基于應力在線-微震監測系統的厚煤層掘進面防沖優化

翟建博　徐勇勇　郭英杰

(北京科技大學土木與環境工程學院)

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基于應力在線-微震監測系統的厚煤層掘進面防沖優化

翟建博徐勇勇郭英杰

(北京科技大學土木與環境工程學院)

摘要為優化矯正巨厚礫巖下厚煤層掘進面的防沖卸壓措施，采用理論分析、力學計算及現場驗證相結合的方法，探討了巨厚礫巖下厚煤層掘進面沖擊地壓機理，提出了應力在線-微震監測方案，現場試驗結果表明：在相向相鄰井田采空區掘進時，可根據微震監測數據得到巖石破裂角對工作面寬度及開切眼位置進行優化處理，同時基于應力監測數據可對鉆孔卸壓參數進行優化。常村煤礦21220掘進工作面優化后煤柱寬度不小于150 m，工作面寬度取265 m，幫部卸壓孔深度優化為25 m，掘進頭卸壓孔深40 m，卸壓孔直徑大于150 mm，成功應用于現場并取得了良好效果，驗證了結論的可靠性，為相似條件下掘進工作面的防沖措施提供技術支撐。

關鍵詞掘進工作面沖擊地壓應力在線-微震監測

近年來，隨著礦井開采深度的不斷增加，沖擊地壓治理已成為世界性難題[1]，掘進工作面受到地質條件、現場施工工藝等綜合因素的影響，沖擊地壓防治工作尤為重要。目前，我國學者對掘進工作面的沖擊地壓監測預警系統及技術做了一些研究[2]，并根據實踐經驗總結了沖擊地壓實時監測預警技術現狀及發展趨勢[3]；國內沖擊危險礦井雖然在巷道掘進過程中采取了國內外先進的裝備和技術，但至今仍未能完全控制住這類災害，尤其是存在巨厚礫巖的厚煤層掘進面。

以河南義馬常村煤礦21220工作面下巷為研究對象，該掘進工作面受到上工作面采空區側向支承壓力、躍進煤礦采空區上覆巨厚礫巖傳遞應力、下山煤柱區上分層工作面采空區外圍支承壓力、掘進擾動應力等綜合因素的影響，存在強沖擊危險，且在掘進期間已多次發生沖擊地壓事件。因此，為了保障該掘進工作面能夠安全推進，并探索掘進期間的沖擊危險性綜合監測預警方法和指標，特對該掘進工作面進行應力-微震監測。根據21220掘進工作面的實測數據對存在沖擊危險區域進行預測預報，并及時調整優化現場卸壓措施，保證本工作面的安全掘進。

1工程地質條件分析

1.1地質條件

常村煤礦21220工作面標高為-191.622～-254.484 m，工作面對應地面標高為+519～+586 m，最大采深達815 m，走向長926～909 m，傾斜長264～366 m，工作面煤層從煤軌向西至設計切眼，逐漸變薄，且煤層中夾矸增多，平均煤厚7.9 m，傾角為9°～15°，可采儲量為202萬t。該工作面以北為已采畢的10個采空區，以南為未開掘的21240工作面，以西為相鄰躍進煤礦已回采完畢的23050工作面及正在回采的23070工作面(最小煤柱間距為102 m)，以東為21盤區的3條下山。21220工作面位置見圖1。

圖1　21220工作面位置

1.2巨厚礫巖及地表沉陷量

21220工作面直接頂為1～4.9 m厚泥巖，老頂為31.5～32.6 m厚泥巖，之上為幾十到百余米的砂礫巖互層，再向上為發育到接近地表350～450 m的巨厚礫巖層，巨厚礫巖導致21220附近工作面開采后地表下沉不明顯，懸頂應力傳遞到正在開采區域21220工作面，易發生沖擊地壓和礦震；同時地表沉陷現場勘查結果顯示，該礦21采區東翼淺部礫巖已經斷裂沉降，下沉量達到5 m以上，而西翼深部正在掘進的21220工作面下巷區域地表最大沉陷量約1 m。因此，21220工作面存在巨型礫巖結構，是沖擊地壓防治的重點區域。

2巨厚礫巖厚煤層沖擊機理及監測原理

2.1巨厚礫巖震動誘發沖擊地壓發生機理

工作面上覆礫巖厚度較大時，附近采空區上方地表沉陷幅度小，巖層完整性好，抗變形能力強，有利于彈性變形能的儲存。一旦堅硬頂板發生脆性斷裂，猛然釋放巨大彈性勢能和重力勢能，并以應力波的形式到達煤巖層自由面，造成自由面附近的煤巖體破壞并獲得一定的動能，形成強烈的沖擊力，使自由面附近煤巖應力瞬間升高誘發沖擊地壓。

