翟建博　徐勇勇　郭英杰

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

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基于應(yīng)力在線-微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的厚煤層掘進(jìn)面防沖優(yōu)化

翟建博徐勇勇郭英杰

(北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院)

摘要為優(yōu)化矯正巨厚礫巖下厚煤層掘進(jìn)面的防沖卸壓措施，采用理論分析、力學(xué)計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，探討了巨厚礫巖下厚煤層掘進(jìn)面沖擊地壓機(jī)理，提出了應(yīng)力在線-微震監(jiān)測(cè)方案，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：在相向相鄰井田采空區(qū)掘進(jìn)時(shí)，可根據(jù)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得到巖石破裂角對(duì)工作面寬度及開(kāi)切眼位置進(jìn)行優(yōu)化處理，同時(shí)基于應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可對(duì)鉆孔卸壓參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。常村煤礦21220掘進(jìn)工作面優(yōu)化后煤柱寬度不小于150 m，工作面寬度取265 m，幫部卸壓孔深度優(yōu)化為25 m，掘進(jìn)頭卸壓孔深40 m，卸壓孔直徑大于150 mm，成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)并取得了良好效果，驗(yàn)證了結(jié)論的可靠性，為相似條件下掘進(jìn)工作面的防沖措施提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞掘進(jìn)工作面沖擊地壓應(yīng)力在線-微震監(jiān)測(cè)

近年來(lái)，隨著礦井開(kāi)采深度的不斷增加，沖擊地壓治理已成為世界性難題[1]，掘進(jìn)工作面受到地質(zhì)條件、現(xiàn)場(chǎng)施工工藝等綜合因素的影響，沖擊地壓防治工作尤為重要。目前，我國(guó)學(xué)者對(duì)掘進(jìn)工作面的沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)及技術(shù)做了一些研究[2]，并根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了沖擊地壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[3]；國(guó)內(nèi)沖擊危險(xiǎn)礦井雖然在巷道掘進(jìn)過(guò)程中采取了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的裝備和技術(shù)，但至今仍未能完全控制住這類災(zāi)害，尤其是存在巨厚礫巖的厚煤層掘進(jìn)面。

以河南義馬常村煤礦21220工作面下巷為研究對(duì)象，該掘進(jìn)工作面受到上工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力、躍進(jìn)煤礦采空區(qū)上覆巨厚礫巖傳遞應(yīng)力、下山煤柱區(qū)上分層工作面采空區(qū)外圍支承壓力、掘進(jìn)擾動(dòng)應(yīng)力等綜合因素的影響，存在強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)，且在掘進(jìn)期間已多次發(fā)生沖擊地壓事件。因此，為了保障該掘進(jìn)工作面能夠安全推進(jìn)，并探索掘進(jìn)期間的沖擊危險(xiǎn)性綜合監(jiān)測(cè)預(yù)警方法和指標(biāo)，特對(duì)該掘進(jìn)工作面進(jìn)行應(yīng)力-微震監(jiān)測(cè)。根據(jù)21220掘進(jìn)工作面的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)存在沖擊危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并及時(shí)調(diào)整優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)卸壓措施，保證本工作面的安全掘進(jìn)。

1工程地質(zhì)條件分析

1.1地質(zhì)條件

常村煤礦21220工作面標(biāo)高為-191.622～-254.484 m，工作面對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為+519～+586 m，最大采深達(dá)815 m，走向長(zhǎng)926～909 m，傾斜長(zhǎng)264～366 m，工作面煤層從煤軌向西至設(shè)計(jì)切眼，逐漸變薄，且煤層中夾矸增多，平均煤厚7.9 m，傾角為9°～15°，可采儲(chǔ)量為202萬(wàn)t。該工作面以北為已采畢的10個(gè)采空區(qū)，以南為未開(kāi)掘的21240工作面，以西為相鄰躍進(jìn)煤礦已回采完畢的23050工作面及正在回采的23070工作面(最小煤柱間距為102 m)，以東為21盤區(qū)的3條下山。21220工作面位置見(jiàn)圖1。

