姜希印，陶維國

(兗州煤業(yè)股份有限公司 濟寧二號煤礦， 山東 濟寧 272072)

0 引言

沖擊地壓會引起圍巖突然外移、彈射、破壞或堵塞巷道，造成人員傷亡，破壞通風系統(tǒng)，且破壞范圍可達數(shù)米或數(shù)百米，近年來煤礦沖擊地壓破壞巷道最長達到了600 m。目前，我國煤炭開采深度以每年8～12 m的速度增加，東部礦井的增加速度達到每年10～25 m，絕大部分國有重點煤礦已進入深部開采(部分達到1 000 m以上采深)。隨著采深不斷加大，地應(yīng)力不斷增大，采場結(jié)構(gòu)越來越復雜，采掘工作面沖擊地壓災害頻次、強度和破壞程度均呈上升趨勢[1-2]。因此，對沖擊地壓進行監(jiān)測顯得尤為重要。

沖擊地壓孕育(演化)過程中的應(yīng)力監(jiān)測可以通過鉆屑量、巷道變形量和采動應(yīng)力的直接測量實現(xiàn)，能量監(jiān)測可以通過微震、電磁輻射和聲發(fā)射等地球物理的非接觸式測試實現(xiàn)。文獻[3-4]介紹了采動應(yīng)力及微震監(jiān)測系統(tǒng)，通過對微震事件及能量的動態(tài)分析確定預警區(qū)域，利用鉆孔應(yīng)力值確定危險程度。文獻[5]通過建立礦震發(fā)生的三維激震模型，對礦震的定位進行計算，揭示礦震的機理。文獻[6]認為構(gòu)造型沖擊地壓發(fā)生前，微地震事件持續(xù)在斷層兩側(cè)出現(xiàn)，不再向掘進工作面前方遷移，具有明顯的分區(qū)性，表明斷層開始大量積聚應(yīng)力。文獻[7]認為沖擊地壓發(fā)生前，微地震事件活躍，其震動總能量、最大能量和頻次均較高，信號呈現(xiàn)低頻、低振幅的特征。文獻[8]優(yōu)選了b值、η值、Mm值、A(b)值和P(b)值5個指標作為沖擊地壓危險的微震預測指標。文獻[9-15]對煤巖電磁輻射的產(chǎn)生機理、特征、規(guī)律及傳播特性等進行了持續(xù)的深入研究，提出了電磁輻射預測沖擊地壓等煤巖動力災害的原理及預報方法，研制出了煤巖電磁輻射監(jiān)測裝備及系統(tǒng)，并在多個煤礦應(yīng)用，用于沖擊地壓、煤與瓦斯突出等災害的監(jiān)測及預報。以上研究及實踐推動了我國沖擊地壓監(jiān)測及預警研究的發(fā)展，目前我國沖擊地壓災害嚴重的礦井幾乎均采用了微震、采動應(yīng)力、鉆屑量、電磁輻射等方法和手段，以提高沖擊地壓危險預警的準確率[16]。但上述沖擊危險性監(jiān)測方法均是采用單一指標進行沖擊危險性預警，存在較大的預警誤差，無法全面反映采掘過程中的沖擊危險性?；诖耍疚囊詽鷮幎柮旱V93下05工作面(孤島工作面)為研究對象，采用鉆屑量、微震、鉆孔應(yīng)力等礦壓顯現(xiàn)指標開展孤島工作面沖擊地壓多指標監(jiān)測及危險性區(qū)域劃分，根據(jù)危險性區(qū)域劃分結(jié)果對不同的危險區(qū)域采取針對性的沖擊地壓預防與治理措施，提前降低應(yīng)力集中程度，避免能量積聚，防止沖擊地壓災害發(fā)生。

