工作面“見方”期間沖擊危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)與防治對(duì)策研究

劉聚友，賴 敏

（陜西麟北煤業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721505）

0 引 言

沖擊地壓是采場(chǎng)和巷道周圍煤巖體積聚的彈性變形能突然釋放而產(chǎn)生的煤巖動(dòng)力災(zāi)害[1]。近年來(lái)隨著我國(guó)煤礦采深的增加和開采強(qiáng)度的增大，沖擊地壓已成為制約煤礦安全高效生產(chǎn)的一種主要災(zāi)害[2]。這些災(zāi)害事故造成了人員的傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

近年來(lái)，沖擊地壓的監(jiān)測(cè)與防治成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。吳祥彬等[3]采用鉆屑法對(duì)巷道圍巖沖擊危險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，取得了較為成功的應(yīng)用；譚云亮等[4]研究了堅(jiān)硬頂板條件下沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，并采用應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行監(jiān)測(cè)；張偉[5]采用礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究了煤層間距較小的采空區(qū)下方工作面采用綜合機(jī)械化采煤工藝時(shí)的礦壓規(guī)律；竇林名等[6]提出了沖擊地壓發(fā)生的原理為動(dòng)靜載疊加，并基于該誘發(fā)原理討論了震動(dòng)波主被動(dòng)CT 反演技術(shù)等。

本文采用微震監(jiān)測(cè)、礦壓監(jiān)測(cè)、煤體應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)3 種監(jiān)測(cè)方法對(duì)園子溝煤礦1012001 工作面過“見方”區(qū)域沖擊危險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提出了大直徑卸壓鉆孔和高壓水力壓裂相結(jié)合的卸壓方案。為回采相似情況工作面監(jiān)測(cè)與防治沖擊地壓提供了經(jīng)驗(yàn)。

1 工作面概況

園子溝礦區(qū)地形總體為東南方向較高，西北方向偏低。1012001 工作面是園子溝煤礦首采工作面，工作面東部為101 盤區(qū)大巷，南部為1012002 工作面，西部為101 盤區(qū)邊界，北部為西翼大巷。工作面走向長(zhǎng)2 750 m，傾向長(zhǎng)200 m，受地面村莊影響設(shè)計(jì)開采長(zhǎng)度為1 600 m，工作面設(shè)計(jì)五條巷道，分別為高抽巷、1、2 號(hào)回風(fēng)巷、帶式輸送機(jī)巷和輔助運(yùn)輸巷，其中1、2 號(hào)回風(fēng)巷留1.5 m 底煤，帶式輸送機(jī)巷和輔助運(yùn)輸巷留1m 底煤。該工作面所采煤層為2 煤層，平均煤厚11.02 m。頂?shù)装鍘r性均為泥巖，其中頂板厚2.0 m，底板厚5.0 m。2 煤層及其頂板均具有弱沖擊傾向性，底板無(wú)沖擊傾向性。

1012001 工作面布置示意圖如圖1 所示。據(jù)三維地震勘探資料顯示，工作面內(nèi)發(fā)育有DF12 和DF26斷層，1 號(hào)回風(fēng)巷側(cè)附近區(qū)域發(fā)育有DF30 斷層，輔助運(yùn)輸巷側(cè)附近區(qū)域發(fā)育有DF25 斷層。B3 背斜軸部和X2 向斜軸部穿過工作。

結(jié)合地質(zhì)因素和開采技術(shù)條件，采用綜合指數(shù)法和多因素耦合法對(duì)1012001 工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分級(jí)。回采期間1012001 工作面沖擊地壓危險(xiǎn)性綜合指數(shù)0.67，為中等沖擊危險(xiǎn)；劃分強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域1個(gè)，中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域19 個(gè)，其余為弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。其中，工作面回采進(jìn)尺150~250 m 為“見方”影響區(qū)域，受“見方”影響，該區(qū)域?yàn)閺?qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，回采期間應(yīng)做好監(jiān)測(cè)預(yù)警措施，并提出針對(duì)性防治方案，以確保工作面安全回采。