圖1　21220工作面位置

1.2巨厚礫巖及地表沉陷量

21220工作面直接頂為1～4.9 m厚泥巖，老頂為31.5～32.6 m厚泥巖，之上為幾十到百余米的砂礫巖互層，再向上為發(fā)育到接近地表350～450 m的巨厚礫巖層，巨厚礫巖導(dǎo)致21220附近工作面開(kāi)采后地表下沉不明顯，懸頂應(yīng)力傳遞到正在開(kāi)采區(qū)域21220工作面，易發(fā)生沖擊地壓和礦震；同時(shí)地表沉陷現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果顯示，該礦21采區(qū)東翼淺部礫巖已經(jīng)斷裂沉降，下沉量達(dá)到5 m以上，而西翼深部正在掘進(jìn)的21220工作面下巷區(qū)域地表最大沉陷量約1 m。因此，21220工作面存在巨型礫巖結(jié)構(gòu)，是沖擊地壓防治的重點(diǎn)區(qū)域。

2巨厚礫巖厚煤層沖擊機(jī)理及監(jiān)測(cè)原理

2.1巨厚礫巖震動(dòng)誘發(fā)沖擊地壓發(fā)生機(jī)理

工作面上覆礫巖厚度較大時(shí)，附近采空區(qū)上方地表沉陷幅度小，巖層完整性好，抗變形能力強(qiáng)，有利于彈性變形能的儲(chǔ)存。一旦堅(jiān)硬頂板發(fā)生脆性斷裂，猛然釋放巨大彈性勢(shì)能和重力勢(shì)能，并以應(yīng)力波的形式到達(dá)煤巖層自由面，造成自由面附近的煤巖體破壞并獲得一定的動(dòng)能，形成強(qiáng)烈的沖擊力，使自由面附近煤巖應(yīng)力瞬間升高誘發(fā)沖擊地壓。

設(shè)采掘空間周圍煤巖體的初始應(yīng)力為σ，巖體自重應(yīng)力為σq；震動(dòng)造成的附加應(yīng)力為σ′，沖擊地壓發(fā)生的臨界應(yīng)力為σk，則礫巖斷裂時(shí)震動(dòng)誘發(fā)沖擊地壓的機(jī)理可描述為

(1)

根據(jù)已有的礦壓理論可知，第i層關(guān)鍵巖層傳遞到一側(cè)工作面前方的應(yīng)力增量Δσi為[4]

(2)

式中，σimax為第i層關(guān)鍵層在采空區(qū)一側(cè)煤體上產(chǎn)生的最大支承壓力，MPa；Hi為第i層關(guān)鍵層厚度中心到煤層底板的距離，m；α為上覆巖層斷裂角，(°)。

其中，

(3)

(4)

式中，I為采空區(qū)高度，m；Mi為第i層關(guān)鍵層厚度，m；Mj為第j層關(guān)鍵層厚度，m；Qi為第i層關(guān)鍵層在采空區(qū)懸露部分的一半重量，kN。

其中，

(5)

(6)

式中，Li為第i層關(guān)鍵層厚度中心位置在采空區(qū)的懸露長(zhǎng)度，m；2I為采空區(qū)寬度，m；γ為巖層容重，kN/m3。

所以，由自重產(chǎn)生的應(yīng)力為

(7)

綜上可知，支承壓力的估算公式由一組分段函數(shù)組成，即解算分段函數(shù)便可得到總支承壓力：

(8)

2.2沖擊地壓實(shí)時(shí)在線-微震聯(lián)合監(jiān)測(cè)原理

臨場(chǎng)建立以沖擊地壓(動(dòng)態(tài)應(yīng)力)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)-微震監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)為主，其他手段為輔的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，達(dá)到預(yù)防動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的目的。大采深巨厚礫巖結(jié)構(gòu)下采掘工作面，巨厚礫巖的傳遞應(yīng)力占主導(dǎo)地位。當(dāng)高位巖層緩慢沉降，煤體受到巖層和底板夾持作用應(yīng)力持續(xù)增加，導(dǎo)致煤體發(fā)生破裂或巖層發(fā)生斷裂，巖層斷裂時(shí)，斷裂支點(diǎn)位置產(chǎn)生震動(dòng)，誘發(fā)沖擊地壓。因此，針對(duì)該類采掘工作面，監(jiān)測(cè)煤體受力狀態(tài)和大范圍煤巖震動(dòng)信息對(duì)預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生至關(guān)重要。

在沖擊地壓礦井開(kāi)采成本中，防沖成本占了很大的比重。而各種防沖措施的必要性和應(yīng)用到何種程度、是否需要聯(lián)合使用、防沖措施的具體參數(shù)等問(wèn)題，一直沒(méi)有明確的答案，通常只是通過(guò)工程類比進(jìn)行施工，這是造成防沖成本增加且安全性難以保證的重要原因之一。

3沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

監(jiān)測(cè)的最終目的是為了防治沖擊地壓。沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)能夠通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果達(dá)到預(yù)警、優(yōu)化開(kāi)采設(shè)計(jì)、優(yōu)化卸壓措施等目的，保證采掘作業(yè)的安全。

3.1開(kāi)采設(shè)計(jì)優(yōu)化

巨厚礫巖結(jié)構(gòu)下工作面回采后，采空區(qū)上方地表沉陷不明顯，巖層出現(xiàn)大面積懸頂，對(duì)采空區(qū)外側(cè)煤體的側(cè)向支承壓力峰值位置、支承壓力峰值大小、低應(yīng)力區(qū)范圍、支承壓力影響區(qū)范圍、原巖應(yīng)力區(qū)范圍都產(chǎn)生不同程度的影響。因此，在不考慮礫巖懸頂結(jié)構(gòu)情況下設(shè)計(jì)工作面寬度，不僅會(huì)增加采掘工作的沖擊危險(xiǎn)性、加重防沖任務(wù)，同時(shí)也會(huì)增加支護(hù)難度，影響正常生產(chǎn)。微地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)反映頂板巖層的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而確定出巖層移動(dòng)角，設(shè)計(jì)人員再根據(jù)懸頂采空區(qū)側(cè)向支承壓力計(jì)算模型確定出采空區(qū)側(cè)向支承壓力變化曲線[5]，為巨型礫巖結(jié)構(gòu)工作面的防沖開(kāi)采設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.2卸壓措施優(yōu)化

針對(duì)礦山壓力顯現(xiàn)較明顯或應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)警的區(qū)域，常常采用大直徑深孔卸壓技術(shù)及深孔爆破技術(shù)進(jìn)行解危處理。根據(jù)應(yīng)力三向化轉(zhuǎn)移原理[6]，對(duì)具有沖擊地壓危險(xiǎn)的局部區(qū)域采用大直徑鉆孔進(jìn)行卸壓，能夠保證自由面周圍煤巖體處于低應(yīng)力狀態(tài)，形成低應(yīng)力帶。應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)不但可以通過(guò)測(cè)點(diǎn)附近煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)優(yōu)化掘進(jìn)工作面超前卸壓孔的安全余量，還能對(duì)卸壓參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確保工作面的安全采掘。

針對(duì)義馬礦區(qū)沖擊地壓的特點(diǎn)，首先通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)厚煤層開(kāi)采后的上覆巖層斷裂角進(jìn)行理論計(jì)算，并應(yīng)用到工作面支承應(yīng)力計(jì)算模型，估算出高應(yīng)力集中區(qū)間，優(yōu)化工作面寬度，其次通過(guò)應(yīng)力在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)防沖措施的具體參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到控制圍巖應(yīng)力增幅最有效、最理想的卸壓參數(shù)，最后在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，形成“斷裂角確定—工作面寬度優(yōu)化—應(yīng)力在線云圖曲線校驗(yàn)—防沖措施優(yōu)化—有效性檢驗(yàn)”的半定量防沖技術(shù)。

4現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1掘進(jìn)工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

沖擊地壓的發(fā)生是不可預(yù)測(cè)的，但是能通過(guò)宏觀、多因素耦合評(píng)價(jià)對(duì)待采掘工作面進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，可宏觀或定性預(yù)測(cè)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域及危險(xiǎn)程度，為監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)布置提供依據(jù)。宏觀評(píng)價(jià)方法包括綜合指數(shù)法和可能性指數(shù)法。根據(jù)21220掘進(jìn)工作面地質(zhì)條件和開(kāi)采條件得到其沖擊危險(xiǎn)綜合指數(shù)Wt=max{Wt1，Wt2}=0.79，屬于強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性；根據(jù)可能性指數(shù)計(jì)算方法，通過(guò)21220掘進(jìn)工作面可能危險(xiǎn)性指數(shù)U=(UIc+UWet)/2=1，說(shuō)明該掘進(jìn)工作面發(fā)生沖擊地壓可能性非常大；整體來(lái)看，該掘進(jìn)工作面在推進(jìn)過(guò)程中沖擊危險(xiǎn)性高，需要警惕。

