。根據(jù)新疆硫磺溝煤礦近10次復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊地壓事故現(xiàn)場(chǎng)和掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，軟硬復(fù)合厚煤層巷道掘進(jìn)期間，軟煤層煤粒彈射現(xiàn)象頻繁，震動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，沖擊破壞以掘進(jìn)工作面及后方10 m范圍為主。現(xiàn)有的沖擊地壓理論難以科學(xué)解釋復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理，嚴(yán)重制約了我國(guó)中西部地區(qū)部分礦井的生產(chǎn)安全。

沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警是有效防治沖擊地壓的重要環(huán)節(jié)之一[6]，我國(guó)許多學(xué)者對(duì)沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)進(jìn)行了研究:齊慶新等[7]通過實(shí)驗(yàn)研究與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，地音監(jiān)測(cè)可以準(zhǔn)備地預(yù)測(cè)沖擊地壓的發(fā)生時(shí)間，地音參量可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)頂板活動(dòng);竇林名等[8]基于煤巖破壞的不同裂隙發(fā)展階段與微震、應(yīng)力、聲電等參量響應(yīng)的關(guān)系，建立了煤巖沖擊破壞的多信息歸一化預(yù)警力學(xué)模型，提高了煤礦沖擊礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)警的針對(duì)性與準(zhǔn)確性;夏永學(xué)等[9]采用微震和地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)千秋煤礦孤島工作面回采期間的沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定了相應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)，提高了沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率;劉金海等[10]分析了震動(dòng)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)和"全頻廣域"震動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，探討了沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警在監(jiān)測(cè)參量、預(yù)警閾值、測(cè)點(diǎn)布置、數(shù)據(jù)分析等方面存在的困難；賈瑞生等[11]基于SVM理論對(duì)沖擊地壓前兆信息進(jìn)行自動(dòng)辨識(shí)，通過對(duì)地音監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的辨識(shí)分析，極大地提高了預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率;劉少虹等[12]建立了一種基于地音監(jiān)測(cè)與電磁波CT探測(cè)的掘進(jìn)工作面沖擊危險(xiǎn)性層次化評(píng)價(jià)方法，提高了工作面掘進(jìn)期間沖擊危險(xiǎn)性的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià);楊光宇等[13]通過對(duì)掘進(jìn)工作面沖擊地壓事故分區(qū)研究，建立了四位一體的綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，有效預(yù)警了特厚煤層掘進(jìn)期間的沖擊危險(xiǎn)。

上述學(xué)者對(duì)采掘工作面沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，但針對(duì)復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)研究較少?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊前煤體應(yīng)力及錨桿索監(jiān)測(cè)無(wú)明顯征兆，常規(guī)監(jiān)測(cè)手段難以識(shí)別;復(fù)合厚煤層工作面掘進(jìn)期間震動(dòng)頻繁，導(dǎo)致地音事件總頻次和總能量均較高，嚴(yán)重影響了沖擊危險(xiǎn)性預(yù)警的準(zhǔn)確性。本文以新疆硫磺溝煤礦復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面為工程背景，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)等方法，研究了復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面頻繁煤粒彈射和沖擊地壓的機(jī)制，提出了基于“地音大事件”概念的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法和預(yù)警指標(biāo)，有效保障了新疆硫磺溝煤礦復(fù)合厚煤層工作面的安全掘進(jìn)。

1 復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊地壓事故概況

1.1 復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面地質(zhì)概況

新疆硫磺溝煤礦(4-5)04工作面為局部沿空工作面，走向長(zhǎng)平均2 636 m，傾斜寬180 m，平均埋深約460 m，主采4-5煤層厚6.06～7.52 m，平均6.7 m，傾角21°～26°，平均25°，工作面留設(shè)40 m區(qū)段煤柱隔離相鄰(4-5)02采空區(qū)，如圖1所示。4-5煤層由4煤和5煤組合而成，一般含夾矸1～3層，夾矸厚度在0.06～0.60 m。

圖1 (4-5)04工作面掘進(jìn)沖擊地壓平面位置Fig.1 Rock burst plan at the heading face of LW(4-5)04

經(jīng)煤巖沖擊傾向性鑒定，硫磺溝煤礦4-5煤層中硬煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度為13.4 MPa，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間為260 ms，沖擊能量指數(shù)為1.1，彈性能量指數(shù)為32.1，綜合判斷具有弱沖擊危險(xiǎn);4-5煤層中軟煤由于節(jié)理裂隙發(fā)育，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法取樣進(jìn)行巖石力學(xué)試驗(yàn)。