設采掘空間周圍煤巖體的初始應力為σ，巖體自重應力為σq；震動造成的附加應力為σ′，沖擊地壓發生的臨界應力為σk，則礫巖斷裂時震動誘發沖擊地壓的機理可描述為

(1)

根據已有的礦壓理論可知，第i層關鍵巖層傳遞到一側工作面前方的應力增量Δσi為[4]

(2)

式中，σimax為第i層關鍵層在采空區一側煤體上產生的最大支承壓力，MPa；Hi為第i層關鍵層厚度中心到煤層底板的距離，m；α為上覆巖層斷裂角，(°)。

其中，

(3)

(4)

式中，I為采空區高度，m；Mi為第i層關鍵層厚度，m；Mj為第j層關鍵層厚度，m；Qi為第i層關鍵層在采空區懸露部分的一半重量，kN。

其中，

(5)

(6)

式中，Li為第i層關鍵層厚度中心位置在采空區的懸露長度，m；2I為采空區寬度，m；γ為巖層容重，kN/m3。

所以，由自重產生的應力為

(7)

綜上可知，支承壓力的估算公式由一組分段函數組成，即解算分段函數便可得到總支承壓力：

(8)

2.2沖擊地壓實時在線-微震聯合監測原理

臨場建立以沖擊地壓(動態應力)實時在線監測-微震監測預警系統為主，其他手段為輔的監測系統，達到預防動力災害發生的目的。大采深巨厚礫巖結構下采掘工作面，巨厚礫巖的傳遞應力占主導地位。當高位巖層緩慢沉降，煤體受到巖層和底板夾持作用應力持續增加，導致煤體發生破裂或巖層發生斷裂，巖層斷裂時，斷裂支點位置產生震動，誘發沖擊地壓。因此，針對該類采掘工作面，監測煤體受力狀態和大范圍煤巖震動信息對預防沖擊地壓的發生至關重要。

在沖擊地壓礦井開采成本中，防沖成本占了很大的比重。而各種防沖措施的必要性和應用到何種程度、是否需要聯合使用、防沖措施的具體參數等問題，一直沒有明確的答案，通常只是通過工程類比進行施工，這是造成防沖成本增加且安全性難以保證的重要原因之一。

3沖擊地壓監測預警技術

監測的最終目的是為了防治沖擊地壓。沖擊地壓監測預警技術能夠通過實時監測結果達到預警、優化開采設計、優化卸壓措施等目的，保證采掘作業的安全。

3.1開采設計優化

巨厚礫巖結構下工作面回采后，采空區上方地表沉陷不明顯，巖層出現大面積懸頂，對采空區外側煤體的側向支承壓力峰值位置、支承壓力峰值大小、低應力區范圍、支承壓力影響區范圍、原巖應力區范圍都產生不同程度的影響。因此，在不考慮礫巖懸頂結構情況下設計工作面寬度，不僅會增加采掘工作的沖擊危險性、加重防沖任務，同時也會增加支護難度，影響正常生產。微地震監測系統能夠及時反映頂板巖層的運動狀態，進而確定出巖層移動角，設計人員再根據懸頂采空區側向支承壓力計算模型確定出采空區側向支承壓力變化曲線[5]，為巨型礫巖結構工作面的防沖開采設計提供依據。

3.2卸壓措施優化

針對礦山壓力顯現較明顯或應力在線監測系統預警的區域，常常采用大直徑深孔卸壓技術及深孔爆破技術進行解危處理。根據應力三向化轉移原理[6]，對具有沖擊地壓危險的局部區域采用大直徑鉆孔進行卸壓，能夠保證自由面周圍煤巖體處于低應力狀態，形成低應力帶。應力在線監測預警系統不但可以通過測點附近煤巖體的應力狀態優化掘進工作面超前卸壓孔的安全余量，還能對卸壓參數進行優化，確保工作面的安全采掘。

針對義馬礦區沖擊地壓的特點，首先通過微震監測系統對厚煤層開采后的上覆巖層斷裂角進行理論計算，并應用到工作面支承應力計算模型，估算出高應力集中區間，優化工作面寬度，其次通過應力在線實時監測系統對防沖措施的具體參數進行優化，得到控制圍巖應力增幅最有效、最理想的卸壓參數，最后在現場試驗，形成“斷裂角確定—工作面寬度優化—應力在線云圖曲線校驗—防沖措施優化—有效性檢驗”的半定量防沖技術。

4現場試驗

4.1掘進工作面沖擊危險性評價

沖擊地壓的發生是不可預測的，但是能通過宏觀、多因素耦合評價對待采掘工作面進行沖擊危險性評價，可宏觀或定性預測沖擊危險區域及危險程度，為監測預警系統布置提供依據。宏觀評價方法包括綜合指數法和可能性指數法。根據21220掘進工作面地質條件和開采條件得到其沖擊危險綜合指數Wt=max{Wt1，Wt2}=0.79，屬于強沖擊危險性；根據可能性指數計算方法，通過21220掘進工作面可能危險性指數U=(UIc+UWet)/2=1，說明該掘進工作面發生沖擊地壓可能性非常大；整體來看，該掘進工作面在推進過程中沖擊危險性高，需要警惕。

