昝軍才 陳跟馬 高永剛 賈增林 盧 科

(1.陜西彬長小莊礦業(yè)有限公司，陜西省咸陽市，713508；2.天地科技股份有限公司開采設(shè)計事業(yè)部，北京市朝陽區(qū)，100013)

沖擊地壓本質(zhì)上是由于開采及地質(zhì)條件下煤巖體應(yīng)力的過度集中所引起，因此，對煤巖體應(yīng)力分布的研究是評價沖擊危險性的基礎(chǔ)。目前，礦壓監(jiān)測方法主要有巖石力學(xué)方法和地球物理學(xué)方法，前者現(xiàn)場常用的包括鉆屑法和煤體應(yīng)力監(jiān)測法，后者有微震法、聲發(fā)射法和電磁輻射法等。近年來，隨著物探技術(shù)的快速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，利用地震CT探測技術(shù)探明沖擊危險源分布特征及危險程度已較為普遍。

本文基于震波CT探測技術(shù)，進(jìn)行小莊煤礦40204工作面的沖擊危險性評價，探明了小莊煤礦40204工作面沖擊危險性區(qū)域，劃分危險等級，并分析了導(dǎo)致沖擊危險性升高的原因。根據(jù)探測結(jié)果，有重點(diǎn)地開展煤層爆破卸壓措施，提升了沖擊地壓防治效率與效果。

1 地震CT探測技術(shù)

1.1 基本原理

地震CT(地震波層析成像技術(shù))主要根據(jù)地震波走時或地震波場觀測數(shù)據(jù)對地球介質(zhì)進(jìn)行反演，獲取探測區(qū)域內(nèi)部介質(zhì)的波速或衰減系數(shù)等，依據(jù)一定的物理和數(shù)學(xué)關(guān)系反演物體內(nèi)部物理量的分布，最后得到清晰的、不重疊的分布圖形，從而識別探測區(qū)域內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)把介質(zhì)劃分為一系列小矩形網(wǎng)格時，可以通過一個高頻近似走時成像的公式表示：

(1)

式中：ti——第i條射線的觀測走時，ms；

sj——第j個網(wǎng)格的慢度，ms/m；

dij——第j條射線在第i個網(wǎng)格中的射線路徑長度，m。

1.2 探測設(shè)備

探測設(shè)備為波蘭引進(jìn)的24通道PASAT-M型便攜式微震探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、施工方便等特點(diǎn)。配備的檢波器運(yùn)用壓電式原理，具備精度高、響應(yīng)頻譜寬(5～10000 Hz)等優(yōu)點(diǎn)，有效避免了因響應(yīng)頻率過窄而造成的震波數(shù)據(jù)丟失問題。

1.3 數(shù)據(jù)處理

在震動波傳播過程中，傳播方向上的應(yīng)力、質(zhì)點(diǎn)速度和波速間的關(guān)系如下所示：

式中：σ——縱波作用產(chǎn)生的正應(yīng)力，MPa；

τ——橫波作用產(chǎn)生的剪應(yīng)力，MPa；

ρ——介質(zhì)密度，kg/m3；

νp、νs——縱、橫波引起的質(zhì)點(diǎn)震動速度，m/s；

VP、Vs——縱、橫波波速，m/s。

對于探測范圍內(nèi)的煤巖體，波速相對較高區(qū)域一般分布于致密完整的煤巖體處、應(yīng)力集中以及煤層變薄區(qū)域；波速較低區(qū)域主要分布在破碎煤巖體處、應(yīng)力松弛區(qū)。也就是說，對探測范圍內(nèi)的煤巖層，若內(nèi)部無異常區(qū)域，地震波的傳播速度應(yīng)是近似均勻的，只有當(dāng)有應(yīng)力異?；虻刭|(zhì)結(jié)構(gòu)存在時，該區(qū)域?qū)⒃诜囱萁Y(jié)果中表現(xiàn)出波速的異常。