1.2 復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊地壓事故概況

硫磺溝煤礦(4-5)04工作面掘進(jìn)期間礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，掘進(jìn)工作面煤粒彈射現(xiàn)象頻繁，累計(jì)發(fā)生破壞性沖擊地壓災(zāi)害7次，其中2013-01-30和2014-11-24發(fā)生的2次沖擊地壓最為嚴(yán)重。

圖2 “1·30”掘進(jìn)工作面沖擊地壓現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.2 Rock burst accident at the heading face in 2013-01-30

(1)“1·30”掘進(jìn)工作面沖擊地壓。

2013-01-30T15:50，(4-5)04工作面膠帶巷掘進(jìn)約2 100 m時(shí)，掘進(jìn)工作面發(fā)生強(qiáng)烈沖擊地壓，造成掘進(jìn)工作面頂板冒落、兩幫煤體沖出，綜掘機(jī)被顛動(dòng)。頂板冒落形態(tài)及現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示，頂板冒落尺寸為:長(zhǎng)×寬×高=5 m×4.2 m×3 m，冒落體積約21 m3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，掘進(jìn)工作面冒落煤體十分破碎，多為粒徑小于10 mm的粉狀。煤壁前方拋出深度1.7 m、高度3 m+3 m，已開挖段上幫煤體也同時(shí)片幫，片幫深度約0.8 m;上幫片幫處煤壁豎向煤體節(jié)理、劈理十分發(fā)育。巷道下幫距離掘進(jìn)工作面5 m左右處，同時(shí)形成片幫，片幫深度大于0.5 m。

(2)“11·24”掘進(jìn)工作面沖擊地壓。

(4-5)04工作面“1·30”沖擊地壓事故導(dǎo)致膠帶巷掘進(jìn)停產(chǎn)約22個(gè)月。2014-11-15膠帶巷恢復(fù)掘進(jìn)，至2014-11-24T04:10，掘進(jìn)工作面累計(jì)掘進(jìn)進(jìn)尺為15.6 m，掘進(jìn)工作面發(fā)生沖擊地壓，導(dǎo)致后方14.6 m上幫2棵單體支柱崩倒，頂板最大下沉約500 mm，新掘進(jìn)區(qū)域共4根錨桿、錨索遭到明顯破壞，掘進(jìn)工作面綜掘機(jī)司機(jī)和輔助工人直接被沖擊波推出約4 m，如圖3所示。

圖3 “11·24”掘進(jìn)工作面沖擊地壓素描Fig.3 Rock burst accident at the heading face in 2014-11-24

2 復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面煤粒彈射及沖擊地壓發(fā)生機(jī)制

2.1 煤層結(jié)構(gòu)對(duì)掘進(jìn)工作面沖擊地壓影響分析

掘進(jìn)工作面超前煤體發(fā)生沖擊破壞形式主要有壓縮破壞和剪切破壞兩種類型。對(duì)于煤體壓縮破壞型沖擊地壓，其發(fā)生沖擊地壓的可能性系數(shù)[14]為

(1)

式中，Ic為煤體壓縮破壞型沖擊可能性系數(shù)，當(dāng)Ic≥ 1.5時(shí)可認(rèn)為具有沖擊危險(xiǎn);σmax為掘進(jìn)工作面超前支承壓力峰值應(yīng)力;[σc]為煤體單軸抗壓強(qiáng)度;k為煤體應(yīng)力集中系數(shù);γ為煤體上覆巖層的平均容重;h為煤體平均埋深。

對(duì)于煤體剪切破壞型沖擊地壓，其發(fā)生沖擊地壓的可能性系數(shù)[15]為

(2)

式中，Iτ為煤體剪切破壞型沖擊可能性系數(shù)，當(dāng)Iτ≥1.5時(shí)可認(rèn)為具有沖擊危險(xiǎn);τ為煤體承受最大剪應(yīng)力;[τ]為煤體抗剪強(qiáng)度;σ1,σ3分別為最大和最小主應(yīng)力。

2.1.1單一煤層結(jié)構(gòu)掘進(jìn)工作面沖擊危險(xiǎn)性分析

單一煤層條件下掘進(jìn)工作面圍巖結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，以硫磺溝煤礦(4-5)04膠帶巷掘進(jìn)工作面實(shí)際生產(chǎn)條件為例，取[σc]=13.4 MPa，k=1.5，γ=2 500 kN/m3，h=460 m，σ1=σmax=17.3 MPa，σ3=7.3 MPa，[τ]=7.1 MPa，將以上參數(shù)代入式(1)和式(2)中可得Ic1=1.3，Iτ1=1.4。因此硫磺溝煤礦(4-5)04膠帶巷在單一硬煤層中掘進(jìn)時(shí)不滿足發(fā)生煤體壓縮破壞型沖擊和煤體剪切破壞型沖擊的應(yīng)力條件。

