綜放工作面過單面見方?jīng)_擊危險(xiǎn)性多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警分析

蒲志強(qiáng)，崔廣永

（陜西長(zhǎng)武亭南煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 713602）

工作面見方垮落一般是指當(dāng)工作面的推進(jìn)距離和采空區(qū)寬度大致相等時(shí)，采空區(qū)上覆巖層的初次整體垮落。通常認(rèn)為，見方垮落時(shí)頂板運(yùn)動(dòng)劇烈，易導(dǎo)致采掘巷道礦壓顯現(xiàn)異常，甚至誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害。因此，對(duì)沖擊地壓工作面進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分時(shí)，往往將見方區(qū)域劃定為潛在危險(xiǎn)區(qū)[1-4]。

目前很多學(xué)者針對(duì)見方進(jìn)行了研究，李國(guó)營(yíng)等[5]分析了堅(jiān)硬頂板工作面采空區(qū)見方階段動(dòng)壓顯現(xiàn)規(guī)律；張翔等[6]研究分析了巨厚砂巖層組綜采工作面進(jìn)入見方階段時(shí)礦壓顯現(xiàn)機(jī)理；王朝引等[7]研究了厚煤層綜采工作面進(jìn)入雙工作面見方時(shí)的礦壓分布規(guī)律，提出了“四位一體”分區(qū)控制超前支護(hù)技術(shù)；張鋒等[8]根據(jù)綜放工作面過單面見方危險(xiǎn)區(qū)域優(yōu)化了“單面見方”區(qū)域內(nèi)堅(jiān)硬頂板防治沖擊的設(shè)計(jì)；張亮等[9]分析了淺埋長(zhǎng)工作面非堅(jiān)硬頂板見方強(qiáng)來壓機(jī)理；譚云亮等[10]進(jìn)行了頂板見方來壓發(fā)生條件的分析研究；郭曉朋[11]對(duì)深井孤島工作面不同采動(dòng)階段如見方段的沖擊地壓進(jìn)行了預(yù)測(cè)并提出了防治措施；王書文等[12]研究了采空區(qū)頂板見方垮落的覆巖空間結(jié)構(gòu)特征及形成條件；孔令海等[13]進(jìn)行了長(zhǎng)壁工作面采空區(qū)見方形成異常來壓的微震監(jiān)測(cè)的研究；張成武等[14]針對(duì)西部礦區(qū)首采工作面見方期間覆巖破斷誘發(fā)動(dòng)壓?jiǎn)栴}，利用理論分析方法，通過分析見方區(qū)域主控巖層破斷概率及見方破斷形成的動(dòng)壓力, 研究了不同寬度工作面見方區(qū)域發(fā)生動(dòng)壓的風(fēng)險(xiǎn)；王立峰等[15]研究了采空區(qū)頂板見方垮落誘發(fā)工作面CO 氣體異常涌出的原因；李東等[16]研究了深井、厚表土、厚基巖特厚煤層工作面推進(jìn)至見方位置時(shí)的致災(zāi)機(jī)理與安全開采技術(shù)；李帥等[17]采用數(shù)值模擬的方法模擬工作面回采至一次“見方”、二次“見方”期間采場(chǎng)和巷道的應(yīng)力分布情況，分析認(rèn)為，加強(qiáng)“見方”階段工作面礦壓觀測(cè)、圍巖控制和解危卸壓措施，可以大大降低動(dòng)力事故的危害；宋大釗等[18]研究了基于震動(dòng)波計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)等解決煤與瓦斯突出礦井缺乏區(qū)域性在線探測(cè)預(yù)警技術(shù)問題；郝憲杰、馮夏庭等[19]基于電鏡掃描實(shí)驗(yàn)對(duì)柱狀節(jié)理隧洞卸荷破壞機(jī)制進(jìn)行了研究；郝憲杰、袁亮等[20]對(duì)于煤巷開挖時(shí)瞬間圍巖即出現(xiàn)異常的、較大的彈性變形行為,難以用胡克定律解釋，通過考慮煤體非線性彈性力學(xué)行為的彈塑性本構(gòu)模型對(duì)煤體破壞進(jìn)行了探究；郝憲杰、袁亮、郭延定等[21]針對(duì)現(xiàn)有基于壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線峰后跌落斜率指標(biāo)無法區(qū)分直線式、弧線式、臺(tái)階式跌落的缺點(diǎn)，提出基于能量非穩(wěn)態(tài)釋放理論的硬煤脆性度指標(biāo)。

