孤島工作面沖擊地壓電磁輻射監(jiān)測與治理技術(shù)研究

陳 楊

（1.煤炭科學研究總院油品分院，北京市朝陽區(qū)，100013；2.煤炭資源開采與環(huán)境保護國家重點實驗室，北京市朝陽區(qū)，100013）

煤礦為了避免順序開采工作面之間的干擾，采區(qū)內(nèi)工作面之間有時需要采用跳采接續(xù)，這樣就不可避免地產(chǎn)生了孤島工作面。孤島工作面因其特殊的開采形式，工作面兩端頭及附近巷道圍巖應(yīng)力集中程度高，工作面頂板運動劇烈，加上地質(zhì)構(gòu)造的影響極易誘發(fā)沖擊地壓。孤島工作面沖擊地壓的防治成為目前研究的熱點問題之一。以陽城煤礦1304孤島工作面為試驗點，基于電磁輻射預測沖擊地壓原理，結(jié)合孤島工作面支承壓力分布規(guī)律，通過分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了孤島工作面沖擊地壓電磁輻射預測與治理技術(shù)。

1 工作面概況

1304工作面上、下區(qū)段已采空，是典型的兩側(cè)采空的孤島工作面，屬C型采場，如圖1所示。工作面開采煤層為3＃煤層，埋深573～700 m，斜長平均為184 m，走向推進長度870 m，傾角17°～21°，煤厚平均為7.5 m，采用走向長壁綜采放頂煤一次采全高全部垮落法。經(jīng)煤炭科學研究總院北京開采研究所巖石力學實驗室對3＃煤層的沖擊傾向性測定，3＃煤層上部和下部的沖擊能量指數(shù)KE分別為5.46和2.86、彈性能量指數(shù) WET分別為5.32和4.80，測定結(jié)果認為：3＃煤層上部屬于Ⅲ類，為具有強沖擊傾向性的煤層；3＃煤層下部屬于Ⅱ類，為具有弱沖擊傾向性的煤層。

圖1 1304工作面平面圖

沖擊地壓的發(fā)生與支承壓力的分布有密切的聯(lián)系。C型采場煤體中垂直應(yīng)力分布呈 “C”形，支承壓力峰值位于工作面上、下角部的深部。1304工作面上、下角部及工作面上下巷道圍巖受較高支承壓力峰值影響容易發(fā)生動壓顯現(xiàn)及沖擊地壓事故，是沖擊地壓監(jiān)測的重點區(qū)域。

2 電磁輻射法預測沖擊地壓機理

沖擊地壓的失穩(wěn)理論認為煤巖體在發(fā)生沖擊地壓之前處于準靜態(tài)過程，當煤巖體所承受的外載超過其強度時，煤巖體內(nèi)部原生微裂隙發(fā)展、擴大并形成宏觀裂紋，抗變形能力下降，煤巖體從穩(wěn)定平衡狀態(tài)向非穩(wěn)定平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，此時受外加擾動，系統(tǒng)失穩(wěn)，進而誘發(fā)沖擊地壓。

在高應(yīng)力影響下煤巖體內(nèi)部原生裂隙快速發(fā)展并形成宏觀裂紋，在煤巖體內(nèi)部裂隙形成發(fā)展過程中將產(chǎn)生不同程度電磁輻射，電磁輻射強度與煤巖體所受載荷大小以及內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)，煤巖體所受載荷越大、內(nèi)部應(yīng)力越高，煤巖體內(nèi)部裂隙形成發(fā)展過程越劇烈，產(chǎn)生的電磁輻射信號越強，發(fā)生沖擊地壓的可能性越大。因此可以通過監(jiān)測分析煤巖體電磁輻射信號強度及規(guī)律預測沖擊地壓的發(fā)生。

3 電磁輻射預測沖擊地壓危險

在1304工作面上下巷道超前工作面150 m范圍內(nèi)布置多個監(jiān)測點，兩側(cè)點間距10 m，定點觀測，隨工作面的推進，固定點不變，不斷向外增補測點，測點布置如圖2所示。采用KBD5電磁輻射儀監(jiān)測，每個測點監(jiān)測時間為2 min。統(tǒng)計分析電磁輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖2 電磁輻射測點布置

圖3 工作面超前10～30 m膠運巷電磁輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)