圖4 不同煤層結(jié)構(gòu)掘進(jìn)工作面示意Fig.4 Heading face in different coal seam structure

2.1.2復(fù)合煤層結(jié)構(gòu)掘進(jìn)工作面沖擊危險(xiǎn)性分析

復(fù)合煤層條件下掘進(jìn)工作面圍巖結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示，由于現(xiàn)場(chǎng)軟煤裂隙發(fā)育難以取樣，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)估算軟煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度[σs]≈5～7 MPa，將其代入式(1)中可得Ic2=2.5～3.5，已遠(yuǎn)超過發(fā)生煤體壓縮破壞型沖擊地壓的應(yīng)力條件，但由于軟煤裂隙發(fā)育，因此其破壞形式轉(zhuǎn)變?yōu)橐悦后w顆粒彈射破壞為主。

當(dāng)煤層條件由單一煤層變?yōu)閺?fù)合煤層時(shí)，掘進(jìn)工作面開挖卸荷引起軟煤發(fā)生彈射破壞后，導(dǎo)致硬煤的最小主應(yīng)力大幅降低，在軟煤上方硬煤中形成剪應(yīng)力集中，此時(shí)取最小值σ3=0 MPa，在σ1不變的情況下，計(jì)算得到Iτ2=2.4，遠(yuǎn)大于發(fā)生煤體剪切破壞型沖擊地壓的臨界應(yīng)力條件。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，在硫磺溝煤礦(4-5)04膠帶巷掘進(jìn)工作面生產(chǎn)條件下，單一煤層結(jié)構(gòu)掘進(jìn)工作面不具有沖擊危險(xiǎn)，復(fù)合煤層結(jié)構(gòu)掘進(jìn)工作面軟煤和硬煤分別具有發(fā)生煤體壓縮破壞型沖擊和煤體剪切破壞型沖擊的危險(xiǎn)。

2.2 復(fù)合煤層掘進(jìn)工作面煤粒彈射及沖擊地壓發(fā)生機(jī)制

根據(jù)上述分析，軟硬復(fù)合厚煤層巷道掘進(jìn)工作面超前支承壓力分布如圖5所示，掘進(jìn)擾動(dòng)影響范圍內(nèi)軟煤和硬煤應(yīng)力狀態(tài)如圖6(a),(b)所示，原始應(yīng)力區(qū)軟煤應(yīng)力狀態(tài)如圖6(c)所示。圖6(b)中硬煤在軟煤破壞前處于三向應(yīng)力狀態(tài)，在軟煤破壞后其受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向乃至單向應(yīng)力狀態(tài)。

圖5 復(fù)合煤層掘進(jìn)工作面超前支承壓力分布示意Fig.5 Distribution diagram of advance supporting pressure in driving face of composite coal seam

掘進(jìn)工作面形成超前支承壓力峰值σmax小于硬煤三軸抗壓強(qiáng)度σ3c和軟煤三軸抗壓強(qiáng)度σ3s，但遠(yuǎn)大于軟煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度σs。因此軟硬復(fù)合厚煤層巷道掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)工作面軟煤在超前支承壓力作用下首先發(fā)生破壞，圍巖集聚彈性能大部分通過軟煤的失穩(wěn)破壞(煤粒彈射)來釋放，導(dǎo)致掘進(jìn)工作面煤粒彈射和震頂頻繁。

由于a區(qū)硬煤強(qiáng)度較大，當(dāng)b區(qū)軟煤發(fā)生煤粒彈射破壞后，導(dǎo)致硬煤在軟煤破壞的邊緣產(chǎn)生剪應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中程度超過硬煤極限強(qiáng)度，硬煤發(fā)生剪切失穩(wěn)破壞，進(jìn)而誘發(fā)掘進(jìn)工作面沖擊地壓。

圖6 特厚軟硬復(fù)合煤層巷道掘進(jìn)工作面煤體應(yīng)力狀態(tài)Fig.6 Stress state diagram of head coal body in roadway driving in extra thick soft hard composite coal seam

3 復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊地壓合理監(jiān)測(cè)預(yù)警方法

常用的掘進(jìn)工作面沖擊地壓在線監(jiān)測(cè)方法主要有地音監(jiān)測(cè)、煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)和錨桿索壓力監(jiān)測(cè)，每種監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)參數(shù)和范圍都不同，如圖7所示。硫磺溝煤礦安裝了掘進(jìn)工作面沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，包含“地音-應(yīng)力-錨桿索壓力”三套實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)運(yùn)行過程中相互獨(dú)立，分別對(duì)掘進(jìn)工作面“圍巖震動(dòng)、圍巖應(yīng)力動(dòng)態(tài)、錨桿錨索支護(hù)力”進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果和掘進(jìn)工作面礦壓顯現(xiàn)的情況的對(duì)比，不同監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)工作面沖擊危險(xiǎn)性的敏感性差異較大。

