孤島回采工作面沖擊危險性評價及防治監測

杜孝杰

(山西冀中能源集團隆泰煤業,山西 長治 046500)

沖擊地壓災害是煤礦近幾年經常發生的災害之一,沖擊地壓事故頻發,成為亟需煤炭企業解決的一個難題[1]。煤礦生產過程中對沖擊地壓的預測和防治非常重要,如何評估礦井的沖擊危險性等級,國內外學者提出了眾多觀點。其中,以可能性指數診斷法[2]、地質動力區劃法[3]、多因素耦合法和綜合指數評價法[4]最為著名。山西金暉隆泰煤業9109工作面南北兩側都是采空區,布置工作面回采后形成三面均是采空區的孤島工作面[5],受三面采空區應力分布影響,在工作面區域可能會發生沖擊地壓災害。本文從9109回采工作面沖擊地壓危險評估的角度出發,利用綜合指數評價方法對工作面沖擊地壓危險程度進行評估,并依據評估結果提出了孤島回采工作面沖擊地壓預警和防治的有關方法,為回采工作面評估沖擊危險性等級,預防沖擊地壓事故提供了思路。

1 工程背景

山西金暉隆泰煤業位于山西省沁源縣城西北約60 km處坡底村一帶,礦井生產規模為90×104t/a.井田內為寬緩褶曲組合構造,斷層較發育。現主采煤層為9+10#煤,煤層厚度1.15～3.90 m,平均2.67 m,全區穩定可采,埋深180～380 m,含夾矸0～2層,煤層直接頂為砂質泥巖、泥巖；基本頂為K2石灰巖；底板為泥巖、砂質泥巖。

9109工作面位置情況如圖1所示。北部緊鄰9105采空區,南部為9103采空區,布置工作面時會形成兩面臨空的“孤島”工作面,且隨著工作面推進,形成三面均是采空區的情形,在工作面區域可能會發生應力集中問題。

圖1 9109工作面平面位置圖Fig.1 Plane position of 9109 working face

9109工作面埋深約348 m,工作面傾斜寬度172 m,計劃可推進走向長度約680.4 m,總體呈東北—西南走向,傾向近似正東的向斜構造,煤層傾角平均10°,影響工作面回采的主要構造是斷層和陷落柱。9109工作面煤層頂板主要為泥巖、細粒砂巖、石灰巖等,煤層底板主要為粉砂巖、砂質泥巖、泥巖等,9109工作面鉆孔柱狀圖如圖2所示。

2 工作面沖擊

2.1 工作面沖擊傾向性鑒定

本次對9109工作面煤層沖擊傾向性進行鑒定工作,包括其煤層和頂、底板沖擊傾向性一并開展鑒定。9109 工作面沖擊危險性評價將從 9109 工作面附近的煤巖力學實測數據中以及煤巖沖擊傾向性鑒定數據中選取所需的評價指標參數。

圖2 9109工作面鉆孔柱狀圖Fig.2 Borehole histogram of 9109 working face

煤層的沖擊傾向可以分為無沖擊傾向性(Ⅰ類)、弱沖擊傾向性(Ⅱ類)和強沖擊傾向性(Ⅲ類)3類,各個煤層沖擊傾向性指標的類別、名稱以及評判指數如表1所示。

表1 煤的沖擊傾向性類別、名稱及指數Table 1 Category, name and index of burst tendency

根據實驗測定的4個煤層沖擊傾向性指數[6],采用綜合判定的方法來確定煤層的沖擊傾向性的強弱。實驗測定的4個煤層沖擊傾向性指數,動態破壞時間tD=747 ms,彈性能量指數WET=1.55,沖擊能量指數KE=1.47,均無沖擊傾向性,單軸抗壓強度ps=9.92 MPa,弱沖擊傾向性。綜合分析4個實驗測定結果得出,山西金暉隆泰煤業9109工作面煤層無沖擊傾向性,煤層的沖擊傾向性類別為第Ⅰ類。

頂板巖層的沖擊傾向性用ERB表示,單位kJ,是指巖層積蓄變形能并發生沖擊式破壞的性質,測定方法為巖梁試樣在均布載荷作用下,單位寬的巖梁達到極限跨度積蓄的彎曲能量[7]。