綜上可以看出，目前對(duì)于工作面見方所引起的沖擊危險(xiǎn)性的研究具有了一定成果，但大多數(shù)研究都是基于單一條件或監(jiān)測(cè)手段下進(jìn)行的。為此基于綜放工作面過單面見方?jīng)_擊危險(xiǎn)性進(jìn)行了包括微震、礦壓、應(yīng)力、CT 等的多參量監(jiān)測(cè)預(yù)警研究。

1 綜放工作面過見方多參量監(jiān)測(cè)

307 工作面是亭南煤業(yè)三盤區(qū)第7 個(gè)工作面，位于三盤區(qū)西翼。其中307 回風(fēng)巷北側(cè)為305 工作面采空區(qū)，南側(cè)和西側(cè)尚未被開采。307 工作面推進(jìn)長(zhǎng)度為1 571 m，工作面長(zhǎng)度為200～222 m，煤層厚度為4.7～11.7 m，平均8.2 m，煤層傾角4°，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

1.1 307 工作面過見方微震監(jiān)測(cè)結(jié)果

微震事件數(shù)統(tǒng)計(jì)圖如圖1，微震事件能量統(tǒng)計(jì)圖如圖2，微震事件數(shù)與能量對(duì)比圖如圖3。

圖1 微震事件數(shù)統(tǒng)計(jì)圖Fig.1 Statistics of microseismic events

圖2 微震事件能量統(tǒng)計(jì)圖Fig.2 Energy statistics of microseismic events

由圖1～圖3 可以看出，307 工作面在接近見方位置時(shí)頂板受到擾動(dòng)影響，頂板發(fā)生微破斷，微震監(jiān)測(cè)表現(xiàn)為微震事件數(shù)和能量迅速增加；由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得知微震事件數(shù)和能量均在3 月21—24 日達(dá)到最大值，最大值分別為104 個(gè)和3.19×104J，遠(yuǎn)超于平均事件數(shù)46 個(gè)和平均能量1.27×104J。工作面在推進(jìn)至工作面見方位置后，微震事件數(shù)和能量恢復(fù)到平均水平。根據(jù)微震事件數(shù)和能量統(tǒng)計(jì)情況可以得出微震監(jiān)測(cè)可以在工作面見方前3～6 d 事件數(shù)和能量數(shù)均增大。

圖3 微震事件數(shù)與能量對(duì)比圖Fig.3 Comparison of the number of microseismic events and energy

為方便分析微震事件空間分布情況，現(xiàn)采用每10 d 數(shù)據(jù)繪制微震事件空間分布圖，典型的微震事件空間分布圖如圖4。

圖4 典型的微震事件空間分布圖Fig.4 Typical spatial distribution map of microseismic events

由圖4 可以看出，3 月1—10 日微震事件數(shù)較少并且圖中黃色球比例較高，綠色球比例次之，表示在該段時(shí)間內(nèi)微震事件多以小能量事件為主，并且事件數(shù)量較少；3 月11—31 日期間，微震事件數(shù)分布較為密集，并且綠色球數(shù)量比例比較大，黃色球次之，并伴有少量藍(lán)色球，表明在該段時(shí)間內(nèi)工作面接近見方位置微震事件急劇增加，并且大能量事件比例明顯提高；4 月1—10 日微震事件數(shù)量開始明顯減少，并且綠色球所占比例小于3 月所占比例，黃色球所占比例明顯增加。由空間分布情況可以看出微震事件沿工作面呈線性分布，并在回風(fēng)巷處密集分布，并且在工作面靠近見方位置時(shí)，大能量事件沿工作面均勻分布，表明工作面見方導(dǎo)致沿工作面方向頂板來壓明顯，并且305 采空區(qū)的存在加劇了回風(fēng)巷頂板壓力的影響。

1.2 307 工作面過見方礦壓變化規(guī)律

工作面支架壓力監(jiān)測(cè)采用分區(qū)抽取固定支架監(jiān)測(cè)其壓力變化情況，307 工作面支架按照編號(hào)順序分為上、中、下3 部分，在上部采取24#、46#支架數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)來源；中部采取56#、96#支架數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)來源；下部采取106#、126#支架數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)來源。