圖7 掘進(jìn)工作面巷道監(jiān)測(cè)區(qū)域剖面Fig.7 Section of roadway monitoring area in heading face

3.1 掘進(jìn)工作面應(yīng)力監(jiān)測(cè)預(yù)警情況分析

(4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面應(yīng)力監(jiān)測(cè)布置平面圖如圖8所示，掘進(jìn)工作面后方共布置7組測(cè)站，每組測(cè)站包含深孔(14 m)、淺孔(8 m)兩個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，測(cè)站間距為(25±5)m，測(cè)站滯后掘進(jìn)工作面不超過30 m安裝，并將最后1組測(cè)站依次往復(fù)前移。

圖8 掘進(jìn)工作面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置平面Fig.8 Layout plan of stress measuring points in heading face

由于應(yīng)力測(cè)點(diǎn)較多，選擇距離(4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面最近的3號(hào),4號(hào)(距掘進(jìn)工作面10 m)應(yīng)力曲線進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)時(shí)間為2016-12-07—12-24，如圖9所示。由圖9可知，(4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面上幫應(yīng)力測(cè)點(diǎn)安裝后，煤體應(yīng)力增幅較小，應(yīng)力曲線基本保持平穩(wěn)狀態(tài)。(4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面在2016-12-16T08:49發(fā)生一次幫部沖擊，現(xiàn)場(chǎng)破壞明顯，但掘進(jìn)工作面各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力曲線均無(wú)明顯變化，應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)差異較大，說明復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性和圍巖應(yīng)力相關(guān)性較差。

圖9 圍巖應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分測(cè)點(diǎn)應(yīng)力曲線Fig.9 Layout plan of stress measuring points in heading face

3.2 錨桿索壓力監(jiān)測(cè)預(yù)警情況分析

(4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面共布置6組錨桿索壓力測(cè)站，每組測(cè)站包含1個(gè)錨索測(cè)點(diǎn)和1個(gè)錨桿測(cè)點(diǎn)，測(cè)站間距50 m，最前方測(cè)點(diǎn)距掘進(jìn)工作面不應(yīng)超過50 m，如圖10所示。監(jiān)測(cè)范圍為掘進(jìn)工作面向后300 m范圍，測(cè)站布置在巷道頂板位置，每個(gè)測(cè)站布置錨桿、錨索測(cè)點(diǎn)各1個(gè)，當(dāng)掘進(jìn)工作面與最前端測(cè)點(diǎn)距離大于50 m，應(yīng)及時(shí)對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行移組，如圖9所示。

圖10 掘進(jìn)工作面錨桿索壓力測(cè)點(diǎn)布置Fig.10 Layout of anchor cable pressure measuring points in heading face

圖11為2016-12-07—12-24錨索壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)30號(hào)(安裝時(shí)距掘進(jìn)工作面5 m)測(cè)點(diǎn)錨索壓力曲線圖。由圖11可知，(4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面錨索壓力測(cè)點(diǎn)安裝后，錨索壓力程緩慢上升，其主要原因是巷道掘進(jìn)后圍巖應(yīng)力調(diào)整導(dǎo)致，在掘進(jìn)工作面2016-12-16發(fā)生幫部沖擊后，錨索壓力上升速度增加，主要原因是巷道幫部煤體沖擊導(dǎo)致掘進(jìn)工作面后方頂板出現(xiàn)下沉?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，錨索壓力監(jiān)測(cè)對(duì)沖擊地壓預(yù)警的前兆信息敏感性較差，一般在掘進(jìn)工作面沖擊地壓發(fā)生后才出現(xiàn)明顯變化。

圖11 錨索壓力監(jiān)測(cè)曲線Fig.11 Pressure monitoring curve of bolt

3.3 地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警情況分析

自掘進(jìn)工作面沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試運(yùn)行以來，(4-5)06工作面膠帶巷掘進(jìn)期間發(fā)生的強(qiáng)震頂和巷道幫部煤體沖擊事件均被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)捕捉到。

2016-12-16T08:49，(4-5)06運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面出現(xiàn)幫部沖擊，現(xiàn)象為掘進(jìn)工作面及后方8 m范圍內(nèi)鼓幫，鼓幫量約300 mm，個(gè)別錨桿有輕微翻盤現(xiàn)象，沖擊地壓發(fā)生時(shí)已掘進(jìn)912 m，如圖1所示。

(4-5)06運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面幫部沖擊時(shí)，地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖如圖12所示。圖13為(4-5)06運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面幫部沖擊瞬間地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)捕捉到的震動(dòng)波形圖。

圖12 掘進(jìn)工作面地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置Fig.12 Layout of rock sound monitoring system in heading face