1 工作面概況

濟寧二號煤礦為沖擊地壓礦井，93下05工作面為典型的孤島工作面(面臨上部采空和臨近采空)，位于九采區(qū)中部，南到井田邊界煤柱，北到九采輔助帶式輸送機巷，西鄰93下06工作面采空區(qū)，東鄰93下03工作面采空區(qū)，工作面中南部上方為93上工作面采空區(qū)，地面標高為+33.31～+33.45 m。工作面位于礦井西南部，地面大部分為農(nóng)田，工作面北部為地表積水區(qū)。工作面推進長度為1 497.47～1 517.42 m，寬度為162.25 m，面積為244 499.2 m2，工作面標高為-741.5～-699.8 m。孤島工作面采掘平面如圖1所示。

93下05工作面煤體以鏡亮煤為主，夾暗煤條帶，內(nèi)生裂隙發(fā)育，夾矸為粉砂巖；煤層產(chǎn)狀變化大，煤層傾角為1～10°，北部和南部煤層傾角較大，中部傾角相對平緩，煤層走向以東北向為主；工作面煤厚為0.6～4.8 m，平均厚度為2.79 m，總體趨勢為南部較厚，中部、北部較薄，北部終采線附近受沉積影響，局部煤厚為1.5 m以下，煤層最薄處為0.7 m。煤層普氏系數(shù)(f)一般在1.91左右。煤層頂?shù)装逄匦砸姳?。

2 孤島工作面沖擊危險性多指標監(jiān)測及危險區(qū)域劃分

多方法、多指標綜合監(jiān)測及多參量耦合分析有利于提高孤島工作面沖擊危險性的預警準確性。根據(jù)礦井沖擊地壓的發(fā)生規(guī)律，鉆屑量、微震能量、鉆孔應(yīng)力值等參數(shù)能較好地反映井下沖擊危險性，因此采用以上幾個參數(shù)進行沖擊危險性的預警監(jiān)測?；?3下05孤島工作面運輸巷鉆孔鉆屑量、工作面回采過程中的微震、鉆孔應(yīng)力的監(jiān)測結(jié)果，分析巷道頂?shù)装寮跋飵褪芄ぷ髅娌蓜佑绊憚×业姆秶?，并根?jù)這些指標的耦合監(jiān)測分析結(jié)果確定了該工作面在有保護區(qū)和無保護區(qū)開采時的沖擊危險程度。孤島工作面煤試樣沖擊傾向性鑒定結(jié)果見表2，由表2可看出，93下05孤島工作面具有強沖擊危險性。

表1 煤層頂?shù)装逄匦?/p>

表2 孤島工作面煤試樣沖擊傾向性鑒定結(jié)果

整個工作面的沖擊地壓危險性監(jiān)測點布置如圖2所示。

圖2 93下05孤島工作面沖擊危險性監(jiān)測點布置

(1) 鉆屑量。鉆屑法是通過在煤層中鉆直徑為42～50 mm的鉆孔，根據(jù)鉆孔排出的鉆屑量及其變化規(guī)律和有關(guān)動力效應(yīng)鑒別沖擊危險的一種方法。相關(guān)試驗結(jié)果表明，鉆屑量與煤體應(yīng)力狀態(tài)具有定量關(guān)系，即在其他條件相同的煤體中，應(yīng)力狀態(tài)不同，排出的鉆屑量也不同。當單位長度鉆孔排出的鉆屑量增大或超過臨界值時，表示應(yīng)力集中程度增加和沖擊危險性增強。

(2) 微震。93下05孤島工作面軌道巷、運輸巷內(nèi)各布置1個微震傳感器。通過KJ551微震監(jiān)測系統(tǒng)對開采期間該工作面及周圍微震事件進行微震能量計算，分析微震能量與回采工作面動壓顯現(xiàn)的相關(guān)性，預測工作面沖擊危險性。

(3) 鉆孔應(yīng)力。鉆孔應(yīng)力通過安裝在93下05孤島工作面軌道巷、運輸巷巷幫煤體中的應(yīng)力傳感器獲得，應(yīng)力傳感器自工作面前方30 m開始布置，每25 m布置一組(誤差范圍為-2～2 m)，每組2個，每條巷道10組，共20組，埋設(shè)深度分別為8,14 m，每組2個測點間距為1～1.5 m。每條巷道安裝2個中繼器用于接收信號，中繼器距離工作面60 m左右，2個中繼器之間的距離為80 m。隨著工作面的推進，實時對工作面超前影響區(qū)進行沖擊地壓監(jiān)測,通過分析監(jiān)測的應(yīng)力數(shù)據(jù)進行沖擊地壓預警。

