綜掘面過斷層沖擊地壓監測及解危卸壓技術分析

王萬里

（山東能源集團魯西礦業公司郭屯煤礦，山東 臨沂 276000）

沖擊地壓作為井工煤礦重大災害之一，往往具有突發破壞強、影響范圍大、誘發機制復雜等特點。根據統計分析表明，沖擊地壓的發生不僅與煤層埋深、地應力等因素密切有關，同時在地質構造發育區域內更易誘發沖擊地壓，特別是受采掘擾動激發活化的斷層構造附近。受沖擊地壓影響的礦井，在采掘活動過斷層期間尤其需要加強對沖擊地壓的監測和防治措施。本文以郭屯煤礦 3305軌道順槽掘進工作面過DF55 斷層構造區為工程背景，探討沖擊地壓礦井掘進巷道過斷層期間的監測和解危技術[1-6]。

1 工程概況

郭屯煤礦3305 工作面位于三采區西部，其北部為3309 工作面（未采），南部為3301 采空區，東部鄰三采區進風巷，其中3305 軌道順槽緊鄰3301 采空區，為沿空留窄煤柱掘進巷道，巷道尺寸5.2 m×3.7 m。3 煤層厚度2.6～3.6 m，平均厚度3.11 m，煤層呈黑色，條帶狀結構，具玻璃光澤，鏡煤、亮煤為主，內外生裂隙復雜，呈層狀構造，為半亮型。軌順煤層頂底板巖性及物理力學參數見表1。根據地質預測及相鄰3301 膠帶順槽揭露情況，DF55 斷層為正斷層，走向121°，傾向211°，傾角70°，落差約為6.8 m。工作面過斷層示意圖如圖1。

圖1 3305 軌道順槽過斷層示意圖

表1 煤層頂底板巖性特征

2 過斷層期間沖擊危險性分析

2019 年6 月經中國安全生產科學研究院鑒定，郭屯煤礦3 煤層及其頂底板均屬于Ⅱ類，具有弱沖擊傾向性。在揭露DF55 斷層期間，掘巷采取下盤破底托頂煤，上盤破頂留底煤方式通過斷層，根據頂底板巖性及留底煤情況，沖擊傾向性理論上稍強。同時結合沖擊地壓發生統計資料，在斷層等構造造成的煤巖轉換區域，斷層上盤發生沖擊的頻次和強度要明顯高于斷層下盤，而3305 軌道順槽掘進過DF55 斷層是從下盤進入上盤掘進，因此理論預測掘巷期間動力顯現趨勢增強。

同時，在斷層影響區域內，煤巖體的原巖應力重新分布，使得斷層附近圍巖應力集中明顯，因而在掘巷期間，隨著掘進面與斷層距離接近，掘進擾動造成的斷層活化程度加劇，應力集中程度增加，進一步增加了沖擊動力的誘發概率。

3 沖擊地壓監測預警技術

針對過斷層期間易發的沖擊風險，為實現掘進工作面對沖擊地壓的科學高效監測預警，建立以ARAMIS M/E 微震監測法為主，應力監測法和鉆屑法為輔的沖擊地壓綜合監測體系。

1）ARAMIS M/E 微震監測法

ARAMIS M/E 微震監測系統主要由地面基站、井下分站、記錄服務器等硬件設施和內置軟件基礎組成，可實現實時振動波形監測、微震事件記錄等功能，并對其進行定位和能量計算，結合現場施工工序等，對可能的沖擊地壓災害進行預評價分析，進而指導現場施工的防沖工作。此外，基于對發生微震事件的震源位置、發生時間、釋放的能量進行統計分析，結合地質特點及構造分布情況，可劃定潛在的沖擊災害危險區。

ARAMIS M/E 微震監測系統對掘進工作面的沖擊地壓預警指標為：掘進工作面發生單個能量達到或超過1.0×104J的微震事件，即預測為有沖擊危險。

2）應力在線監測法

掘進工作面安裝有KJ615型沖擊地壓監測系統，可實時監測受掘進擾動影響下的圍巖應力場變化情況，解析高應力區和應力異常區分布位置，基于圍巖應力狀態與沖擊危險性關系，實現防沖危險性監測預警，指導現場掘進速度和支護方式優化。監測測站布置間距50 m，每個測站內設置有2 個埋深分別為8 m、14 m 的應力測點，實現對巷道迎頭后方50～300 m 區域內的圍巖應力變化監測。掘進工作面應力在線預警指標見表2。

表2 應力在線監測指標

3）鉆屑法

鉆屑法是一種復測驗證區域沖擊危險性方法，通常微震監測法和應力在線監測法解析出沖擊危險區后，采用鉆屑法進行驗證檢測。此法通過在煤體中施工Φ42 mm 鉆孔，根據每米鉆屑量和施工中存在的動力現象判斷煤體的應力集中程度和沖擊危險程度。根據驗證結果和如表3 所示的3 煤層鉆屑量指標，若實測鉆屑量超過臨界鉆屑量，或在鉆孔過程中出現卡鉆、吸鉆及煤炮聲響等異常動力現象，則表明該區域存在沖擊危險。臨界鉆屑量指標見表3。

表3 煤層鉆屑量臨界值

4 沖擊危險解危措施

4.1 鉆孔卸壓

掘巷過斷層期間，為預防沖擊災害，現場采取施工大鉆孔卸壓的防沖措施，在形成卸壓保護帶的前方進行掘進。即在迎頭進入距離前方斷層50 m范圍時，對迎頭方向進行孔深30 m、孔徑150 mm的大直徑鉆孔施工卸壓，每次至少2 個，始終確保工作面超前卸壓保護帶不小于10 m。同時，針對過斷層期間留底煤情況，若底煤厚度小于0.5 m 時利用綜掘機對底煤進行破壞后回填，確保底煤失去完整性，達到斷底效果。若底煤大于0.5 m 小于2 m時則可采取大底煤鉆孔方式進行底板預卸壓，保證孔間排距不大于1 m。鉆孔深度以見煤層底板為準。

4.2 爆破卸壓

采用ARAMIS M/E 微震監測法和應力監測法檢測出具有沖擊危險的區域后，經鉆屑法驗證后，可采取松動爆破方式，改變圍巖應力狀態，釋放斷層構造附近應力高集中區或應力異常區的集聚應力，達到消除或減緩形成沖擊危險的目的。此方法需反復檢驗、爆破卸壓，直至解除危險。此外，在掘巷過斷層留底煤期間，若底煤厚度大于2 m，則需采取底煤爆破卸壓措施，按照孔徑Φ42 mm、每排不少于3 個孔、排距不大于3 m、孔深至煤層底板的施工方式，對底板進行超前預卸壓。

5 結論

本文理論分析了3305 軌道順槽過DF55 斷層期間的沖擊危險程度，提出了建立以ARAMIS M/E 微震監測法為主，應力監測法和鉆屑法為輔的沖擊地壓綜合監測體系，實現掘進工作面全時段沖擊地壓監測預警，并采取大鉆孔卸壓和爆破卸壓相結合方式，針對迎頭和底煤進行超前預卸壓，通過鉆屑復測驗證區域沖擊危險性明顯趨于平穩，部分實測鉆屑量指標見表4。

表4 DF55 斷層前后鉆屑復測驗證實測鉆屑量

通過實測數據及現場實際狀況，無應力集中區顯現，現場無明顯沖擊震動，通過鉆屑取樣，無鉆屑量超指標，工作面安全順利通過DF55 斷層，進一步印證了該方法的可行性。