基于震波CT探測的寬煤柱沖擊地壓防控技術

孫劉偉，鞠文君，潘俊鋒，趙忠顯，夏永學，馮美華，付玉凱

(1.煤炭科學研究總院 開采研究分院,北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部,北京 100013; 3.山東龍鄆煤業有限公司,山東 菏澤 274700)

近年來，伴隨著礦井開采深度與開采強度的增加，我國沖擊地壓災害日益嚴重，沖擊發生強度和頻度顯著增加，沖擊地壓礦井數量明顯上升，已成為制約深部礦井安全開采的重大動力災害之一[1-2]。深井區段煤柱是沖擊地壓易發、多發、難防治區域，其沖擊危險性與周圍應力場[3]分布密切相關。姜福興等[4]建立了采場“載荷三帶”覆巖結構模型，可用于區段煤柱沖擊危險性評價;王書文[5]通過應力監測系統實測得到采空區側向寬煤柱分階段、分區域受力特征，指出臨空煤柱幫內彈性區不斷增長的垂直應力是主導沖擊載荷源;潘立友等[6]提出軟弱沖擊層在上部力源層和下部穩定層夾持下產生應力集中和能量積聚，外界采掘活動誘發積聚的能量釋放，是兩軟煤層區段小煤柱沿空巷道發生沖擊地壓的主要原因;楊偉利等[7]指出當煤柱沖擊力大于阻抗力時，具有發生沖擊的危險性;成云海等[8]研究了“應力場特征-減沖”關系，提出了巷道外錯合理位態減沖設計方法;李學華等[9]基于應力控制和支護系統設計2個方面，提出了沿空掘巷的防沖機理。上述研究多以理論分析、數值模擬為主，具有重要的理論指導意義;而實測研究更貼近現場實際，更具有工程實用價值。

本文以某礦80 m區段寬煤柱沖擊地壓為例，分析了沖擊地壓致災機制及類型，鑒于靜載荷在沖擊地壓啟動過程中的主導作用，采用震波CT原位探測技術反演沖擊區域靜載荷分布特征，評估其沖擊危險性，并在此基礎上提出針對性防治方法。

1 工程背景

1301工作面為一采區南翼西側第2個工作面，埋深約865～970 m，平均煤厚6.8 m，綜放開采，走向長度2 265.8 m，傾向長度223.4 m，工作面西側前部與八里莊支四斷層(H=5～110 m)相鄰、后部隔80 m煤柱與1300工作面采空區相鄰，東、南兩側為實體煤，北鄰采區軌道大巷。直接頂為厚1.2 m的砂質泥巖，基本頂為厚12.9 m的中砂巖，底板為厚1.8 m的泥質砂巖。采用鉆孔應力解除法對一采區進行地應力測量，地應力場以水平應力為主，最大水平主應力為垂直應力的1.40～2.20倍。1301工作面運輸巷位于一采區背斜構造翼部，初始作為1300工作面泄水巷使用，先于1300工作面回采已施工掘進。

當1300工作面回采496 m時，80 m寬煤柱內發生2.1×105J大能量事件，經微震定位，震源距1301運輸巷為13 m，距1300回采工作面煤壁為310 m。經現場排查，2 號聯絡巷以北125～280 m范圍內的1301工作面運輸巷具有不同程度的沖擊破壞現象，破壞嚴重段10 m范圍頂板冒落達2.5～3.0 m，兩幫內擠，巷道斷面由4.8 m×4.0 m縮減為1.1 m×0.8 m;靠近冒頂區30 m范圍巷道頂板下沉0.5 m;巷道頂板隔爆棚被沖擊脫落，局部兩幫雙抗網開裂，管路、電纜被沖到巷道中部，工作面及沖擊顯現位置如圖1所示，巷道破壞狀況如圖2所示。

圖1 工作面沖擊顯現位置Fig.1 Position of rockburst

圖2 巷道沖擊破壞情況Fig.2 Impact failure of roadway

2 寬煤柱沖擊地壓致災機制分析

2.1 寬煤柱靜載荷分布特征

采用FLAC3D數值軟件，根據工作面開采條件及實驗室測定煤巖體參數，基于摩爾-庫倫本構模型，模擬1300工作面開挖前、后寬煤柱靜載荷分布特征，并提取寬煤柱煤體垂直應力，如圖3所示。

圖3 寬煤柱垂直應力分布Fig.3 Vertical stress distribution in wide coal pillar

兩巷開挖形成后，寬煤柱內靜載荷變化不明顯，此時高自重應力與強構造應力疊加作用，構成寬煤柱沖擊地壓發生的基礎靜載荷。1300工作面開采后，側向支承壓力影響范圍約為120 m，寬煤柱震源位置煤體應力σ=34 MPa>2σc，已具備沖擊地壓發生的沖擊臨界支承壓力條件[10]。當1301工作面回采后，寬煤柱受到兩側支承壓力疊加影響，靜載荷水平將明顯提高，應力峰值向煤柱深處轉移，沖擊危險性進一步增大。采空區側向支承壓力為寬煤柱沖擊地壓發生的增量靜載荷。