根據彎曲能量指標ERB的不同,可以把巖石沖擊傾向性分為無沖擊傾向性(Ⅰ類彎曲能量指標ERB≤15)、弱沖擊傾向性(Ⅱ類15120)三類。根據金暉隆泰煤業的實際情況,取樣測定了9109工作面頂板各層位巖石的自然視密度、抗拉強度和彈性模量,再根據上覆巖層各自厚度,分別計算出各巖層的彎曲能量指標。9109工作面煤層頂、底板巖層彎曲能量計算結果見表2。

表2 9109工作面煤層頂底板巖層彎曲能量計算結果Table 2 Roof and floor strata bending energy calculation results of 9109 working face

9109工作面煤層頂板巖層的彎曲能量指數為13.439 kJ,小于15 kJ,可以判定山西金暉隆泰煤業礦井9109工作面煤層頂板巖層的沖擊傾向性為Ⅰ類無沖擊傾向性。9109工作面煤層底板巖層彎曲能量指數為4.406 kJ,小于15 kJ,可以判定山西金暉隆泰煤業礦井9109工作面煤層底板巖層的沖擊傾向性為Ⅰ類無沖擊傾向性。

2.2 工作面沖擊危險性評價

依據9109工作面煤層和頂、底板沖擊傾向性鑒定結果,用綜合指數法對金暉隆泰煤礦9109工作面沖擊危險進行評價。

綜合指數法通過統計礦井范圍內已發生的沖擊地壓現象,分析開采技術因素、地質因素并評估這些因素對沖擊地壓發生的影響程度,確定各種因素的影響權重。在此基礎上,將其綜合起來,建立起礦井沖擊地壓危險性評價和預測方法。

綜合指數評價方法分為地質因素確定的沖擊礦壓危險程度和開采技術因素確定的沖擊礦壓危險程度。地質因素確定沖擊危險主要考慮了同一水平煤層沖擊地壓發生的次數、開采相關參數等因素。開采技術因素確定沖擊危險主要考慮了工作面與臨近采空區的關系、區段煤柱寬度和工作面長度等開采因素。

工作面沖擊地壓危險狀態等級評定綜合指數用Wt表示,Wt可由式(1)確定:

Wt=max{Wt1,Wt2}

(1)

式中,Wt1為地質因素影響評定指數；Wt2為開采技術因素影響評定指數。Wt應取Wt1、Wt2兩者中的大值,Wt1、Wt2可由式(2)確定:

(2)

式中,Wi為第i個地質因素或開采技術因素所確定的評價指數;Wi max為第i個地質因素或開采技術因素所確定的評價指數最大值;n1,n2為地質因素、開采技術因素的數目。

根據Wt可以判定工作面的沖擊地壓危險狀態等級,一般劃分為四個等級:A類無沖擊危險(Wt≤0.25)、B類弱沖擊危險(0.25 0.75)。工作面按劃分的沖擊危險等級采取相應的沖擊地壓危險防治對策,開展沖擊地壓監測工作。

2.3 沖擊危險評價

采用綜合指數法,根據山西金暉隆泰煤業9109工作面的地質條件和開采技術條件,分別計算出由地質因素和開采技術因素影響的沖擊地壓危險指數Wt1和Wt2,然后取兩者計算結果的最大值代表工作面沖擊危險指數。據此判定9109工作面的沖擊危險等級。

地質因素確定沖擊危險主要依據同一水平煤層沖擊地壓發生的歷史(次數)、開采深度、上覆裂隙帶內堅硬厚層巖層距煤層的距離、煤層上方100 m范圍頂板巖層厚度特征參數、開采區域內構造引起的應力增量與正常應力值之比、煤的單軸抗壓強度、煤的彈性能量指數等7個地質因素。根據工作面具體地質條件對地質因素進行評估并確定其評價指數。

根據表影響9109回采工作面沖擊地壓危險的7個地質因素評價指數,9109工作面地質因素對應的沖擊地壓危險狀態等級評定指數可按式(3)計算,7個地質因素的評價指數最大值均為3,所以Wi max=21,實際危險指數之和為2,故Wt1=2/21≈0.10。計算得出9109工作面內地質因素影響的沖擊地壓危險狀態等級評定指數為0.10。

