大埋深堅硬頂板厚煤層沖擊地壓微震監測及防治措施

張 坤，方 海，李邵東，神瑞亮，任 尚

(1.內蒙古黃陶勒蓋煤炭有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017300；2.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業大學煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

2019年，我國煤炭總產量達到37.5億t，據不完全統計，內蒙古自治區、陜西省、新疆維吾爾自治區等三個省(區)的煤炭產量約占全國煤炭總產量的51%以上，長期大規模、高強度開采導致該區域內煤礦沖擊地壓事故的發生頻次和強度逐漸增加[1]。沖擊地壓是指煤巖體劇烈失穩導致其內部聚集的彈性能瞬間釋放的動力現象，其破壞性極大，往往會造成巷道變形、支架損壞，嚴重時會導致人員傷亡[2]。針對沖擊地壓的發生機理，國內外學者開展了大量基礎理論研究。齊慶新等[3-4]、潘一山[5]指出沖擊地壓按照發生機制的不同可以分為應變型沖擊地壓和滑移型沖擊地壓。竇林名等[6-7]通過研究表明沖擊地壓發生受靜載應力場和動載應力場疊加的影響較大。姜耀東等[8]指出按照沖擊地壓發生前煤巖體受力狀態可以將沖擊地壓劃分為結構失穩型和材料失穩型。綜合來看，沖擊地壓發生機理的復雜性導致其防治和監測預警工作存在一定的困難。因此，針對沖擊地壓如何進行有效防治并建立相應的預警監測體系一直是采礦領域的熱點問題之一[9]。

目前，較為成熟的沖擊地壓監測預警技術主要包括鉆屑法[10]、微震監測法[11-12]、地音監測法[13]以及聲發射/電磁輻射監測法[14-15]等。以上監測預警技術在我國煤礦企業均得到了很好的應用，但由于我國煤炭賦存條件較為復雜，采用以上單一方法的預警指標進行沖擊礦壓監測預警時具有一定的局限性[16]。同時，礦壓監測數據時空演化的多樣性以及不同監測系統預警值量綱的不同導致多參量間耦合分析較為復雜，因此，十分有必要開展沖擊地壓不同監測系統間聯合預警方面的相關研究，通過多參量預警指標間的對比和相互印證，從而達到工作面超前區域沖擊地壓監測預警的目的。

本文以巴彥高勒煤礦回采期間出現過動力顯現現象的311305工作面為研究背景，開展了大埋深、堅硬頂板、厚煤層條件下的沖擊危險區聯合監測預警技術方面的實踐。通過數值模擬的方法預分析了工作面超前區域應力集中段，采用聯合對比分析的方式研究了不同監測系統與沖擊前兆響應之間的時空演變規律，探討了多參量耦合判別沖擊礦壓危險性的可行性，并結合現場鉆檢和爆破卸壓的方式，為有效保證礦井安全生產提供了科學依據。

1 工程概況

巴彥高勒煤礦位于內蒙古呼吉爾特煤田內，含煤地層為侏羅系中統延安組，研究涉及的311305工作面平均埋深650 m，煤層平均厚度為5.38 m，傾角約為3°，工作面一側為采空區，另一側為實體煤，區段煤柱寬度為6 m，工作面位置如圖1所示。煤質f=2～3，實驗室測得煤單軸抗壓強度9.2 MPa，煤層頂板存在10～40 m厚的弱膠結砂巖層，根據中國安全生產科學研究院對該礦煤巖層沖擊傾向性鑒定結果：3-1煤層及頂底板巖層均具有中等沖擊危險性。

圖1 311305工作面位置示意圖Fig.1 Layout diagram of 311305 working face

2 沖擊危險區域判定方法

圖2為多參量耦合判別沖擊礦壓危險性的流程圖，具體方式為：首先對工作面超前區域應力分布進行預分析；其次，將超前區域采集的微震監測數據、支架應力監測數據以及聲電輻射監測數據進行聯合對比分析，研究沖擊事件發生前兆與各監測手段間的動態響應機制，判定工作面前方沖擊危險區域分布；最后，結合現場鉆檢結果，有針對性地采取相應的卸壓措施。