3 監(jiān)測結(jié)果及分析

3.1 鉆屑量監(jiān)測結(jié)果分析

93下05孤島工作面的臨界鉆屑量指標：鉆孔深度為0～3 m時，臨界鉆屑量為2.77 kg/m；鉆孔深度為3～6 m時，臨界鉆屑量為3.02 kg/m；鉆孔深度為6～10 m時，臨界鉆屑量為6.90 kg/m。若鉆屑量超過臨界鉆屑量，或在鉆孔過程中出現(xiàn)較多的卡鉆、吸鉆及聲響等動力效應(yīng)，則判定有沖擊危險。

93下05孤島工作面推進過程中鉆屑量的變化曲線如圖3所示，由圖3可知，在保護區(qū)，當鉆孔深度為0～3 m、3～6 m時,鉆屑量保持基本穩(wěn)定，為2.0～3.0 kg；當鉆孔深度為6～10 m時,鉆屑量離散性較大，為3.0～7.0 kg。當工作面推采到聯(lián)絡(luò)巷影響區(qū)時，各個孔深的鉆屑量均降低，此后隨著工作面的推進，在進入未保護區(qū)時,各孔深的鉆屑量值整體較低且離散性較弱。

圖3 鉆屑量監(jiān)測結(jié)果

3.2 微震監(jiān)測結(jié)果分析

工作面推進位置的微震監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在保護區(qū)開采時,工作面煤體受頂板應(yīng)力較小，此時微震參量(日震動總能量、日震動最大能量)波動較大，日震動最大能量峰值達到強沖臨界值。當工作面推進到聯(lián)絡(luò)巷影響區(qū)時，日震動總能量及日震動最大能量均高值響應(yīng)，日震動最大能量在40～100 kJ范圍內(nèi)波動。當工作面推進到未保護區(qū)時，日震動總量及最大能量較低，根據(jù)微震指標，此時沖擊危險性較低，屬于弱沖擊危險性。

(a) 日震動總能量

(b) 日震動最大能量

3.3 鉆孔應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果分析

鉆孔應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。根據(jù)鉆孔應(yīng)力預警值，淺孔應(yīng)力預警值為11 MPa，在統(tǒng)計7個月的鉆孔應(yīng)力中，淺孔應(yīng)力均在預警值以下，但是淺孔應(yīng)力隨時間的波動曲線反映出,在5月30日前后,鉆孔應(yīng)力維持穩(wěn)定且處于相對高值。此后隨著時間段變化，淺孔應(yīng)力值在預警值以下波動較小，與此相比,深孔應(yīng)力值隨著時間的變化波動相對較大。在聯(lián)絡(luò)巷附近及未保護區(qū)鉆孔應(yīng)力均未達到預警值。

(a) 軌道巷應(yīng)力峰值

(b) 運輸巷應(yīng)力峰值

3.4 基于多參量監(jiān)測的沖擊危險性區(qū)域劃分

由巷道鉆屑量、微震及鉆孔應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果可知，在工作面回采過程中，在保護區(qū)范圍內(nèi)，當工作面推進到聯(lián)絡(luò)巷附近時，由于聯(lián)絡(luò)巷的影響，在其附近形成煤柱，在采掘過程中穩(wěn)定性受采動影響劇烈，容易發(fā)生沖擊失穩(wěn)。當工作面推進到未保護區(qū)時，由于孤島工作面受到較大的頂板壓力，各項沖擊監(jiān)測指標增幅明顯，是容易發(fā)生沖擊失穩(wěn)的危險性區(qū)域。根據(jù)現(xiàn)場鉆屑量、微震、鉆孔應(yīng)力監(jiān)測及危險預警值可知，在工作面推進到聯(lián)絡(luò)巷附近及未保護區(qū)時，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)均達到?jīng)_擊危險性預警級別。故聯(lián)絡(luò)巷影響區(qū)及未保護區(qū)為沖擊危險區(qū)域。孤島工作面沖擊危險性區(qū)域劃分剖面圖如圖6所示。