圖13 地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)捕捉到?jīng)_擊地壓波形Fig.13 Rock sound monitoring system captures the waveform of the rock burst

圖14為各檢波器接收幫部沖擊震動(dòng)事件的最大振幅和到時(shí)曲線。地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)捕捉到事件最大振幅為6號(hào)通道的9 179 mV，其后依次為1號(hào)通道的8 445 mV,5號(hào)通道的8 008 mV,4號(hào)通道的7 884 mV,3號(hào)通道的2 859 mV，震動(dòng)信號(hào)傳播到2號(hào)通道附近時(shí)就能量基本耗散完畢。

各檢波器接收到震動(dòng)信號(hào)的到時(shí)分別為1號(hào)通道的339 ms,6號(hào)通道的366 ms,5號(hào)通道的394 ms,4號(hào)通道的431 ms,3號(hào)通道的452 ms，根據(jù)各檢波器的布置位置和震動(dòng)波形到時(shí)可知，此次幫部沖擊事件的震源位于掘進(jìn)工作面掘進(jìn)工作面附近，各檢波器接收到震動(dòng)事件的時(shí)長(zhǎng)隨著檢波器與的掘進(jìn)工作面的距離增大而增加。由于地音檢波器布置間距約為50 m，因此各檢波器接收震動(dòng)事件的到時(shí)差也呈線性分布，如圖14所示。

圖14 各檢波器接收沖擊地壓的最大振幅和到時(shí)曲線Fig.14 Maximum amplitude and arrival time curve of each geophone receiving the shock ground pressure event

根據(jù)對(duì)硫磺溝煤礦復(fù)合煤層掘進(jìn)工作面應(yīng)力、錨桿索壓力和地音監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生沖擊地壓時(shí)，僅有地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能捕捉到?jīng)_擊地壓信息，應(yīng)力和錨桿索壓力監(jiān)測(cè)對(duì)復(fù)合煤層掘進(jìn)工作面沖擊地壓的敏感性較低，其主要原因是復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面煤粒彈射、沖擊地壓等動(dòng)力現(xiàn)象主要發(fā)生在掘進(jìn)工作面附近，掘進(jìn)機(jī)割完煤后需等待掘進(jìn)工作面動(dòng)力現(xiàn)象消失后再進(jìn)行巷道支護(hù)和監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)安裝等工作，導(dǎo)致應(yīng)力計(jì)和錨桿索壓力計(jì)安裝時(shí)淺部煤體彈性能已基本釋放完畢?，F(xiàn)場(chǎng)安裝的地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)⒕蜻M(jìn)工作面動(dòng)壓信息全部有效記錄，因此復(fù)合煤層掘進(jìn)工作面沖擊地壓的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警應(yīng)以地音監(jiān)測(cè)為主，其余監(jiān)測(cè)方法可以作為輔助手段。

4 基于“地音大事件”概念的地音監(jiān)測(cè)預(yù)警方法研究

復(fù)合厚煤層巷道正常掘進(jìn)期間，地音事件的來源主要有以下3種:① 巷道斷面開挖引起的巷道圍巖應(yīng)力重新分布的過程會(huì)產(chǎn)生的震動(dòng)事件;② 掘進(jìn)機(jī)割煤、錨桿索支護(hù)等現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)活動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)事件;③ 具有沖擊危險(xiǎn)掘進(jìn)工作面施工大直徑卸壓鉆孔、斷底爆破孔等卸壓活動(dòng)產(chǎn)生的震動(dòng)事件。圖15為不同條件下巷道掘進(jìn)圍巖破裂示意。當(dāng)工作面正常掘進(jìn)時(shí)，如圖15(a)所示，由巷道圍巖破裂、正常掘進(jìn)和卸壓活動(dòng)產(chǎn)生的地音事件總頻次較多，但總能量較小，其對(duì)掘進(jìn)工作面是否發(fā)生沖擊地壓的影響也較小;當(dāng)掘進(jìn)工作面地質(zhì)條件發(fā)生較大變化時(shí)，如圖15(b)所示，在斷層、煤層相變帶等地質(zhì)構(gòu)造附近易發(fā)生大能量地音事件，這些地音事件發(fā)生的總頻次相對(duì)較小，但其總能量和單事件平均能量較大，且這些事件的發(fā)生對(duì)掘進(jìn)工作面是否發(fā)生沖擊地壓有較大影響。

圖15 不同掘進(jìn)條件下巷道圍巖破裂示意Fig.15 Schematic diagram of roadway surrounding rock fracture under different driving conditions