2 探測區(qū)域概況

40204工作面位于小莊礦二盤區(qū)，東西走向布置，南鄰40203工作面采空區(qū)，北面為實(shí)體煤。工作面走向長1801 m，寬195 m，面積351195.5 m2，煤層埋深約為520～690 m。該工作面主采4#煤層，區(qū)域內(nèi)煤層賦存較為穩(wěn)定，厚度為21～23.5 m，煤層北厚南薄。老頂為粗砂巖、含礫粗砂巖，厚約7～8 m，厚層狀，屬半堅硬類較穩(wěn)定型。直接頂主要為黑色砂質(zhì)泥巖，厚約8 m。直接底主要為泥巖，致密塊狀，厚度約3～4 m。該工作面煤層產(chǎn)狀呈單斜構(gòu)造，工作面內(nèi)地層產(chǎn)狀較為穩(wěn)定，傾向近北方向，傾角約3°～4°。

3 實(shí)際探測系統(tǒng)布置

綜合考慮二盤區(qū)40204工作面動力顯現(xiàn)區(qū)域分布情況及周圍開采環(huán)境，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況和設(shè)備探測能力，將40204工作面分為4個區(qū)域進(jìn)行探測，每個區(qū)域的探測長度約為408 m，已完成1#、2#和3#區(qū)域的探測。在這3個區(qū)域共計實(shí)施激發(fā)震源223炮，獲得震波數(shù)據(jù)4743道?；仫L(fēng)巷探測范圍約為1258 m，運(yùn)輸巷探測范圍約1219 m，探測面積約241455 m2。試驗(yàn)過程中設(shè)定采樣頻率為2000 Hz，檢波器工作頻段5～10000 Hz，增益40 dB，采樣間隔為0.6 s，激發(fā)孔每孔200 g炸藥，短斷觸發(fā)。40204工作面探測區(qū)域?qū)嶋H觀測系統(tǒng)布置及射線模擬如圖1和圖2所示。

圖1 40204工作面探測區(qū)域?qū)嶋H觀測系統(tǒng)布置圖

圖2 40204工作面探測區(qū)域射線模擬效果圖

4 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價

40204工作面1#探測區(qū)域部分實(shí)測地震波形數(shù)據(jù)如圖3所示。從波形上看，同相軸連續(xù)性較好，波形數(shù)據(jù)初至位置明顯，基本滿足拾取初至波的要求。

圖3 1#探測區(qū)域部分地震波形數(shù)據(jù)(1-115道)

40204工作面1#探測區(qū)域震波數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖見圖4，從圖4中可以看出，散點(diǎn)擬合度高，可決系數(shù)達(dá)到0.9864。表明整體上煤巖體完整性高，頂?shù)装蹇v波平均波速約為3.17 m/ms。

圖4 40204工作面1#探測區(qū)域震波數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖

5 工作面探測區(qū)域沖擊危險性分析

5.1 煤巖層沖擊危險區(qū)域劃定

40204工作面探測區(qū)域沖擊危險性指數(shù)分布圖見圖5，圖中以藍(lán)色到紅色從小到大來代表探測區(qū)域內(nèi)沖擊危險性指數(shù)，區(qū)域內(nèi)最大值為0.75，最小值為0。從圖中可見測區(qū)內(nèi)的煤巖體總體上處于弱沖擊危險等級。

根據(jù)圖5沖擊危險性指數(shù)分布情況劃分40204工作面探測區(qū)域煤巖層沖擊危險區(qū)域，結(jié)果如圖6所示，分別用紅色、橙色、黃色陰影線表示具有強(qiáng)、中等、弱沖擊危險的區(qū)域，并標(biāo)出走向尺寸。

5.2 巷道沖擊危險劃定

40204工作面沖擊危險區(qū)域及危險等級的判定是沖擊地壓危險性評價的重點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場探測煤巖體沖擊危險區(qū)域分布情況及其與巷幫間的距離，劃定了40204工作面探測區(qū)域巷道沖擊危險區(qū)域，如圖7所示，沖擊危險等級劃分為：ⅲ-1、ⅲ-2、ⅲ-3、ⅲ-4為中等，ⅱ-1、ⅱ-2、ⅱ-3、ⅱ-4、ⅱ-5、ⅱ-6、ⅱ-7、ⅱ-8、ⅱ-9為弱。

40204運(yùn)輸巷無強(qiáng)沖擊危險區(qū)域；中等沖擊危險區(qū)域有3處，位置為距工作面0～52 m范圍、433～495 m范圍、1128～1172 m范圍；弱沖擊危險區(qū)域有3處，位置為距工作面52～238 m、332～433 m、1003～1102 m范圍。