2.2 寬煤柱靜載荷演化規律

當應力集中超過極限后煤巖體突然破壞釋放能量產生微震事件，可通過其時空分布特征反映寬煤柱靜載荷演化規律[11]。基于“最佳D值”設計準則，除1300回采工作面前方布置ARAMIS M/E微震系統探頭外，1301工作面運輸巷補充布置了拾震器，使得寬煤柱區域處在探頭-拾震器包絡的區域內，保證了定位精度，實時記錄了本次沖擊區域微震活動全過程。微震事件(≥102J)平面投影如圖4所示。

圖4 微震演化平面投影Fig.4 Plane of microseismic events

當1300工作面回采至沖擊區域時(圖4(a))，微震事件分布靠近寬煤柱內側(采空區側44 m范圍)，3次方微震事件較多，主要為1300工作面采空區低位頂板回轉下沉導致應力升高;伴隨著工作面逐漸遠離(圖4(b))，微震事件分布向寬煤柱外側(1301工作面側)轉移，表明采空區側向支承壓力向外側轉移;此后，該區域仍有微震活動(圖4(c))，表明1300工作面采空區側向高位覆巖仍在回轉下沉加載煤巖體[5]，造成寬煤柱內煤巖體應力持續升高，彈性應變能不斷積聚;直至寬煤柱內彈性變性能超過煤巖體動力破壞的最小能量時，發生沖擊破壞(圖4(d))。

2.3 寬煤柱沖擊地壓致災機制

經鑒定，3 號煤層具有弱沖擊傾向性，頂板巖層具有強沖擊傾向性，已具備發生沖擊地壓的內在條件;高自重應力、強構造應力提供基礎靜載荷，采空區后方持續增長的側向支承壓力提供了增量靜載荷，當兩者疊加導致寬煤柱垂直應力超過沖擊臨界支承壓力時，為沖擊地壓的發生提供了力源條件。并且，沖擊震源距1300工作面煤壁310 m，已不再受到1300工作面采動影響，因此該沖擊地壓屬于靜載荷型，防治應以調控靜載荷為主。

3 主導沖擊啟動的寬煤柱靜載荷震波CT原位探測

基于靜載荷在寬煤柱沖擊地壓啟動過程中的主導作用[12]，并且空間賦存狀態較為明確，因此采用震波CT原位探測技術實際揭示寬煤柱靜載荷分布是評估其沖擊危險性、制定針對性防沖方案的基礎。

3.1 震波CT原位探測理論基礎

震波CT(震波層析成像)原位探測技術采用波蘭PASAT-M型便攜式微震系統，通過檢波器接收人為爆破激發的穿越工作面煤巖體的縱波走時信號。縱波在走時成像的情況下以射線形式在探測區域介質內傳播，將“激發點-檢波器”包絡的探測區域劃分為一系列小矩形網格，通過高頻近似反演，走時成像公式可表示為

(1)

式中，ti為縱波走時,ms;dij為第i條射線在第j個網格中的射線路徑長度;M為射線總數;N為網格數量。

表示為矩陣方程形式為

T=D·S

(2)

式中，T為縱波走時列向量;S為慢度向量;D為射線長度矩陣。

通過聯合迭代重建算法(SIRT)進行速度場圖像重建，可獲得煤巖體內部波速分布情況。

研究表明，沖擊地壓多發生在高應力區及應力異常區，對應速度場圖像中縱波波速區及波速梯度區，因此，建立以波速異常系數CA和波速梯度系數CG為主要因子的沖擊地壓危險性評估模型[13]:

(3)

利用PASAT-SSA震波CT后處理軟件進行反演計算，最終形成沖擊危險性指數C值分布云圖，C值與沖擊危險等級對應標準[13]見表1。當C<0.25時，無需處理，當C≥0.25時，需根據不同危險等級進行相應的卸壓及解危處理。震波CT原位探測技術以穿透煤巖體的實際震動波射線進行波速反演，可有效反映實際條件下煤巖體內靜載荷分布特征及結構特性，實現大范圍靜載荷探測，較常規解析和數值方法更真實、全面，但該技術觀測系統的布置受到井下采掘空間、炸藥激發震動波能量等客觀條件限制[12]。

3.2 震波CT原位探測方案

為掌握80 m寬煤柱的靜載荷實際分布狀態，考慮1301工作面運輸巷沖擊地壓顯現區域分布情況、工作面條件及設備探測能力，采用近完全觀測系統觀測方式(兩邊布置激發震源、一邊布置接收探頭)可提高數據覆蓋率，能有效提高探測精度。因此，沖擊發生后，在煤柱內鉆取65 m深孔，孔內按炮間距5 m布置激發震源炮至孔口，并在1301運輸巷按炮間距10 m、孔深2 m補充設計激發炮，每炮裝藥量為200 g，一炮一放，短斷觸發;采集端檢波器布置在80 m寬煤柱內原有2號聯絡巷，道間距為7 m，觀測系統布置如圖5所示。設定檢波器采樣頻率為2 000 Hz，增益20 dB，采樣長度0.5 s，每次激發有11通道檢波器同時接收信號。