硫磺溝煤礦開采4-5煤層為復(fù)合厚煤層，復(fù)合厚煤層掘進(jìn)期間掘進(jìn)工作面小能量煤粒彈射現(xiàn)象頻繁，大量小能量震動(dòng)事件嚴(yán)重影響了地音監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性。基于上述分析，筆者提出了“地音大事件”的概念:在掘進(jìn)工作面地音監(jiān)測(cè)過程中只拾取對(duì)掘進(jìn)工作面沖擊地壓有明顯影響的地音大能量事件，這些事件具有的明顯特征為發(fā)生的總頻次相對(duì)較低，但總能量較高。

4.1 基于“地音大事件”概念的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法

目前我國(guó)礦井常用地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)沖擊地壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警的方法主要是某一統(tǒng)計(jì)周期的地音頻次和能量的異常率指數(shù)[16-17]:

(3)

(4)

圖16為(4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面2017-02-10夜班地音事件統(tǒng)計(jì)曲線。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，(4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面2017-02-10夜班共監(jiān)測(cè)到有效地音事件1 401次，總能量為631 123 mV。

圖16 (4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面2017-02-10夜班地音事件統(tǒng)計(jì)曲線Fig.16 Statistical curve of rock sound events on the night shift of 2017-02-10 in the heading face of (4-5)06 tailgate

由圖16可知，在(0，1 000) mV區(qū)間內(nèi)發(fā)生地音事件1 271次，總能量為308 012 mV;在(1 000，2 000) mV區(qū)間內(nèi)發(fā)生地音事件80次，總能量為110 720 mV;在(2 000，3 000) mV區(qū)間內(nèi)發(fā)生地音事件19次，總能量為48 108 mV;在(3 000，4 000) mV區(qū)間內(nèi)發(fā)生地音事件11次，總能量為38 373 mV;在(4 000，5 000) mV區(qū)間內(nèi)發(fā)生地音事件7次，總能量為31 665 mV;在(5 000，6 000) mV區(qū)間內(nèi)發(fā)生地音事件5次，總能量為27 793 mV;在(6 000，7 000) mV區(qū)間內(nèi)發(fā)生地音事件1次，總能量為6 838 mV;在(7 000，8 000) mV區(qū)間內(nèi)發(fā)生地音事件1次，總能量為7 564 mV;在(>8 000 mV)區(qū)間內(nèi)發(fā)生地音事件6次，總能量為52 050 mV。

由上述統(tǒng)計(jì)可知，在(0，1 000) mV區(qū)間內(nèi)發(fā)生的地音事件占所有地音事件總頻次的90.7%，占總能量的48.8%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果，(4-5)06膠帶巷掘進(jìn)施工、打鉆卸壓、圍巖正常破裂產(chǎn)生的地音事件能量均在0～1 000 mV;而掘進(jìn)期間揭露斷層、相變帶等構(gòu)造時(shí)，產(chǎn)生的大能量地音事件能量一般在1 000～4 000 mV，掘進(jìn)工作面發(fā)生強(qiáng)烈震頂或沖擊顯現(xiàn)時(shí)，產(chǎn)生地音事件的最大能量近10 000 mV。

圖17為(4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面2017-02-06—02-15夜班(0，1 000 mV)區(qū)間內(nèi)地音事件頻次和能量占總頻次和總能量的統(tǒng)計(jì)曲線，在此期間掘進(jìn)工作面平均掘進(jìn)速度為10 m/d。由圖17可知，(4-5)06膠帶巷夜班掘進(jìn)時(shí)在(0，1 000 mV)區(qū)間內(nèi)發(fā)生的地音事件占所有地音事件總頻次的90.4%，占總能量的52.8%。

圖17 (4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面地音事件統(tǒng)計(jì)曲線Fig.17 Statistical curves of rock sound events on the night shift in the heading face of (4-5)06 tailgate

硫磺溝煤礦復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面地音監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，掘進(jìn)期間振幅在(0，1 000) mV的地音事件均屬于小能量事件，本文稱之為地音小事件，對(duì)于能量大于1 000 mV的地音事件稱之為地音大事件。地音小事件具有總頻次和總能量占比高的特點(diǎn)，對(duì)掘進(jìn)工作面沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警會(huì)產(chǎn)生較大干擾，因此在復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊地壓預(yù)警時(shí)可將(0，1 000) mV的地音小事件屏蔽掉，僅統(tǒng)計(jì)1 000 mV以上的地音大事件，能夠提高復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警的準(zhǔn)確性。