307 工作面3 月27—29 日推進(jìn)至單面見方位置，工作面支架的工作阻力呈現(xiàn)比較明顯的變化，上部的支架工作阻力在回采鄰近見方位置的時(shí)間段內(nèi)，支架工作阻力的平均工作阻力的變化和未在鄰近見方位置的區(qū)域內(nèi)有所增大，支架的見方區(qū)域內(nèi)來壓期間平均工作阻力在30～36 MPa, 非來壓期間平均工作阻力在21～30 MPa，在非見方區(qū)域內(nèi)來壓期間的工作阻力在26～33 MPa，非來壓期間的工作阻力在回采期間的平均工作阻力在21～24 MPa，在鄰近見方位置的時(shí)間段內(nèi)回采時(shí)，中部支架的工作阻力同樣存在比較明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，支架的見方區(qū)域內(nèi)來壓期間平均工作阻力在31～33 MPa, 非來壓期間平均工作阻力在21～28 MPa，在非見方區(qū)域內(nèi)來壓期間的工作阻力在28～31 MPa，非來壓期間的工作阻力在回采期間工作阻力在22～28 MPa，工作面在回采鄰近見方位置時(shí)，支架的工作阻力呈現(xiàn)比較明顯的增大趨勢(shì)，由于回風(fēng)巷采用沿空掘巷的方式，致使工作面回采時(shí)，下部的支架工作阻力變化會(huì)比較大，且變化的形式比較明顯，在臨近見方時(shí)工作面的平均工作阻力在24～29 MPa，非來壓期間平均工作阻力大致在22～26 MPa，在非見方區(qū)域內(nèi)來壓期間的工作阻力在23～27 MPa，非來壓期間的工作阻力在回采期間在21～26 MPa。綜上可見，見方期間來壓工作阻力和非來壓工作阻力均大于非來壓期間。在工作面的支架工作阻力顯著變化的時(shí)候，應(yīng)該注意監(jiān)測(cè)和防控，在支架工作阻力變化比較明顯的區(qū)域內(nèi)回采時(shí)要能夠及時(shí)地預(yù)防沖擊破壞。

與微震監(jiān)測(cè)相比，礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)滯后一些，微震數(shù)據(jù)在工作面接近見方位置前3～6 d 微震數(shù)據(jù)就開始出現(xiàn)顯著的增大過程，但礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示當(dāng)工作面接近見方位置時(shí)才開始出現(xiàn)壓力增大的情況。

1.3 307 工作面過見方應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果

工作面見方會(huì)造成應(yīng)力集中，增加發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害的可能性。在亭南煤礦307 工作面回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷均布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，307 工作面應(yīng)力監(jiān)測(cè)布置情況如圖5。

圖5 307 工作面應(yīng)力監(jiān)測(cè)布置圖Fig.5 307 working face stress monitoring layout drawing

采集工作面見方位置附近7#、113#、114#監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)，構(gòu)建應(yīng)力曲線，對(duì)比分析見方前后應(yīng)力變化規(guī)律。307 工作面過見方前后應(yīng)力曲線對(duì)比圖如圖6。

圖6 307 工作面過見方前后應(yīng)力曲線對(duì)比圖Fig.6 Comparison of stress curves before and after 307 working face

由圖6 可以看出，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力在非采動(dòng)期內(nèi)均處于緩慢上升的狀態(tài)，應(yīng)力值處于4.5～7 MPa，差值不大；隨工作面推進(jìn)，巷道礦壓會(huì)經(jīng)歷應(yīng)力反復(fù)擾動(dòng)，呈現(xiàn)結(jié)果為觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值周期性增大及減?。划?dāng)工作面推進(jìn)至觀測(cè)點(diǎn)后方15 m 左右時(shí)應(yīng)力值會(huì)達(dá)到峰值，然后隨工作面繼續(xù)推進(jìn)而快速減小；見方位置礦壓顯現(xiàn)程度明顯強(qiáng)于非見方位置，前者觀測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力峰值約為14 MPa，峰值周期持續(xù)時(shí)間約為13 d；后者觀測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力峰值約為8 MPa，峰值周期持續(xù)時(shí)間約為7 d。可見超前支承應(yīng)力在見方前也會(huì)增大，并且其值大于一般采動(dòng)影響，可作為監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)之一。

1.4 307 工作面過見方CT 監(jiān)測(cè)結(jié)果

采用波蘭EMAG 公司PASAT-M 型便攜式微震探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)307 工作面見方位置附近進(jìn)行CT 掃描，由于CT 探測(cè)為超前探測(cè)，若要對(duì)比分析見方對(duì)于307 工作面發(fā)生沖擊危險(xiǎn)事故所造成的影響可以將見方前后的CT 探測(cè)圖拿來進(jìn)行對(duì)比。見方位置處的沖擊地壓危險(xiǎn)性指數(shù)C 的值為0～0.25。當(dāng)工作面接近一次見方位置后，沖擊危險(xiǎn)程度上升。沖擊地壓危險(xiǎn)性指數(shù)C 的值為0.5～0.75。

