應力監測在回采工作面動力災害防治中的應用

沈 偉 張運國 韓云增

（1.中國中煤能源集團有限公司，北京 100120；2.山東能源棗礦集團七五生建煤礦，山東 微山 277600）

煤體應力監測是通過傳感器對煤巖體內部應力變化進行監測，以確定煤巖體中支承壓力相對大小，是測量因采動影響煤層或巖層內部應力場變化、研究采場動壓作用規律的重要手段之一。根據監測數據整理、繪制煤巖體內部應力變化曲線，預測、預報煤巖體內支承壓力變化規律，為制定動力災害防治方案提供科學依據。但是在工程實踐中，由于煤體應力監測數據量大，趨勢性變化與個性化突變并存，監測數據分析缺乏系統性，距離指導工程實踐仍有差距。基于煤體應力監測在回采工作面動力災害防治中的重要作用，2018年開展了田陳煤礦3下7123工作面沖擊地壓防治工作研究，以該工作面應力監測數據為基礎，從工程實踐應用的角度，分析了44個應力測點150119個監測數據，給出了幾種煤體應力監測應用實例，以供借鑒。

1 超前支承應力影響范圍確定

回采工作面超前支承應力影響范圍是決策超前支護距離的重要因素，煤體應力監測數據能夠直觀反映煤體應力變化趨勢。以田陳煤礦3下7123綜采工作面為例，該面兩巷均安裝了煤體應力監測系統，以工作面推采位置與煤體應力傳感器距離為橫坐標，煤體應力傳感器數據為縱坐標，繪制46個測點對應關系曲線如圖1所示。根據圖1可以看出，在超前工作面75m位置，部分應力計監測數據出現緩慢上升趨勢，89%的應力計監測數據均在超前工作面40m位置附近開始發生明顯波動，僅有37#、38#、42#、44#、45#測點在超前工作面40m以外出現明顯波動。結合礦壓理論分析認為，該工作面超前支承應力集中范圍主要分布在超前40m范圍內，因此工作面超前加強支護距離不應小于40m。

圖1 超前支承應力演變監測曲線圖

2 動力災害監測預警值確定

目前應力監測預警指標多選用應力值，監測數據超過某一應力值時即進行沖擊危險預警。但是在實際應用中，往往只制定一個預警指標，沒有將超前支承應力影響區與動壓擾動影響區區別。實踐過程中，應力監測頻繁預警，人為制造了沖擊地壓災害恐慌氣氛，增加了工程量。因此，筆者結合工程實踐應用，將每類指標選取分為兩個區間，通過不同區間應力監測數據變化進行綜合預警。

煤體應力最大值統計按照兩個區間，分為超前支承應力影響范圍內及超前支撐應力影響范圍外。以田陳煤礦3下7123綜采工作面為例，在超前支承應力影響范圍內，以1MPa為區間，統計44個有效煤體應力傳感器最大值在每個區間內個數，以煤體應力傳感器數據為橫坐標，以統計區間內最大值個數為縱坐標，繪制對應關系曲線如圖2（a）所示。在超前支承應力影響范圍外，動壓擾動影響區內以1MPa為區間，統計45個有效煤體應力傳感器最大值在每個區間內個數，以煤體應力傳感器數據為橫坐標，以統計區間內最大值個數為縱坐標，繪制對應關系曲線如圖2（b）所示。結合不同影響區內最大應力監測分布圖所示曲線，以明顯非對稱突變點作為主要參考指標，結合餅狀圖不同區間最大應力占比，超前支承應力集中區內最大應力監測預警值取10MPa，動壓擾動影響區內最大應力監測預警值取8MPa。由于上述監測預警指標是在數據統計基礎上選取的，實際應用中還應結合現場動壓顯現情況及應力與震動對應情況等及時調整實際預警值，但調整后的預警值不應高于數據統計分析預警值。另外，還可以參考此方法，對應確定應力監測數據小時內增速預警值。

圖2 不同影響區內最大應力監測分布圖

3 工程實踐應用

圍繞監測數據分析成果工程實踐應用，田陳煤礦3下7123工作面與3下7118工作面超前支護均設計采用三排單體液壓支柱，超前支護距離40m，有效維護了回采工作面安全出口，頂底板移近量控制在了400mm以內，取得了較好的效果。同時，根據應力監測數據變化，分區域多次進行沖擊危險預警，指導開展了大孔徑鉆孔預卸壓措施，在杜絕沖擊地壓事故發生的前提下，避免了超前支承應力集中區頻繁預警，大幅減少了沖擊危險預警次數。

4 結論

（1）根據煤體應力監測數據變化，確定了工作面超前支承應力集中區分布在距離工作面0～40m范圍內，峰值區在距離工作面5～15m范圍內,并根據分析結果設計工作面超前支護距離。

（2）根據不同位置不同測點煤體應力監測數據最大值分布區間，確定了不同區域沖擊危險應力預警值,超前支承應力集中區內最大應力監測預警值取10MPa，動壓擾動影響區內最大應力監測預警值取8MPa。

由于上述結論是基于工程實踐應用，更多的是集中在工作面，對于類似條件相鄰工作面具有較為顯著的實際意義。但是，對于非臨近區域及類似地質開采條件的回采工作面，其數據不具備普適性，讀者可以借鑒本文數據分析方法，劃定超前支承應力集中范圍，結合現場動壓顯現及應力與震動對應情況等，確定不同沖擊危險預警值。