(3)

綜合指數法包含的開采技術因素主要分析因開采方法引起的應力集中對煤巖沖擊危險影響程度。影響煤巖沖擊地壓危險的生產技術因素一般主要考慮保護層對本開采煤層的卸壓保護效果、本煤層開采工作面與保護層遺留煤柱水平距離、工作面周邊采空區分布、工作面長度、區段煤柱留設寬度、留底煤厚度、掘進或開采工作面與采空區距離、掘進或開采工作面與斷層構造距離、掘進或開采工作面與褶曲軸部的距離、掘進或開采工作面與煤層厚度劇烈變化區的距離等11個開采技術因素,根據工作面具體開采技術條件對開采技術因素進行評估并確定其評價指數。

9109工作面不涉及保護層開采,也沒有煤柱影響,所以不涉及保護層的卸壓程度這一因素評價指數的確定;工作面沒有保護層遺留煤柱的影響,所以不涉及工作面距上保護層開采遺留的煤柱的水平距離這一因素評價指數的確定;由于回采工作面巷道布置已完成,回采期間不涉及向采空區掘進的巷道,所以不涉及掘進或開采工作面與采空區距離這一因素評價指數確定。因此只需要確定其他8個開采技術因素的評價指數。9109工作面開采技術因素對應的沖擊地壓危險狀態等級評定指數可按式(4)計算:

(4)

由于9109工作面在進行開采技術因素影響的評價指數確定的過程中只評估了8個因素,且這8個開采技術因素的評價指數最大值均為3,所以Wi max=24,實際危險指數之和為2,故Wt2=6/24=0.25。所以9109工作面內開采技術因素影響的沖擊地壓危險狀態等級評定指數為0.25。

根據金暉隆泰煤礦9109工作面地質因素影響的沖擊地壓危險狀態等級評定指數Wt1,生產技術因素影響的沖擊地壓危險狀態等級評定指數Wt2,采用綜合指數法確定9109工作面整體沖擊地壓危險指數及危險等級,見表3所示。

由表3分析可知,9109工作面沖擊地壓危險狀態等級評定綜合指數Wt為0.25,工作面的沖擊地壓危險狀態等級,A類無沖擊危險(Wt≤0.25),據此判斷山西金暉隆泰煤礦9109工作面整體沖擊危險等級為A類,無沖擊地壓危險。

表3 沖擊地壓危險指數及等級評估Table 3 Index and grade evaluation of rock burst risk

2.4 工作面沖擊地壓預警技術與防治措施

2.4.1工作面沖擊地壓預警技術

山西金暉隆泰煤業9109工作面經綜合指數法方法評價,判定其沖擊危險性等級為無沖擊危險性,但無沖擊危險性并不意味著整個9109工作面區域不會發生沖擊地壓[8]。因此，9109工作面在正常回采過程中,應主動加強礦壓日常監測。工作面沖擊地壓危險監測預警技術包括以下幾點。

1)應力在線監測預測。應力在線監測預警系統的應力計布置在工作面兩側順槽內,井下數據傳輸采用無線傳輸,兩巷分別布置約2～3個無線接收器,其布置示意圖見圖3。

圖3 應力測點布置示意圖Fig.3 Layout of stress measuring points

根據沖擊地壓危險區評價結果,對危險區進行煤體應力實時監測。常規監測方案設計原則為:弱、中等沖擊地壓危險區測站間距20～40 m,強沖擊地壓危險區測站間距≤20 m。弱沖擊危險區域可采用單點布置，中等及以上沖擊危險區域正幫應力測點采用深淺孔布置,2個測點為一組,副幫采用單孔布置。故9109工作面設置測站間距為30 m,單點布置。由工程類比法,設定系統初裝后的初始預警值。在之后的系統運行中,需要在給定的初始預警閾值的基礎上結合鉆屑法檢驗和現場的礦壓顯現情況,對預警值進行適當的修改。日常維護時主要進行油管、應力采集儀、壓力變送器、線路及中繼器檢測。