對(duì)比2 次的探測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，見方對(duì)于工作面的沖擊危險(xiǎn)性具有較大影響。經(jīng)過一次見方后，由于受到見方影響，一次見方位置附近的沖擊地壓危險(xiǎn)性指數(shù)C 的值為見方前的2～3 倍，沖擊危險(xiǎn)程度也由顯著上升。因此，當(dāng)工作面推進(jìn)到見方位置時(shí)要注意工作面的來壓情況，進(jìn)行及時(shí)的支護(hù)和卸壓措施，避免發(fā)生沖擊地壓事故。

2工作面見方“力—震動(dòng)—能量”監(jiān)測(cè)體系

一次見方階段微震監(jiān)測(cè)、礦壓監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)對(duì)比圖如圖7。

由圖7 可以看出，礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)于接近見方工作面時(shí)，工作面上部支架工作阻力連續(xù)2～3 d 出現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)，隨后恢復(fù)正常水平，即說明第1 次見方時(shí)間在3 月27—29 日；測(cè)點(diǎn)7#應(yīng)力監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示在接近工作面見方處8 d 時(shí)，測(cè)點(diǎn)7#應(yīng)力開始出明顯上升，在隨后的2 d 內(nèi)達(dá)到峰值后迅速開始下降，整個(gè)過程約持續(xù)8 d；微震事件和微震能量統(tǒng)計(jì)圖于接近見方位置前6 d 開始出現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，持續(xù)6 d 后下降到正常水平。

圖7 一次見方階段微震監(jiān)測(cè)、礦壓監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)對(duì)比圖Fig.7 Comparison diagrams of microseismic monitoring, mine pressure monitoring and stress monitoring in the first square stage

在逐漸接近工作面見方位置的過程中，由于力的傳導(dǎo)最快且最容易被檢測(cè)到，應(yīng)力監(jiān)測(cè)最先出現(xiàn)明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)且持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)；在應(yīng)力集中、傳導(dǎo)以及圍巖沖擊傾向性的共同作用下，巖體開始出現(xiàn)微破裂，微震監(jiān)測(cè)出現(xiàn)增長(zhǎng)變化；最終當(dāng)工作面接近見方位置時(shí)，工作面礦壓監(jiān)測(cè)開始出現(xiàn)增長(zhǎng)變化，且持續(xù)時(shí)間最短。由此可以看出工作面見方事件是連續(xù)性事件，由開挖到發(fā)生見方的過程可以被監(jiān)測(cè)。

綜上所述，為進(jìn)行工作面過單面見方探測(cè)，可以同時(shí)采取以上3 種監(jiān)測(cè)手段，重點(diǎn)監(jiān)視應(yīng)力監(jiān)測(cè)和微震監(jiān)測(cè)，同時(shí)結(jié)合工作面礦壓檢測(cè)，為工作面過單面見方事件進(jìn)行預(yù)測(cè)，綜合以上方法，形成工作面見方“力—震動(dòng)—能量”監(jiān)測(cè)體系，對(duì)工作面過單面見方事件進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析、評(píng)估，規(guī)避可能發(fā)生的危險(xiǎn)，保障工作面開挖安全。

3 結(jié) 語

1）307 工作面一次見方時(shí)，微震事件數(shù)和能量均在工作面見方前3～6 d 事件數(shù)和能量數(shù)顯著增大，可用于預(yù)警工作面見方壓力。

2）見方期間來壓工作阻力和非來壓工作阻力均大于非見方期間。礦壓數(shù)據(jù)在工作面接近見方位置時(shí)才開始出現(xiàn)顯著的增大過程。

3）超前支承應(yīng)力在見方前也會(huì)增大，并且其值大于一般采動(dòng)的影響，可作為監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)之一?；贑T 觀測(cè)的見方位置附近的沖擊地壓危險(xiǎn)性指數(shù)C 的值為見方前的2～3 倍，也可作為監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)之一。

4）微震事件沿工作面呈線性分布，并在回風(fēng)巷處密集分布，并且在工作面靠近見方位置時(shí)，大能量事件沿工作面均勻分布，鄰近采空區(qū)的存在加劇了回風(fēng)巷頂板壓力的影響

5）在工作面接近見方位置的過程中，應(yīng)力監(jiān)測(cè)最先發(fā)生變化，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，敏感度最高，其次是微震監(jiān)測(cè)，礦壓檢測(cè)變化最晚，持續(xù)時(shí)間最短。因此工作面見方的發(fā)生可以采用“力—震動(dòng)—能量”監(jiān)測(cè)體系進(jìn)行預(yù)測(cè)、分析、評(píng)估。