圖2 多參量耦合判別沖擊礦壓危險性及防治流程圖Fig.2 Flow chart of multi-factor coupling to identifythe risk of strong impact ore pressureand prevention

3 基于多因素耦合判別法的工程應用

3.1 工作面前方應力場分布

基于巴彥高勒煤礦3#煤層的實際情況，以311305工作面為研究背景，利用FLAC3D軟件構建了尺寸為1 000 m×800 m×160 m的幾何模型，在311305工作面和311306采空區兩側分別留設100 m的煤柱以抵消邊界效應，如圖3所示。設定模型的四周以及底部邊界位移及加速度為0，采用固定約束，在模型上部根據實際埋深施加12.8 MPa的等效垂直應力載荷，根據煤層的力學參數，采用摩爾-庫倫破壞準則進行迭代計算，跨落帶采用雙屈服模型處理。3#煤層的埋深為650 m，平均厚度為5.4 m，在311305工作面和311306采空區之間留設6 m小煤柱，模擬過程中，回采工作面的開采順序依照現場工作面開挖順序進行設置，首先將模型左側311306工作面開挖形成采空區，采空區處理時采用model null命令；模擬311305工作面在不同回采距離時工作面前方煤巖體超前支承應力分布范圍以及應力集中特征。

圖3 311305回采工作面開采模型Fig.3 Mining model of 311305 working face

圖4為工作面回采至20 m、50 m、100 m、150 m、200 m、300 m時沿走向應力分布云圖。由圖4(a)～圖4(f)可知，隨著工作面的推進，在煤層走向方向上，采動應力的超前影響距離約為270 m，采動應力增長區超前工作面10～80 m，采動應力集中區在工作面前方10～50 m；在工作面回采至300 m時，超前支承應力峰值為22.63 MPa，應力集中系數約為2.2。相鄰采空區以及未開采煤體對工作面前方應力分布影響略有差異，兩者疊加應力峰值區域大致集中在工作面前方5～30 m處的煤體中；由圖4還可以看出，在切眼后方30～50 m范圍內存在一個應力較高區域，此區域內應力峰值約為20 MPa，應力集中系數為2.0；在工作面開采擾動的復合作用下，回風順槽的生產幫以及運輸順槽的生產幫出現了應力集中現象，會引起巷道產生底鼓和變形等。

圖4 工作面回采過程中走向應力分布變化圖Fig.4 Strike stress distribution diagram of mining process in working face

圖5為工作面回采至20 m、50 m、100 m、150 m、200 m、300 m時工作面傾向方向上的應力分布云圖。由圖5可知，工作面傾向方向上超前應力的分布范圍約為245 m，側向采動應力增長區域超前工作面10～60 m，側向采動應力集中區在工作面前方10～50 m區域，峰值應力為22.63 MPa，應力集中系數約為2.2。綜合分析圖5(a)～圖5(f)可知，隨著工作面的推進，工作面臨空順槽側面向實體煤約25 m處存在一個應力集中區，傾向采動應力的分布呈現先逐步增大后逐步減小的趨勢；當工作面推進至300 m處時，傾向采動應力的峰值顯著增加，此時的應力值為24.34 MPa，集中系數為2.4。開采至該區域時臨空順槽側具有很強的沖擊危險性，應加強支護。

圖5 工作面回采過程中傾向應力分布變化圖Fig.5 Propensity stress distribution diagram of mining process in working face

3.2 工作面支架阻力數據對比分析

圖6為311305工作面支架工作阻力圖。由圖6可知，311305工作面支架阻力的變化趨勢能夠很好地反映工作面周期來壓情況，并且在工作面推進至275 m附近時，靠近“初次見方”位置(工作面寬度為300 m)，支架阻力持續上升，結合現場可以判定工作面前方超前支承應力集中程度較高，與數值模擬結果基本一致，因此需要聯系現場采取卸壓措施。

圖6 311305工作面推進至300 m附近時礦壓監測數據圖Fig.6 Mine pressure monitoring data map of 311305 working face pushed to 300 m