4.2沖擊地壓的測點布置

基于對21220掘進工作面的鉆屑量實測分析，結合前期對巷道危險區域的圈定結果，制定測點的具體布置方案。該巷道共布置12組測點，每組2個(超前測孔和垂直深孔)，自掘進工作面處安裝第一組測點，巷道每推進20 m，增加一組測點，直到巷道完成掘進。考慮到掘進速度，掘進迎頭超前測孔應力計采用油管長18 m的應力計，滯后掘進工作面3～5 m，測孔沿煤層方向向工作面按30°傾斜，距離巷道底板0.5～1.5 m；同時滯后1 m布置18 m垂直深孔測點。煤層剖面鉆孔見圖2。

圖2　煤層剖面鉆孔示意

另外，微震檢波器測點共布置8個。第一組微震檢波器距離迎頭不超過50 m，檢波器前后間距初步定為50 m，可以根據現場測試效果進行調整。微震檢波器安裝在頂底板錨桿上，隨著掘進面的推進，對檢波器進行移組，實現循環監測。

4.3現場防沖措施優化

4.3.1工作面寬度及開切眼位置

根據微地震監測數據和地質資料，常村煤礦21220工作面臨采空區的巖層斷裂角為78°(圖3)。

圖3　大能量微震事件揭示的巖層斷裂角

基于巨厚礫巖下特厚煤層支承壓力估算模型分析躍進煤礦23050工作面開切眼支承壓力、常村煤礦21220側支承壓力的影響范圍及程度，為合理確定常村煤礦21220工作面寬度及開切眼位置提供依據。巖層斷裂角為78°時支承壓力分布見圖4。

圖4　巖層斷裂角為78°時支承壓力分布

估算結果顯示，在距離23050開切眼61～139 m 掘進巷道具有沖擊危險，考慮到安全系數、現場開采實際等因素，取21220工作面與躍進礦23050工作面之間煤柱寬度不小于150 m(優化前最小煤柱間距為102 m)；同理取工作面寬度為265 m。

4.3.2卸壓鉆孔參數優化

根據沖擊危險性評估結果及現場監測數據，對該掘進工作面的卸壓參數進行優化。具體結果見表1。

優化前后巷道幫部高度危險區卸壓孔間距均是1 m，距底板1.0～1.5 m。卸壓參數調整后監測的掘進迎頭應力曲線見圖5。可知，優化后的參數正好能夠保證應力升高的幫部煤體及時得到卸壓，實現了“有震無災、有沖無傷”的特厚煤層沖擊地壓治理目標。

表1　卸壓參數優化前后對比

圖5　參數優化前后幫部煤體的應力曲線

5結論

(1)常村煤礦21220工作面下順槽受到上工作面采空區側向支承壓力、躍進煤礦采空區上覆巨厚礫巖傳遞應力、下山煤柱區上分層工作面采空區外圍支承壓力、掘進擾動應力等綜合因素的影響，具有強沖擊危險性，需要在實踐中提高警惕。

(2)在相向相鄰井田采空區掘進時，根據微震監測數據優化巖石破裂角對工作面寬度及開切眼位置，計算得到21220工作面與躍進礦23050工作面之間煤柱寬度不小于150 m，工作面寬度取值265 m。

(3)根據沖擊危險性評估結果及現場監測數據，對掘進工作面的卸壓參數進行優化處理，21220掘進面幫部卸壓孔深度優化后增加了5 m，掘進頭優化為φ153 mm、深40 m卸壓孔，成功指導現場施工,并取得了良好效果。

參考文獻

[1]竇林名，何學秋.沖擊地壓防治理論及技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2001.

[2]尹永明，姜福興，朱權潔.掘進面沖擊地壓實時無線監測預警技術[J].煤礦安全，2014，45(3):89-91.

[3]姜福興，曲效成，于正興等.沖擊地壓實時監測預警技術及發展趨勢[J].煤炭科學技術，2011，29(2):59-63.

[4]姜福興，魏全德，王存文，等.巨厚礫巖與逆沖斷層控制型特厚煤層沖擊地壓機理分析[J].煤炭學報，2014，39(7)：1191-1196.

[5]徐學鋒，竇林名，劉軍，等.動載擾動誘發底板沖擊礦壓演化規律研究[J].采礦與安全工程學報，2012，29(3):334-338.

[6]劉金海，姜福興，王乃國，等.深井特厚煤層綜放工作面區段煤柱合理寬度研究[J].巖石力學與工程學報，2012，31(5)：922-927.

(收稿日期2015-11-15)

翟建博(1989—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區學院路30號。