40204工作面無強(qiáng)沖擊危險區(qū)域；中等沖擊危險區(qū)域有1處，位置為距膠帶巷端頭0～88 m范圍；無弱沖擊危險區(qū)域。

40204回風(fēng)巷無強(qiáng)沖擊危險區(qū)域；無中等沖擊危險區(qū)域；弱沖擊危險區(qū)域有6處，位置分別為距工作面0～59 m、92～141 m、200～255 m、268～359 m、657～676 m、862～908 m范圍。

5.3 沖擊危險區(qū)域形成原因分析

40204工作面沖擊危險區(qū)域多分布于運(yùn)輸巷一側(cè)。在相鄰40203工作面回采后局部采空區(qū)上部存在懸頂，在采空區(qū)外側(cè)形成支承壓力區(qū)，28.6 m寬的階段煤柱的留設(shè)使得40204運(yùn)輸巷處于側(cè)向支承壓力的影響，導(dǎo)致其應(yīng)力水平有所升高。但由于不同區(qū)域40203工作面采空區(qū)上頂板垮落情況不同，所以危險程度有所差異。探測期間，40204工作面剛好回采至40203工作面采空區(qū)切眼“拐角”煤柱附近，受“拐角”煤柱和工作面超前支承壓力的疊加影響，40204運(yùn)輸巷前方52 m具有中等沖擊危險，且沖擊危險性強(qiáng)于回風(fēng)巷的工作面超前區(qū)域。隨著工作面推進(jìn)將會不斷前移，當(dāng)與其他沖擊危險區(qū)域重疊時，沖擊危險性將進(jìn)一步升高。但40204工作面回采進(jìn)入至40203采空區(qū)后，無“拐角煤柱”的影響運(yùn)輸巷的沖擊危險性則會有所降低。

圖5 40204工作面探測區(qū)域沖擊危險性指數(shù)分布圖

圖6 40204工作面探測區(qū)域煤巖沖擊危險區(qū)范圍

圖7 40204工作面探測區(qū)域巷道沖擊危險區(qū)范圍

6 卸壓措施

依據(jù)地震CT探測結(jié)果，有針對性地在沖擊危險程度不同的區(qū)域內(nèi)開展卸壓工程，在40204工作面運(yùn)輸巷兩幫采取爆破卸壓措施，爆破卸壓措施示意圖見圖8。其中，炮孔間距3 m，孔深12 m，裝藥4 kg。為保證施工安全，幫部卸壓區(qū)域超前工作面300 m以上。

在沖擊危險性強(qiáng)的區(qū)域，通過加大爆破鉆孔密度、深度以及增加藥量達(dá)到預(yù)期效果。因此不僅減少了施工量，而且卸壓效果更為顯著。目前該工作面已經(jīng)順利回采800 m。

圖8 爆破卸壓措施示意圖

7 結(jié)論

(1)基于沖擊危險性評價模型判斷得出，在探測期間，40204工作面探測區(qū)域內(nèi)的煤巖層總體處于弱沖擊危險等級。

(2)40204運(yùn)輸巷無強(qiáng)沖擊危險區(qū)域，中等沖擊危險區(qū)域有3處，弱沖擊危險區(qū)域有3處。40204工作面無強(qiáng)沖擊危險區(qū)域，中等沖擊危險區(qū)域有1處，無弱沖擊危險區(qū)域。40204回風(fēng)巷無強(qiáng)沖擊危險區(qū)域，無中等沖擊危險區(qū)域，弱沖擊危險區(qū)域有6處。

(3) 由于受到40203工作面回風(fēng)巷一側(cè)28.6 m寬階段煤柱及其上部堅硬老頂?shù)挠绊?，?dǎo)致40204工作面沖擊危險區(qū)域多分布于運(yùn)輸巷一側(cè)，而回風(fēng)巷側(cè)沖擊危險區(qū)域的面積要小得多。

(4)采空區(qū)側(cè)向支承壓力、工作面超前支承壓力以及相鄰采空區(qū)切眼附近“拐角”煤柱的影響是40204工作面沖擊危險性升高的主要原因。隨著工作面的推進(jìn)，超前支撐壓力區(qū)遷移與其他沖擊危險區(qū)域疊加，將加重沖擊危險程度。根據(jù)探測結(jié)果有重點(diǎn)地開展卸壓措施，提升了沖擊地壓防治效率與效果。