4.2沖擊地壓的測(cè)點(diǎn)布置

基于對(duì)21220掘進(jìn)工作面的鉆屑量實(shí)測(cè)分析，結(jié)合前期對(duì)巷道危險(xiǎn)區(qū)域的圈定結(jié)果，制定測(cè)點(diǎn)的具體布置方案。該巷道共布置12組測(cè)點(diǎn)，每組2個(gè)(超前測(cè)孔和垂直深孔)，自掘進(jìn)工作面處安裝第一組測(cè)點(diǎn)，巷道每推進(jìn)20 m，增加一組測(cè)點(diǎn)，直到巷道完成掘進(jìn)?？紤]到掘進(jìn)速度，掘進(jìn)迎頭超前測(cè)孔應(yīng)力計(jì)采用油管長(zhǎng)18 m的應(yīng)力計(jì)，滯后掘進(jìn)工作面3～5 m，測(cè)孔沿煤層方向向工作面按30°傾斜，距離巷道底板0.5～1.5 m；同時(shí)滯后1 m布置18 m垂直深孔測(cè)點(diǎn)。煤層剖面鉆孔見(jiàn)圖2。

圖2　煤層剖面鉆孔示意

另外，微震檢波器測(cè)點(diǎn)共布置8個(gè)。第一組微震檢波器距離迎頭不超過(guò)50 m，檢波器前后間距初步定為50 m，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果進(jìn)行調(diào)整。微震檢波器安裝在頂?shù)装邋^桿上，隨著掘進(jìn)面的推進(jìn)，對(duì)檢波器進(jìn)行移組，實(shí)現(xiàn)循環(huán)監(jiān)測(cè)。

4.3現(xiàn)場(chǎng)防沖措施優(yōu)化

4.3.1工作面寬度及開(kāi)切眼位置

根據(jù)微地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料，常村煤礦21220工作面臨采空區(qū)的巖層斷裂角為78°(圖3)。

圖3　大能量微震事件揭示的巖層斷裂角

基于巨厚礫巖下特厚煤層支承壓力估算模型分析躍進(jìn)煤礦23050工作面開(kāi)切眼支承壓力、常村煤礦21220側(cè)支承壓力的影響范圍及程度，為合理確定常村煤礦21220工作面寬度及開(kāi)切眼位置提供依據(jù)。巖層斷裂角為78°時(shí)支承壓力分布見(jiàn)圖4。

圖4　巖層斷裂角為78°時(shí)支承壓力分布

估算結(jié)果顯示，在距離23050開(kāi)切眼61～139 m 掘進(jìn)巷道具有沖擊危險(xiǎn)，考慮到安全系數(shù)、現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)采實(shí)際等因素，取21220工作面與躍進(jìn)礦23050工作面之間煤柱寬度不小于150 m(優(yōu)化前最小煤柱間距為102 m)；同理取工作面寬度為265 m。

4.3.2卸壓鉆孔參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)該掘進(jìn)工作面的卸壓參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。具體結(jié)果見(jiàn)表1。

優(yōu)化前后巷道幫部高度危險(xiǎn)區(qū)卸壓孔間距均是1 m，距底板1.0～1.5 m。卸壓參數(shù)調(diào)整后監(jiān)測(cè)的掘進(jìn)迎頭應(yīng)力曲線見(jiàn)圖5?？芍?，優(yōu)化后的參數(shù)正好能夠保證應(yīng)力升高的幫部煤體及時(shí)得到卸壓，實(shí)現(xiàn)了“有震無(wú)災(zāi)、有沖無(wú)傷”的特厚煤層沖擊地壓治理目標(biāo)。

表1　卸壓參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

圖5　參數(shù)優(yōu)化前后幫部煤體的應(yīng)力曲線

5結(jié)論

(1)常村煤礦21220工作面下順槽受到上工作面采空區(qū)側(cè)向支承壓力、躍進(jìn)煤礦采空區(qū)上覆巨厚礫巖傳遞應(yīng)力、下山煤柱區(qū)上分層工作面采空區(qū)外圍支承壓力、掘進(jìn)擾動(dòng)應(yīng)力等綜合因素的影響，具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性，需要在實(shí)踐中提高警惕。

(2)在相向相鄰井田采空區(qū)掘進(jìn)時(shí)，根據(jù)微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化巖石破裂角對(duì)工作面寬度及開(kāi)切眼位置，計(jì)算得到21220工作面與躍進(jìn)礦23050工作面之間煤柱寬度不小于150 m，工作面寬度取值265 m。

(3)根據(jù)沖擊危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)掘進(jìn)工作面的卸壓參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，21220掘進(jìn)面幫部卸壓孔深度優(yōu)化后增加了5 m，掘進(jìn)頭優(yōu)化為φ153 mm、深40 m卸壓孔，成功指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工,并取得了良好效果。

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(收稿日期2015-11-15)

翟建博(1989—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學(xué)院路30號(hào)。