雒 軍 莉
(兗礦新疆礦業(yè)有限公司硫磺溝煤礦,新疆 昌吉831100)
硫磺溝煤礦可采煤層均具有沖擊危險(xiǎn)性,在掘進(jìn)工作面生產(chǎn)期間礦井可采取的手段僅由鉆屑法及動(dòng)力現(xiàn)象顯現(xiàn)觀測(cè),都是人為進(jìn)行監(jiān)測(cè)、觀測(cè),存在較大的誤差性,在未監(jiān)測(cè)到?jīng)_擊危險(xiǎn)時(shí)也多次發(fā)生了動(dòng)力事故。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,由于工作面快速掘進(jìn),煤巖體內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造的不均勻性和煤體應(yīng)力分布的不均衡性,會(huì)使工作面前方煤體內(nèi)集聚的應(yīng)力來(lái)不及充分釋放,新揭露的煤體處于劇烈的應(yīng)力變化狀態(tài)中,致使煤體容易發(fā)生沖擊失穩(wěn)的動(dòng)力災(zāi)害,而礦監(jiān)控手段較為單一,缺少具有可靠的、可操作性的監(jiān)控預(yù)警體系。因此,在開(kāi)采沖擊地壓煤層時(shí)需進(jìn)一步掌握發(fā)生機(jī)理以及監(jiān)測(cè)手段。
通過(guò)分析采深、地層結(jié)構(gòu)、煤層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)采方法和邊界條件對(duì)沖擊地壓的影響,揭示了煤礦深部開(kāi)采存在2 類8 種誘發(fā)沖擊地壓的外部力源;通過(guò)分析深部巷道變形破壞形態(tài),提出了煤礦深部開(kāi)采過(guò)程中存在10 種易發(fā)生沖擊地壓的巷道圍巖結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)煤礦深部開(kāi)采具備發(fā)生沖擊的外部力源條件和存在沖擊傾向性圍巖結(jié)構(gòu)時(shí),外部力源將驅(qū)動(dòng)圍巖結(jié)構(gòu)易沖擊的部位向采掘空間或巷道內(nèi)沖擊?;谕獠苛υ打?qū)動(dòng)圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生沖擊地壓的過(guò)程,提出了基于外部力源與圍巖結(jié)構(gòu)相互作用及圍巖整體與局部穩(wěn)定性綜合判別的沖擊地壓工程分類方法,其流程如圖2 所示。采用該分類方法,識(shí)別主導(dǎo)力源類型及沖擊災(zāi)害形式,為有針對(duì)性進(jìn)行沖擊地壓預(yù)測(cè)、預(yù)警與分類治理提供了理論基礎(chǔ)。
圖1 力源與圍巖典型結(jié)構(gòu)
圖2 沖擊地壓工程分類流程
采動(dòng)應(yīng)力是誘發(fā)沖擊的主體力源。與傳統(tǒng)的反映覆巖運(yùn)動(dòng)變形破壞形式的“上三帶”模型不同,建立了以表達(dá)采動(dòng)應(yīng)力動(dòng)態(tài)傳遞的深部煤層覆巖“載荷三帶”模型,將上覆巖層組
劃分為“即時(shí)加載帶”、“延時(shí)加載帶”和“靜載帶”(見(jiàn)圖3)。其中,即時(shí)加載帶是隨采隨動(dòng)并形成承載結(jié)構(gòu)的巖層組,包括直接頂、基本頂及其上方的部分巖層。隨著采場(chǎng)推進(jìn)其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力快速顯現(xiàn)于近工作面煤體,從而誘發(fā)沖擊;延時(shí)加載帶是指位于即時(shí)加載帶上方、隨采場(chǎng)推進(jìn)需要較長(zhǎng)一段時(shí)間才逐步發(fā)生離層和斷裂的巖層組,其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力緩慢顯現(xiàn)于“拱腳”附近且易誘發(fā)沖擊;靜載帶是指位于延時(shí)加載帶上方直至地表、受采動(dòng)影響較小且?guī)缀跻造o載方式作用于采場(chǎng)圍巖的巖層組。該結(jié)構(gòu)模型揭示了外部力源驅(qū)動(dòng)圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生沖擊的動(dòng)應(yīng)力作用機(jī)制。
圖3 深部開(kāi)采覆巖“載荷三帶”模型
2.3.1 監(jiān)測(cè)預(yù)警方式
根據(jù)硫磺溝煤礦沖擊地壓發(fā)生的機(jī)理研究,針對(duì)掘進(jìn)工作面,掘進(jìn)工作面在迎頭(易發(fā)生沖擊性冒頂)及后方(漸進(jìn)性蠕變型沖擊)均存在沖擊危險(xiǎn),掘進(jìn)迎頭主要以大直徑鉆孔卸壓為主,掘進(jìn)后方采取卸壓措施后仍需對(duì)圍巖應(yīng)力和震動(dòng)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),進(jìn)而對(duì)掘進(jìn)巷道沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。因此,提出了對(duì)巷道開(kāi)挖后周圍圍巖應(yīng)力變化情況、支護(hù)錨桿(索)載荷變化情況以及圍巖震動(dòng)情況等進(jìn)行綜合預(yù)警。
KJ615 型煤礦沖擊地壓無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在掘進(jìn)工作面沖擊地壓發(fā)生機(jī)理的基礎(chǔ)上提出的。該系統(tǒng)基于以太網(wǎng)、無(wú)線傳輸、光纖傳輸技術(shù),建立掘進(jìn)工作面多參量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能預(yù)警和分析平臺(tái),對(duì)工作面地音信號(hào)、煤巖體應(yīng)力、錨桿錨索應(yīng)力等多參量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面沖擊危險(xiǎn)性的綜合預(yù)警。