表1沖擊危險等級分類
Table1Classificationofrockbursthazardlevel

C值<0.250.25～0.500.50～0.750.75～1.00等級無弱中強

圖5 寬煤柱沖擊危險指數分布Fig.5 Distribution of burst hazard indices in wide coal pillar

3.3 寬煤柱沖擊危險性評估

圖5為80 m寬煤柱探測區域沖擊危險性指數C分布圖，圖中以藍色到紅色從小到大來代表探測區域內沖擊危險性指數，區域內C最大值為0.7，最小值為-0.5。可以看出:

(1)寬煤柱測區內約2/3區域沖擊危險指數C=0.5～0.7，對照表1，表明80 m寬煤柱仍然存在靜載荷集中區域，整體具有中等沖擊危險。

(2)寬煤柱運輸巷側沖擊危險指數較采空區側高，表明采空區側煤柱已塑性破壞，承載能力低，導致應力向運輸巷側轉移，靜載荷集中程度高。

(3)在沖擊震源區域，-0.50

4 基于靜載荷疏導的多層次防控技術

基于震波CT探測反演結果，為阻止寬煤柱靜載荷型沖擊地壓發生啟動，關鍵在于避免畸高靜載荷的產生，削弱寬煤柱彈性能積聚水平，實現的主要技術途徑有以下3種:

(1)大直徑鉆孔預卸壓。

在1301運輸巷兩幫超前工作面350 m范圍內實施大直徑鉆孔卸壓，鉆孔直徑125 mm，間距1 m，工作面側鉆孔深度25 m，煤柱側鉆孔深度為50 m，使得應力集中區向深部轉移，耗散彈性核區積聚的彈性變性能[14]。

(2)降低開采擾動。

統計對比分析1301工作面微震活動規律與推進度的關系如圖6所示，日進尺為2.4 m時微震頻次和能量較為平穩，日進尺為3.2 m時微震活動較為劇烈，因此，確定合理日進尺為2.4 m，均勻推進。

圖6 微震活動與推進度關系Fig.6 Relationship of microseismic activities and advancement

(3)巷道全斷面補強支護。

對1301運輸巷沖擊地壓顯現及巷道破碎、變形嚴重的區域進行返修處理，巷道斷面擴刷至設計尺寸，支護布置如圖7所示，頂板采用φ22 mm×2 500 mm高強左旋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1 000 mm;采用φ21.6 mm×7 300 mm錨索配合L4.0 m T型鋼帶加強支護，錨索間排距1 800 mm×1 300 mm，鋼帶順巷道方向布置，間距1.3 m。兩幫采用φ20×2 500 mm等強右旋螺紋鋼錨桿，間排距700 mm×2 000 mm;采用φ21.6 mm×4 300 mm錨索加強支護，間排距1 200 mm×2 000 mm;錨桿索均配合L1.6 m W型鋼帶支護，改良圍巖應力狀態，提高圍巖抗沖擊能力[15-17]，降低沖擊地壓顯現程度。

圖7 巷道補強支護設計Fig.7 Support reinforcement design

由于大直徑鉆孔預卸壓造成寬煤柱深部煤體松散破碎，施工的65 m爆破激發孔塌孔嚴重無法布置激發震源，未能實現卸壓后的震波CT探測檢驗。在寬煤柱布置了應力及微震監測系統，回采過程中監測應力未發生突增，微震能量及頻次變化平緩，目前，1301工作面已安全回采寬煤柱區。

需要指出的是，上述防沖方案只是針對已經出現沖擊危險的區段煤柱采取的補救性措施。要從根本上避免或消除區段煤柱沖擊地壓，應以靜載荷區域疏導為防治理念[18]，避免煤柱內形成高應力集中為原則，在工作面開采設計階段超前防范，采用小煤柱或無煤柱護巷技術是解決煤柱沖擊地壓的有效路徑。

5 結 論

(1)高自重應力、強構造應力為沖擊啟動提供基礎靜載荷，采空區后方持續增長的側向支承壓力提供了增量靜載荷，當兩者疊加導致寬煤柱垂直應力超過沖擊臨界支承壓力時，為靜載荷型沖擊地壓的發生提供了力源條件，因此，防治應以調控靜載荷為主。

(2)基于靜載荷是沖擊地壓啟動的基礎，采用震波CT原位探測技術反演得到寬煤柱沖擊危險指數C=0.5～0.7，表明沖擊發生后，寬煤柱仍然存在靜載荷集中區域，具有中等沖擊危險。

(3)為阻止寬煤柱靜載荷型沖擊地壓發生啟動，制定了“大直徑鉆孔預卸壓-降低開采擾動-巷道全斷面補強支護”的多層次防沖技術，現場監測應力未發生突增，微震能量及頻次變化平緩。

(4)以靜載荷區域疏導為理念，探索采用小煤柱或無煤柱護巷技術是防治煤柱沖擊地壓的有效路徑。