圖1 1012001 工作面布置示意圖

2 “見方”期間沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警情況

園子溝煤礦采用區(qū)域與局部相結(jié)合的方法對(duì)工作面回采期間的沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，區(qū)域監(jiān)測(cè)采用微震監(jiān)測(cè)法；局部監(jiān)測(cè)采用應(yīng)力監(jiān)測(cè)法以及礦壓監(jiān)測(cè)法。

2.1 微震監(jiān)測(cè)

微震監(jiān)測(cè)是通過采集巖石破壞產(chǎn)生的微震和聲波數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)被處理后可以確定破壞位置并顯示出來(lái)[7]。1012001 工作面共安裝SOS 微震拾震器9個(gè)，其中2 號(hào)回風(fēng)巷4 個(gè)，帶式輸送機(jī)巷5 個(gè)。

圖2 微震監(jiān)測(cè)日能量與頻次曲線圖

2019 年9 月12 - 10 月 24 日工作面微震監(jiān)測(cè)日能量與頻次曲線圖如圖2 所示，由圖可以看出，1012001 工作面微震日能量和微震頻次在9 月22日后明顯增加，9 月28 日微震日能量和頻次有所下降，10 月4 日又處于較高水平，說明“見方”影響自工作面回采150 m 開始出現(xiàn)，其中回采170~190 m時(shí)“見方”影響較小，190~250 m 時(shí)“見方”影響較大。“見方”期間，采空區(qū)頂板巖層穩(wěn)定性減弱，巖層斷裂，受力狀態(tài)發(fā)生改變，造成頂板的劇烈破壞，形成大范圍的動(dòng)壓擾動(dòng)，引起震動(dòng)事件。

2.2 煤體應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)

采動(dòng)應(yīng)力的時(shí)空演化過程對(duì)沖擊地壓的發(fā)生有重要影響，因此要加強(qiáng)煤體應(yīng)力的監(jiān)測(cè)。

9 月 22 日 -10 月 24 日期間 1012001 工作面超前300 m 范圍應(yīng)力最大值變化如圖3 所示。由圖可以看出，9 月22 日-10 月18 日應(yīng)力最大值始終處于8~9 MPa 之間，10 月19 日應(yīng)力最大值開始降低并于10 月21 日維持在6~7 MPa。工作面9 月22 日進(jìn)入“見方”區(qū)域，10 月 21 日過“見方”區(qū)域。“見方”期間，工作面最大應(yīng)力值受頂板結(jié)構(gòu)影響處于較高水平，“見方”結(jié)束，最大應(yīng)力值降低表明采空區(qū)后方頂板可能出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致前方應(yīng)力峰值降低。

圖3 1012001 工作面應(yīng)力監(jiān)測(cè)最大值變化圖

2.3 礦壓監(jiān)測(cè)

礦壓監(jiān)測(cè)可為掌握工作面周期來(lái)壓規(guī)律以及液壓支架的初撐力和工作阻力等支護(hù)情況提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，是沖擊地壓危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的重要補(bǔ)充手段[8]。工作面“見方”期間分別在 9 月 28 日、10 月 3 日、10 月 7日、10 月 14 日、10 月 21 日出現(xiàn)周期來(lái)壓現(xiàn)象。

圖4 工作面周期來(lái)壓期間液壓支架工作阻力統(tǒng)計(jì)圖

周期來(lái)壓期間液壓支架的工作阻力變化如圖4所示，可看出“見方”區(qū)域周期來(lái)壓期間，工作面中部30-90 號(hào)支架出現(xiàn)壓力集中。“見方”區(qū)域，頂板形成“O-X”破斷結(jié)構(gòu)，頂板大面積破斷造成工作面支架阻力增大。且“見方”與周期來(lái)壓疊加造成周邊圍巖應(yīng)力環(huán)境十分復(fù)雜，來(lái)壓情況更為嚴(yán)重。