3.3 聲發射、電磁輻射監測數據

圖7為311305工作面推至300 m位置附近時的聲發射電磁輻射監測圖。由圖7可知，在3月份的監測數據中共出現了3次明顯的峰值，在峰值處電磁輻射的強度在60 mV附近波動，聲發射幅值在55 mV附近波動，結合現場監測數據可以判定這幾次峰值均是由于周期來壓導致的。在3月23日前后，工作面推進至距“初次見方”30 m位置，此時聲發射幅值以及電磁輻射強度持續上升，并超過虛線警戒線，說明此時工作面前方應力集中程度較高，發生沖擊地壓的傾向性顯著增加，需要聯系現場工人進行卸壓鉆孔解危措施。

圖7 311305工作面推進至300 m位置附近時聲電監測數據圖Fig.7 Acoustic monitoring data map of 311305 working face pushed to 300 m

3.4 微震數據對比分析

圖8為311305工作面微震監測數據對比分析圖。由圖8可知，3月1日—3月3日，微震監測數據較為平穩，3月6日微震監測能量值陡升為13 580 J，現場頂板發生斷裂后，微震監測能量值急劇下降，重新回歸沉寂期；3月12日，微震監測能量值升至15 374 J，現場監測到周期來壓后，微震監測能量值顯著下降，與聲電監測數據變化趨勢具有較好的一致性；3月23日，現場監測到的微震監測數據持續上升，這一過程在3月23日—3月26日期間一直持續，因此判定前方為沖擊危險區域。

圖8 311305工作面推至“初次見方”附近微震監測數據變化圖Fig.8 Microseismic monitoring data diagram of 311305 working face pushed to “first sight” position

3.5 現場防治措施

3.5.1 現場鉆檢結果

在根據數值模擬以及現場實時監測確定沖擊危險區域之后，巴彥高勒煤礦在311305工作面回采至距切眼260 m處，工作面超前30～70 m區域施工了5組鉆屑檢驗孔，鉆檢間距為10 m，應力集中區的鉆屑量曲線如圖9所示。由圖9可知，5組鉆孔中有2組的鉆屑量已經超過預警值，并且超前30 m鉆孔、40 m鉆孔和50 m鉆孔均出現動力顯現現象，表現為吸鉆或者卡鉆，因此該位置采集的煤屑量為0，吸鉆位置主要集中在鉆孔深度8～12 m區域，根據鉆檢結果，工作面前方存在較強的沖擊地壓危險。

圖9 應力集中區鉆屑量曲線Fig.9 Amount of drill chips curve in stress concentration area

3.5.2 現場防治措施

根據多參量耦合判別沖擊礦壓危險性方法，判定311305工作面前方存在較強的沖擊危險性后，現場采用大直徑鉆孔(Φ110～150 mm)卸壓措施對危險區域進行卸壓作業，鉆孔布置在距底板1.2～1.5 m處，鉆孔深度為15.0 m，危險區域鉆孔間距定為2.0 m，兩幫卸壓孔距工作面距離為3 m。采取措施后，次日早班時，測得的聲電監測數據降至40 mV，微震監測數據降至522 J，鉆屑量亦未超標，證明了多參量耦合判別沖擊礦壓危險性方法的現場適用性，該方法可以很好地對工作面前方超前應力集中去進行判別，從而達到顯著降低工作面沖擊地壓事故發生幾率的目的。

4 結 論

1) 針對大埋深、堅硬頂板、厚煤層復雜條件下易發生沖擊地壓危險的工作面，單一沖擊地壓監測預警方式難以準確對現場進行預警的技術難題，提出了多參量耦合判別工作面前方沖擊地壓危險區域判別方法，采用此方法顯著提高了該類地質條件下沖擊地壓預測的準確性，為現場實施卸壓解危提供了依據。

2) 以內蒙古巴彥高勒煤礦311305工作面為評價對象，開展了多參量耦合判別沖擊礦壓危險性方法的現場實踐。通過數值模擬預分析工作面超前應力集中區，結合現場微震監測數據、支架阻力監測數據以及聲發射、電磁輻射監測數據，準確判別了應力異常區，并進行了爆破卸壓，有效避免了沖擊事件的發生。

3) 如何將不同預警監測系統得到的沖擊地壓發生臨界值進行歸一化處理，從而形成沖擊地壓聯合監測預警技術體系，進一步提高沖擊地壓多因素耦合監測預警的效率仍需進一步深入研究。