圖6 孤島工作面沖擊危險性區(qū)域劃分剖面圖

4 防沖措施及監(jiān)測結(jié)果響應(yīng)

結(jié)合濟寧二煤礦93下05孤島工作面實際情況，在保護區(qū)開采時,為降低沖擊危險性，采用大直徑卸壓鉆孔(孔徑為110 mm，孔距為2.0 m)，聯(lián)絡(luò)巷附近及未保護區(qū)內(nèi)沖擊地壓危險性大的區(qū)域可以減小大直徑鉆孔的間距(孔徑為110 mm，孔距為1.0 m)；如果卸壓效果不明顯，可考慮增大卸壓鉆孔孔徑,減小孔間距和增加孔深(孔徑為150 mm，孔距為1.0 m，孔深為20 m)。如果經(jīng)校檢，密集大直徑鉆孔依然不能消除沖擊危險性，需采用煤層深孔爆破卸壓來緊急解危，最終消除工作面的沖擊地壓危險。

在工作面回采之前，首先對93下05孤島工作面未保護區(qū)一側(cè)實體煤幫實施鉆孔卸壓預處理，隨工作面推進,前方及時補打鉆孔。當工作面推進至臨近聯(lián)絡(luò)巷及進入未保護區(qū)開采時,采取大直徑鉆孔卸壓，具體施工參數(shù)見表3。

表3 大直徑鉆孔卸壓參數(shù)

對比分析圖3—圖5可看出，93下05孤島工作面微震參量和工作面附近的鉆屑量、鉆孔應(yīng)力的變化規(guī)律與工作面的受力情況及卸壓措施的實施情況基本相同。在保護區(qū),采用大直徑鉆孔卸壓時，鉆孔應(yīng)力、鉆屑量及微震的變化情況表現(xiàn)為較高值響應(yīng)；在聯(lián)絡(luò)巷影響區(qū)及未保護區(qū)，通過增大孔徑及縮小孔距的卸壓措施，微震、鉆屑量及鉆孔應(yīng)力值均呈下降趨勢。

雖然孤島工作面在回采期間也出現(xiàn)了巷道變形和底鼓等強礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，但由于工作面卸壓防沖措施得當，最終確保了工作面安全回采。

5 結(jié)論

(1) 具有復雜條件的濟寧二號煤礦93下05 孤島工作面，在開采過程中，由于開采對該工作面及上下運輸巷的煤柱應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生了重大影響，極易產(chǎn)生沖擊地壓。孤島工作面沖擊地壓危險性的準確、動態(tài)評估及危險性區(qū)域劃分僅依據(jù)單個指標無法實現(xiàn)，必須依靠多個監(jiān)測指標或多參量監(jiān)測的綜合分析結(jié)果。

(2) 對濟寧二號煤礦93下05 孤島工作面回采過程中鉆屑量、微震、鉆孔應(yīng)力進行預警分析，得出在孤島工作面回采過程中，聯(lián)絡(luò)巷附近、保護區(qū)與未保護區(qū)銜接區(qū)及未保護區(qū)是沖擊地壓危險性區(qū)域，與實際生產(chǎn)過程中礦壓顯現(xiàn)規(guī)律一致，鉆屑量、微震和鉆孔應(yīng)力等各項監(jiān)測指標均表現(xiàn)出了相應(yīng)的響應(yīng)規(guī)律。

(3) 針對93下05孤島工作面地質(zhì)條件和開采條件等多因素的疊加影響，考慮到不同區(qū)域(保護區(qū)、聯(lián)絡(luò)巷影響區(qū)及未保護區(qū))應(yīng)力集中程度的差異性，提出并提前實施了針對性和差異化的大直徑鉆孔卸壓防沖措施，煤體積聚的彈性能得到了有效釋放，卸壓效果顯著，大大降低了工作面沖擊危險性。