強礦壓工作面多參量綜合監(jiān)測預警技術的研究與應用

段文超

(山西晉城煤業(yè)集團 勘察設計院有限公司， 山西 晉城 048006)

煤炭資源作為我國賴以發(fā)展的主要能源之一，有著不可替代的地位。近年來，機械化作業(yè)水平的快速進步促使煤炭產量有了大幅度的提高，淺部煤炭資源走向枯竭。進入深部開采后，由于煤層埋深加大，上覆巖層所帶來的應力也進一步增加，導致深部煤炭開采存在較大安全隱患，其中最為顯著的是礦壓強度增加帶來的一系列安全問題[1-2]. 如何針對這一問題進行監(jiān)測預警，進而提前采取措施消除隱患，降低礦山事故發(fā)生的可能性，為本文研究的主要側重點。

1 工程地質概況

河南能源義煤集團躍進煤礦坐落于義馬市區(qū)南部2 km位置處，是一座沖擊地壓礦井。躍進煤礦自2010年后每年原煤產量突破170 Mt，井田內煤田沿走向長為3.8～6.9 km，沿傾向寬為2.0～3.9 km，井田整體面積大約為21.4 km2. 井田內主采2-1#煤層，厚度為7.4～13.8 m，平均厚度為10.6 m，傾角為5°～15°，平均傾角為10°，屬于緩傾斜特厚煤層賦存條件。目前該礦井已經(jīng)進入深部煤層開采階段，本文以典型的25110采煤工作面為工程研究背景，其平面布置情況見圖1.

圖1 25110采煤工作面平面布置圖

由圖1可知，25110采煤工作面一側為已經(jīng)開采完畢的25090工作面采空區(qū)，另外一側為實體煤。25110采煤工作面地表標高為+551～+596 m，工作面標高為-390～-452 m，平均埋深接近1 000 m，屬于深井采煤工作面。由于該采煤工作面開采深，上覆巖層自重對于工作面回采的影響較大，且25110工作面回采期間發(fā)生多次強礦壓顯現(xiàn)情況。

主采2-1#煤層的沖擊傾向性為強沖擊傾向性，屬于強沖擊危險工作面。對于25110采煤工作面的安全評價結論進一步證實了該工作面具有沖擊危險性。因此，為了防止25110工作面后續(xù)開采期間發(fā)生沖擊地壓事故，有必要采用多種監(jiān)測手段對工作面回采期間的礦壓顯現(xiàn)程度進行實時監(jiān)測預警。

沖擊地壓的誘發(fā)機理大致可分為煤層誘發(fā)型和頂板誘發(fā)型兩類[3-4]，見圖2.

圖2 工作面嚴重礦壓顯現(xiàn)誘發(fā)示意圖

由圖2a)可知，在25110采煤工作面回采期間，煤體內因為工作面埋深較大以及開采引起的高應力集中將會在煤體內積聚較高的彈性應變能，進而存在煤體瞬間失穩(wěn)誘發(fā)沖擊破壞的危險性。由圖2b)可知，在25110采煤工作面開采期間，工作面上方厚硬頂板的破斷將會產生較大的動載荷，動載荷以彈性應力波的形式傳播至工作面采掘空間周圍煤體內時，將會與煤體內原本積聚的一定程度的靜載荷疊加作用而導致煤體瞬間失穩(wěn)誘發(fā)沖擊破壞的危險性。針對圖2a)所示的煤層誘發(fā)型礦壓顯現(xiàn)可以通過對煤層預先施打大直徑卸壓鉆孔、煤層注水等措施轉移煤體內積聚的高集中靜載荷;而針對圖2b)所示的頂板誘發(fā)型礦壓顯現(xiàn)則需要在采煤工作面的整個回采期間進行實時監(jiān)測，通過一系列相關參量的監(jiān)測結果，實現(xiàn)對于頂板來壓的監(jiān)測預警，進而及時采取相應的措施來消除頂板誘發(fā)型礦壓顯現(xiàn)對采煤工作面的安全高效生產帶來的潛在隱患。

2 頂板破斷力學分析

將25110采煤工作面平面布置圖簡化為三邊固支、一邊簡支的薄板平面結構[5]，關于其受力情況見圖3.

圖3 工作面薄板平面受力簡化模型圖

根據(jù)圖3所示，工作面薄板平面受彎矩力情況可以通過如下公式計算得到：

(1)

式中:

a—采煤工作面的回采推進距離，m；

b—采煤工作面的寬度，m；

μ—泊松比；

q—工作面薄板上覆軟弱夾層對其施加的均布載荷大小，MPa.

通過對式(1)求導可知,工作面薄板內彎矩最大值通常位于工作面寬度的中間位置處，即工作面沿中間位置最易發(fā)生破斷。而工作面寬度中間位置處沿推進方向做剖面，可以對工作面回采期間頂板的破斷運移狀態(tài)進行分析，見圖4.