2)鉆屑法。對于處在一定條件和正常應力作用下的煤體,如若設置不同的鉆孔深度進行鉆孔,那么煤體所處的應力狀態和不同深度鉆孔所產生的煤粉量也是不同的。隨著煤層應力狀態的不同,或煤層應力狀態突然發生改變,鉆孔的煤粉量也將隨之發生改變。由此,可以根據鉆孔煤粉量的差異性,預測煤體的受力狀態,判斷煤體受力情況是否突然改變,并進一步預測沖擊危險發生的可能性。在不受采動影響的附近煤層巷道中,布置5個鉆孔,鉆孔的直徑為42 mm,鉆孔深度為3.5倍的采高,且每相鄰兩個鉆孔的間距不小于10 m。在施工過程中,記錄好每個鉆孔每米掘進產生的鉆屑量,并據此繪制每個鉆孔的鉆屑量曲線,再將用加權平均法處理的結果作為標準鉆屑量。由此確定工作面的鉆屑量臨界值。

3)礦壓監測法。礦壓監測方法是指利用工作面礦壓數據和礦壓顯現等指標對沖擊礦壓進行預測。對于回采工作面,主要以巷道圍巖變形情況作為礦壓監測的指標。經研究分析,巷道兩幫位移、錨桿受力等可作為與巷道兩幫圍巖穩定有關的監控指標;頂板下沉量、錨固區內外的離層值等可作為與巷道頂板穩定有關的監控指標。此外,在進行礦壓監測時,要注意盡量選取便于進行現場實地監測的指標[9]。

2.4.2工作面局部沖擊地壓防治措施

1)煤體大直徑鉆孔卸壓。煤體大直徑鉆孔卸壓是指在煤體內應力集中區域或潛在的應力集中區域實施鉆孔,通過排出鉆孔內的大量煤粉,使鉆孔周圍煤體破壞區擴大,從而使鉆孔周圍一定應力區域煤巖體的應力集中程度下降,并使高應力轉移到煤巖體的深處,實現對局部煤體的預卸壓和解危[10]。工作面回采期間主要用煤體大直徑卸壓鉆孔對煤體進行卸壓。工作面常規區域大直徑鉆孔卸壓參數的選取如下:孔深20 m,鉆孔直徑150 mm,鉆孔順煤層單排布置,鉆孔距底板1～1.2 m,工作面沖擊危險程度為弱沖擊危險時,鉆孔間距設置為3 m;工作面沖擊危險程度為中等沖擊危險時,鉆孔間距設置為2 m;工作面沖擊危險程度為強沖擊危險時,鉆孔間距設置為1 m。當監測到工作面開采區域存在沖擊危險或出現沖擊顯現特征時,應在危險區及其附近15 m實施大直徑鉆孔解危措施,采取巷道兩側同參數卸壓,保證實體煤側巷道的穩定性。同時,應加強效果檢驗,確認預警指標小于臨界值后方可繼續作業。

2)煤層頂板超高壓注水壓裂卸壓。厚層堅硬頂板在工作面推過后,采空區側可能形成大面積懸頂不垮落,在巷道掘進工程中可能會造成隱患。對此,可以采取人工強制斷頂的手段對堅硬頂板進行預裂,目前主要采用頂板水力切頂、爆破斷頂等方式。

3 結論

通過分析山西金暉隆泰煤業9109工作面開采區域內現有的生產地質資料,得出如下結論:

1)經過實驗實測9109工作面沖擊傾向性鑒定結果為:工作面煤層無沖擊傾向性,工作面煤層頂、底板巖層均無沖擊傾向性。

2)采用綜合指數法評價山西金暉隆泰煤業9109孤島回采工作面沖擊地壓危險評定指數等級為0.25,判斷工作面沖擊危險等級為A類,無沖擊危險。

3)提出了采用應力在線監測法、鉆屑法或者礦壓監測法對9109工作面沖擊地壓危險進行預警和采用煤體大直徑鉆孔卸壓法、工作面煤層頂板超高壓注水壓裂卸壓法進行解危的沖擊地壓監測防治體系,確保礦井安全生產。