4.2 復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面地音預(yù)警指標(biāo)確定

由于礦井在春節(jié)期間停產(chǎn)，自2017-02-05開始恢復(fù)掘進(jìn)，(4-5)06膠帶巷恢復(fù)掘進(jìn)初期動(dòng)力顯現(xiàn)較大，其主要原因是停產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致煤體應(yīng)力恢復(fù)。因此選擇掘進(jìn)工作面恢復(fù)正常動(dòng)力顯現(xiàn)后開始進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選擇2017-02-08—2017-02-15期間地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)早、中、晚3班掘進(jìn)期間的震動(dòng)頻次和震動(dòng)總能量見表1。由表1可知，(4-5)04膠帶巷掘進(jìn)工作面在早班的震動(dòng)頻次和能量最少，其主要原因?yàn)榫蜻M(jìn)工作面在早班只掘進(jìn)2排(剩余時(shí)間主要安排鉆孔卸壓和爆破卸壓)，而夜班和中班各掘進(jìn)4排。

根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為(4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面沖擊地壓預(yù)警的基準(zhǔn)值，以預(yù)警基準(zhǔn)值的1.2倍、1.5倍和2.0倍作為弱、中等和強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，初步確定(4-5)06掘進(jìn)工作面地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每班的預(yù)警值和危險(xiǎn)程度見表2。由于表2地音預(yù)警指標(biāo)是在工作面掘進(jìn)速度為10 m/d統(tǒng)計(jì)得到的，當(dāng)工作面受地質(zhì)條件或卸壓施工等因素影響導(dǎo)致掘進(jìn)速度降低時(shí)，對(duì)應(yīng)的預(yù)警指標(biāo)可按照式(5)和(6)進(jìn)行修正:

(5)

式中，qE為掘進(jìn)工作面每米能量預(yù)警值;QE為表2中早、中、晚班不同沖擊危險(xiǎn)程度的總能量預(yù)警值，mV;V為掘進(jìn)工作面正常掘進(jìn)速度，10 m/d;VR為掘進(jìn)工作面實(shí)際掘進(jìn)速度，m/d。

(6)

式中，qF為掘進(jìn)工作面每米能量預(yù)警值，次/m;QF為表2中早、中、晚班不同沖擊危險(xiǎn)程度的總頻次預(yù)警值。

表1 (4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面地音監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(>1 000 mV)Table 1 Statistics of rock sound monitoring data in the heading face of (4-5)06 tailgate (>1 000 mV)

表2 (4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面地音監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)(>1 000 mV)Table 2 Ground sound monitoring and early warning index in the heading face of (4-5)06 tailgate (>1 000 mV)

為了將地音預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行量化，采用模糊數(shù)學(xué)的方法對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，用Id表示每班發(fā)生沖擊地壓的可能性。當(dāng)Id為0時(shí)其沖擊危險(xiǎn)性最小，當(dāng)Id為1時(shí)其沖擊危險(xiǎn)性最高。采用各區(qū)間平均權(quán)重的原則，可得到Id對(duì)“沖擊地壓可能性”的隸屬度為

Id=(IdW+IdE)/2

(7)

式中，IdW為每班地音監(jiān)測(cè)總頻次對(duì)沖擊地壓的隸屬度;IdE為每班地音監(jiān)測(cè)總能量對(duì)沖擊地壓的隸屬度。

以夜班為例，其IdW和IdE分別為

(8)

(9)

同理，早班的IdW和IdE分別為

(10)

(11)

中班的IdW和IdE分別為

(12)

(13)

根據(jù)可能性指數(shù)Id評(píng)價(jià)沖擊地壓發(fā)生的可能性，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 掘進(jìn)工作面沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)劃分Table 3 Risk classification of rock burst in driving face

4.3 復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面地音預(yù)警方法對(duì)比

以(4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面2017-02-06—02-15期間地音監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別采用統(tǒng)計(jì)所有地音總頻次、總能量方法(簡(jiǎn)稱原方法)和基于“地音大事件”概念的預(yù)警方法(簡(jiǎn)稱新方法)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表4。

表4 (4-5)06膠帶巷掘進(jìn)工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性分析Table 4 Risk analysis of rockburst in heading face of (4-5)06 tailgate

由表4可知，原地音預(yù)警方法在2017-02-06—02-15期間累計(jì)預(yù)警4次，其中中等沖擊危險(xiǎn)2次，弱沖擊危險(xiǎn)2次;基于“地音大事件”概念的預(yù)警方法在此期間預(yù)警6次，強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)3次，弱沖擊危險(xiǎn)3次，其中強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)預(yù)警的3次現(xiàn)場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)均較強(qiáng)烈。通過對(duì)比可知，原方法漏掉了“2·10”中班和“2·14”夜班2次弱沖擊危險(xiǎn)預(yù)警，降低了“2·8”夜班、“2·9”中班和“2·10”夜班3次強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)，僅有“2·15”早班沖擊危險(xiǎn)等級(jí)高于新預(yù)警方法，經(jīng)分析其主要原因是增加的地音事件數(shù)量和能量大部分為1 000 mV以下的小能量地音事件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)沖擊地壓影響較小。綜上所述，基于“地音大事件”概念的預(yù)警方法比原方法預(yù)警準(zhǔn)確率更高，也更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