根據(jù)圖4所示，隨著工作面的回采，其頂板呈現(xiàn)出圖4a)、b)、c)、d)4個步驟，并且會周而復始的依次循環(huán)這4個步驟，進而導致工作面回采期間頂板呈現(xiàn)出周期來壓的特點，而正是周期來壓的存在，導致工作面在來壓期間存在因為動靜載荷疊加作用而誘發(fā)嚴重礦壓顯現(xiàn)的危險性。針對頂板隨著工作面回采而呈現(xiàn)出的周期來壓特點，可以通過一系列的參量監(jiān)測來對其進行監(jiān)測預警。

3 多參量綜合監(jiān)測預警技術

3.1 工作阻力參量監(jiān)測

25110采煤工作面回采期間，通過作業(yè)面內液壓支架上所安裝的礦用數(shù)字壓力計可以實時對液壓支架的工作阻力進行監(jiān)測。分別在作業(yè)面上部、中部和下部的液壓支架上各安裝4組、5組和4組礦用數(shù)字壓力計。礦用數(shù)字壓力計布置情況見圖5.

圖5 作業(yè)面內礦用數(shù)字壓力計布置示意圖

現(xiàn)場隨著25110采煤工作面的推進而監(jiān)測到的工作阻力數(shù)據(jù)情況見圖6.

圖6 工作阻力參量監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

圖6所示為隨著25110采煤工作面的推進而監(jiān)測到的工作阻力數(shù)據(jù)平均值，可以看到，隨著工作面的回采推進，工作阻力數(shù)據(jù)平均值呈現(xiàn)出周而復始的峰值—峰谷波動曲線，這也較好地驗證了前面理論分析的正確性。可以依據(jù)工作阻力數(shù)據(jù)平均值相鄰峰值之間的距離計算出頂板的周期破斷步距，進而為工作面后續(xù)的回采提供參考依據(jù)。當工作面的推進距離接近于頂板的周期破斷步距時，就要及時采取措施，保證工作面不受頂板破斷影響，持續(xù)安全高效開采。

3.2 微震參量監(jiān)測

對25110采煤工作面2011年8月9日周期來壓前、中、后期間的微震參量進行監(jiān)測，見圖7.

圖7 微震參量監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

圖7所示為通過SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)對25110采煤工作面某一次周期來壓期間的能量事件的監(jiān)測結果，圖中所示能量事件的大小由不同的能量球大小來表示，能量球直徑越小，對應的能量也越小，反之能量球直徑越大，對應的能量也越大。由圖7a)可知，周期來壓前開始出現(xiàn)較大能量事件(能量事件最大值為2.3×105J)；由圖7b)中可見，周期來壓時出現(xiàn)特大能量事件(能量事件最大值為1.9×106J)；而由圖7c)中可見，周期來壓后能量事件中不存在較大能量事件和特大能量事件(能量事件最大值為4.8×104J)，說明頂板周期破斷時為能量釋放的主要時間節(jié)點。綜上分析可知，頂板周期來壓期間存在能量的釋放，且主要集中在周期來壓的前、中期階段，這也表明在頂板發(fā)生周期破斷來壓前就應該及時采取措施，保證工作面不受頂板破斷所帶來的動載荷能量影響。

3.3 電磁輻射參量監(jiān)測

為了更好地對25110采煤工作面回采期間的安全性進行評價，及時發(fā)現(xiàn)潛在的危險隱患，可以對頂板來壓期間25110采煤工作面寬度的中間位置進行電磁輻射監(jiān)測[6]，典型電磁輻射參量監(jiān)測結果見圖8.

圖8 電磁輻射參量監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

圖8所示的3次典型周期來壓期間的電磁輻射參量表明，周期來壓時電磁輻射強度值將顯著增高并達到峰值，這表明頂板周期來壓時25110采煤工作面寬度的中間位置處煤體內所積聚的能量值將發(fā)生顯著的增高，存在潛在的誘發(fā)沖擊的危險性，需要及時采取卸壓解危措施。

通過工作阻力參量、微震參量和電磁輻射參量，從不同的角度對25110采煤工作面回采期間頂板發(fā)生周期性破斷時的參量變化進行了分析，均能從某一角度較好地反應出頂板周期破斷時參量的顯著變化情況，進而及時采取措施。多參量綜合監(jiān)測預警技術的應用能夠更加全面地對25110采煤工作面回采期間的礦壓強度進行實時監(jiān)測。多年來，該工作面未發(fā)生嚴重的沖擊地壓事故。

4 結 論

1) 采煤工作面回采期間所面臨的比較嚴重的礦壓顯現(xiàn)問題，從誘發(fā)因素分析大致可歸納為兩類，即煤層誘發(fā)型和頂板誘發(fā)型礦壓顯現(xiàn)。其中，頂板誘發(fā)型礦壓顯現(xiàn)則需要通過一系列相關參量的監(jiān)測結果，實現(xiàn)對于頂板來壓的監(jiān)測預警。

2) 鄰近采空區(qū)的接續(xù)工作面開采可以將其頂板視為三邊固支、一邊簡支的薄板平面結構，且工作面薄板內彎矩最大值通常位于工作面寬度的中間位置處，即工作面沿中間位置最易發(fā)生破斷。

3) 通過工作阻力參量、微震參量和電磁輻射參量，從不同的角度對采煤工作面回采期間頂板發(fā)生周期性破斷時的參量變化進行了分析，均能從某一角度反應出頂板周期破斷時參量的顯著變化情況，進而保證工作面不受頂板破斷影響，持續(xù)安全高效開采。