依據(jù)圍巖應(yīng)力與支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的耦合信息,可劃分三個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域:
1)迎頭區(qū):塑性變形區(qū),掘進(jìn)頭前方15m 到后方10m,約25m 范圍。
2)后動(dòng)壓區(qū):塑性變形區(qū),掘進(jìn)頭后方10m 到后方60m,約50m 范圍。
3)監(jiān)測(cè)參量:圍巖破裂場(chǎng)(震動(dòng))、應(yīng)力場(chǎng)、支護(hù)力;
4)監(jiān)測(cè)目標(biāo):掘進(jìn)擾動(dòng)后圍巖塑性變形對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)的破壞程度(破裂場(chǎng)),側(cè)向支承壓力變化趨勢(shì)及危險(xiǎn)程度(應(yīng)力場(chǎng)),支護(hù)的有效性及其穩(wěn)定性(支護(hù)力)。
5)高應(yīng)力蠕變區(qū):塑性平衡區(qū),掘進(jìn)頭后方60m到后方260m,約200m 范圍。
6)監(jiān)測(cè)參量:圍巖破裂場(chǎng)(震動(dòng))、應(yīng)力場(chǎng)、支護(hù)力
7)監(jiān)測(cè)目標(biāo):圍巖結(jié)構(gòu)與支護(hù)結(jié)構(gòu)耦合作用后,在應(yīng)力環(huán)境下是否發(fā)生高應(yīng)力蠕變,蠕變后的側(cè)向支承壓力變化趨勢(shì)及危險(xiǎn)程度(應(yīng)力場(chǎng)),支護(hù)力的有效性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)(支護(hù)力)。
圖4 掘進(jìn)巷道監(jiān)測(cè)區(qū)域剖面圖
2.3.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警布置
煤礦沖擊地壓無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從硬件上分為地音模塊、無(wú)線應(yīng)力模塊、支護(hù)應(yīng)力模塊三個(gè)子系統(tǒng)。
1)應(yīng)力監(jiān)測(cè)布置方案。應(yīng)力測(cè)點(diǎn)間距為25±5m/組,布置在巷道上幫,監(jiān)測(cè)范圍為迎頭向后200m 范圍內(nèi),沿煤層傾角施工,鉆孔終孔位置位于煤層中。隨著掘進(jìn)工作面向前推進(jìn),應(yīng)力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行移組,推進(jìn)25±5m 后,重新施工一組,實(shí)現(xiàn)循環(huán)監(jiān)測(cè)(根據(jù)工作面掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)際情況,測(cè)點(diǎn)間距可進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,測(cè)點(diǎn)間距控制在15~25m±5m。應(yīng)力計(jì)安裝深度深孔為14m,淺孔為8m。
圖5 巷道應(yīng)力計(jì)布置剖面圖
2)地音監(jiān)測(cè)布置方案。共布置6 個(gè)地音測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)間距50m,最前方測(cè)點(diǎn)距迎頭不應(yīng)超過(guò)50m。監(jiān)測(cè)范圍為迎頭向后300m 范圍,測(cè)點(diǎn)布置在巷道頂板位置。3)錨桿(索)監(jiān)測(cè)布置方案
共布置6 個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)站間距50m,最前方測(cè)點(diǎn)距迎頭不應(yīng)超過(guò)50m。監(jiān)測(cè)范圍為迎頭向后300m 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),使用支護(hù)錨桿(索)或重新施工。
以往開(kāi)采期間因沖擊地壓災(zāi)害頻發(fā)導(dǎo)致全礦采掘工程停工停產(chǎn),通過(guò)應(yīng)用特厚煤層開(kāi)采沖擊地壓防治技術(shù),合理設(shè)計(jì)采掘布局和生產(chǎn)接續(xù),編制防沖規(guī)劃、防沖設(shè)計(jì)等,有針對(duì)性開(kāi)展監(jiān)測(cè)預(yù)警與卸壓解危,應(yīng)用掘進(jìn)工作面沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)等沖擊地壓防治裝備,對(duì)沖擊地壓災(zāi)害進(jìn)行了有效治理,實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。
安全采出受沖擊地壓威脅的煤炭132 萬(wàn)t,按照噸煤平均售價(jià)135 元/t,噸煤平均成本113 元/t 計(jì)算。132 萬(wàn)t×135 元/t=17 820 萬(wàn)元,新增利潤(rùn):132萬(wàn)t×(135-113)元/t×83%=2 410 萬(wàn)元;新增稅收:132 萬(wàn)t×(135-113)元/t×17%=494 萬(wàn)元。
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施構(gòu)建了煤礦開(kāi)采沖擊地壓防治“七模塊”技術(shù)體系,通過(guò)實(shí)施涵蓋“分類、評(píng)價(jià)、解危、監(jiān)測(cè)、檢驗(yàn)、支護(hù)、管理”的“七模塊”防沖技術(shù)體系,提高了煤礦沖擊地壓防治的針對(duì)性,實(shí)現(xiàn)了沖擊地壓的分類分治,有效解決了巨厚硬巖地層、巨厚表土地層、條帶開(kāi)采、孤島開(kāi)采和巨厚復(fù)合煤層開(kāi)采等復(fù)雜開(kāi)采條件下的防沖難題。