4.4 復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面地音預(yù)警處置措施

通過將地音監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)和基于“地音大事件”概念的預(yù)警方法應(yīng)用于硫磺溝煤礦復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)，有效預(yù)警了工作面掘進(jìn)期間的沖擊地壓危險(xiǎn)，當(dāng)掘進(jìn)工作面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)預(yù)警時(shí)，應(yīng)首先確定沖擊危險(xiǎn)區(qū)域(地音監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)數(shù)值最大的位置兩側(cè)25 m范圍內(nèi))，然后針對(duì)不同沖擊危險(xiǎn)程度制定相應(yīng)的防治措施:

(1)弱沖擊危險(xiǎn)預(yù)警:采取正常掘進(jìn)卸壓措施，掘進(jìn)期間加強(qiáng)監(jiān)測(cè)預(yù)警，控制掘進(jìn)速度不超過8 m/d，若下一班次仍維持弱沖擊危險(xiǎn)預(yù)警，則按照中等沖擊危險(xiǎn)預(yù)警進(jìn)行處置。

(2)中等沖擊危險(xiǎn)預(yù)警:若預(yù)警區(qū)域已施工大直徑預(yù)卸壓鉆孔，則觀察預(yù)警區(qū)域卸壓鉆孔是否閉合，若閉合則立即在原區(qū)域二次卸壓，確保卸壓保護(hù)帶范圍;若預(yù)警區(qū)域未施工大直徑卸壓鉆孔，則需立即進(jìn)行卸壓解危(掘進(jìn)工作面2個(gè)鉆孔，幫部鉆孔間距3 m);具有中等沖擊危險(xiǎn)掘進(jìn)工作面掘進(jìn)速度不超過6 m/d，若下一班次仍維持中等沖擊危險(xiǎn)預(yù)警，則按照強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)預(yù)警進(jìn)行處置。

(3)強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)預(yù)警:在預(yù)警區(qū)域施工大直徑卸壓鉆孔(掘進(jìn)工作面3個(gè)鉆孔，幫部鉆孔間距1 m)，同時(shí)進(jìn)行卸壓和危險(xiǎn)性檢驗(yàn)(鉆屑法)，確認(rèn)無(wú)沖擊危險(xiǎn)后方可繼續(xù)掘進(jìn);具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)掘進(jìn)工作面掘進(jìn)速度不超過4 m/d，若下一班次仍維持強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)預(yù)警，則需要再次進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性檢驗(yàn)。

新疆硫磺溝煤礦(4-5)06掘進(jìn)工作面通過加強(qiáng)地音監(jiān)測(cè)預(yù)警并及時(shí)采取卸壓解危措施，保障了復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面的安全生產(chǎn)。

5 結(jié) 論

(1)復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面頻繁發(fā)生煤粒彈射和沖擊地壓的主要原因是巷道開挖后圍巖中軟煤部分會(huì)快速卸荷破壞產(chǎn)生煤粒彈射現(xiàn)象，軟煤破壞后導(dǎo)致硬煤局部產(chǎn)生剪應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集中程度超過硬煤極限強(qiáng)度時(shí)，硬煤發(fā)生剪切失穩(wěn)破壞，進(jìn)而誘發(fā)掘進(jìn)工作面沖擊地壓。

(2)通過對(duì)比多種復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊前后煤體應(yīng)力及錨桿索壓力監(jiān)測(cè)無(wú)明顯征兆，地音監(jiān)測(cè)能夠捕捉到?jīng)_擊地壓信息，但掘進(jìn)工作面頻繁煤粒彈射產(chǎn)生的眾多小能量震動(dòng)事件嚴(yán)重影響了地音監(jiān)測(cè)預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)提出了基于“地音大事件”概念的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法，即只監(jiān)測(cè)對(duì)掘進(jìn)工作面沖擊地壓有明顯影響的大能量地音事件，這些地音事件具有的明顯特征為發(fā)生的總頻次相對(duì)較低，但總能量較高。

(4)根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，(4-5)06膠帶巷掘進(jìn)期間在(0，1 000) mV發(fā)生的地音事件占所有地音事件總頻次平均比例為90.9%，占總能量的平均比例為52.0%，小能量地音事件占總頻次和總能量的比例較高，因此將能量大于1 000 mV的地音事件稱之為地音大事件。

(5)通過與原預(yù)警方法進(jìn)行對(duì)比，基于“地音大事件”概念的預(yù)警方法預(yù)警準(zhǔn)確率更高，也更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。研究結(jié)果對(duì)復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警具有一定的借鑒意義。