綜上所述，在“見方”期間，應(yīng)加強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)與防護(hù)，采用區(qū)域監(jiān)測(cè)與局部監(jiān)測(cè)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)手段，同時(shí)應(yīng)提高工作面中部的支架強(qiáng)度，保證支架初撐力。

3 “見方”期間防沖方案設(shè)計(jì)

由上述監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，“見方”期間造成工作面沖擊危險(xiǎn)的主要原因是煤體應(yīng)力集中較高和工作面頂板大面積破斷造成的沖擊動(dòng)載。為降低工作面沖擊危險(xiǎn)，設(shè)計(jì)以大直徑鉆孔卸壓和頂板高壓水力壓裂為主的卸壓方案。

3.1 大直徑鉆孔卸壓

是預(yù)防沖擊地壓災(zāi)害的有效手段，它是一種施工在所采煤層中的，孔徑不小于120 mm 的卸壓鉆孔，使鉆孔周圍的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，使得應(yīng)力峰值向?qū)ぷ髅嬗绊戄^小的煤體深部轉(zhuǎn)移；同時(shí)，鉆孔增大了煤巖體的自由面，緩慢釋放了積聚在煤巖體中的大量彈性能，降低煤巖體的沖擊危險(xiǎn)性。

“見方”區(qū)域卸壓孔布置如圖5 所示。針對(duì)1012001 工作面“見方”影響區(qū)域，共施工Ф153 mm大直徑預(yù)卸壓鉆孔267 個(gè)，其中2 號(hào)回風(fēng)巷煤柱側(cè)50 個(gè)，孔深10 m；底板67 個(gè)，孔深為穿過煤層，平均3 m；帶式輸送機(jī)巷工作面?zhèn)群兔褐鶄?cè)各50 個(gè)，孔深20 m；輔助運(yùn)輸巷實(shí)體側(cè)50 個(gè)，孔深20 m。

圖5 工作面“見方”區(qū)域卸壓孔布置示意圖

3.2 高壓水力壓裂

高壓水力壓裂是利用高壓水改變頂板的結(jié)構(gòu)，形成有利于頂板破斷的裂隙；同時(shí)，頂板巖層吸水后強(qiáng)度降低，有利于頂板垮落。頂板的及時(shí)充分垮落能有效防治頂板型沖擊地壓。

工作面2 號(hào)回風(fēng)巷、帶式輸送機(jī)巷超前工作面200 m 至停采線施工水力壓裂孔。水力壓裂鉆孔孔徑58 mm，孔深35 m，傾角70°，方位角 190°（與巷道夾角80°，終孔朝向采空區(qū)側(cè)），孔間距10 m。水力壓裂鉆孔布置平、剖面示意圖如圖6 所示。

圖6 水力壓裂鉆孔布置平、剖面示意圖

綜上所述，工作面“見方”期間沖擊危險(xiǎn)防治對(duì)策如圖7 所示，通過采取上述措施，及時(shí)監(jiān)測(cè)工作面沖擊危險(xiǎn)，降低工作面沖擊危險(xiǎn)程度，預(yù)防了沖擊地壓事故的發(fā)生，保證了工作面安全生產(chǎn)。

圖7 工作面“見方”期間沖擊危險(xiǎn)防治對(duì)策

4 結(jié) 論

1）工作面受“見方”影響，采空區(qū)頂板巖層穩(wěn)定性減弱，頂板結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，造成頂板的嚴(yán)重破壞，沖擊危險(xiǎn)性增高。

2）工作面“見方”期間，微震日能量和微震頻次增加，工作面前方應(yīng)力最大值增大，工作面支架阻力增大。

3）根據(jù)工作面監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，建立了工作面“見方”期間沖擊危險(xiǎn)防治對(duì)策，降低了沖擊地壓危害程度，保障了礦井正常生產(chǎn)接續(xù)。