由圖3可知，5月9日到5月21日期間煤巖體電磁輻射強度值和脈沖數(shù)均在正常值附近波動，表明在此期間煤巖體處于正常應(yīng)力狀態(tài)；5月22日到5月30日期間煤巖體電磁輻射強度值和脈沖數(shù)均出現(xiàn)持續(xù)升高，且升高的幅度較大，均超出正常水平的數(shù)倍，表明此期間煤巖體受較高應(yīng)力的影響出現(xiàn)劇烈的破裂和摩擦，進而產(chǎn)生強烈的電磁輻射信號。分析可知5月30日時煤巖體內(nèi)部應(yīng)力水平異常，受較高應(yīng)力的影響煤巖體內(nèi)部裂隙劇烈發(fā)展并出現(xiàn)塑性破壞，煤巖體發(fā)生沖擊地壓的危險較高。受工作面超前支承壓力峰值和側(cè)向支承壓力峰值疊加影響，導致了此次工作面膠運巷超前10～30 m范圍沖擊危險升高。由于煤層本身具有較高的沖擊傾向性，為防止沖擊災(zāi)害的發(fā)生，應(yīng)立即采取有效措施進行沖擊危險的識別及解危處理。

4 沖擊地壓危險治理

4.1 鉆屑法沖擊危險局部識別

鉆屑法是通過在受壓煤層中鉆直徑42～50 mm鉆孔，根據(jù)鉆進過程中呈現(xiàn)的動態(tài)特征、相關(guān)動力效應(yīng)以及排出煤粉量等指標鑒別監(jiān)測區(qū)域沖擊危險危害程度的方法。在1304工作面膠運巷超前10～30 m的實體煤幫以3 m間距布置監(jiān)測孔（鉆孔），孔深10 m，孔距底板1.2 m左右，單排布置，鉆孔方向與煤層傾角平行，下幫垂直于煤幫，如圖4所示。每個鉆孔煤粉量數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖5所示。

圖4 鉆屑法監(jiān)測鉆孔布置

由圖5可知，3＃～5＃鉆孔煤粉量明顯高于其他4個鉆孔，特別是3＃和4＃鉆孔煤粉量均已超過臨界值，說明膠運巷超前工作面15～25 m范圍內(nèi)煤體受較高疊加應(yīng)力影響發(fā)生嚴重的塑性破壞，此范圍煤體沖擊危險性較高，發(fā)生沖擊地壓的可能性較大，應(yīng)采取相應(yīng)的卸壓解危措施。

圖5 鉆孔煤粉量監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

4.2 沖擊危險治理方法

根據(jù)鉆屑法局部監(jiān)測結(jié)果，對工作面膠運巷應(yīng)力集中區(qū)（鉆屑超標區(qū)）進行煤層深孔卸壓爆破處理，釋放煤體積聚的彈性能，使煤體的應(yīng)力集中程度下降，煤體中支承壓力峰值位置向煤體深部轉(zhuǎn)移，降低卸壓區(qū)域沖擊危險性。鉆孔采用手持氣動鉆機、麻花鉆桿（每節(jié)1 m）配合?42 mm鉆頭施工，爆破孔距底板1.5 m，孔深10 m，間距5 m，單排布置，角度平行于底板、垂直于煤幫，如圖6所示。

鉆孔采用反向裝藥，裝藥長度為4.5 m，炮泥封孔長度5.5 m，每個鉆孔的裝藥量Q為：

式中：Q——每個鉆孔的裝藥量，kg；

q——單位體積耗藥量，一般為 0.01～0.03 kg／m3；

v——設(shè)計爆破體積，m3。

計算每孔裝藥量，從充分釋放應(yīng)力的觀點出發(fā)，q取最大值，故Q＝0.03v；按設(shè)計孔深、孔距及裝藥長度，確定爆破半徑取2.5 m，則爆破體積為88 m3，確定單孔藥量約為2.7 kg。每個爆破孔內(nèi)均勻放置3個同型號的電雷管，單孔爆破，孔內(nèi)3個電雷管并聯(lián)到爆破母線上。

圖6 煤體卸壓爆破鉆孔布置

4.3 沖擊危險治理效果檢驗

現(xiàn)場采用電磁輻射監(jiān)測對卸壓效果進行檢驗，圖7為爆破前后工作面超前10～30 m范圍電磁輻射信號變化情況。

圖7 深孔卸壓爆破前后電磁輻射數(shù)據(jù)變化

由圖7可知，在進行巷幫煤體深孔爆破后，煤體電磁輻射強度值及脈沖數(shù)均大幅降低，位于正常值附近，說明煤體深孔爆破卸壓措施取得了較好的效果。1304工作面目前已安全推進830 m，在此期間采用本方法成功監(jiān)測識別并解除數(shù)次沖擊地壓危險，僅出現(xiàn)幾次較強烈的礦壓顯現(xiàn)事件，但是沒有造成人員傷亡和設(shè)備的損壞。

5 結(jié)論

基于電磁輻射預測沖擊地壓原理，結(jié)合孤島工作面支承壓力分布規(guī)律，在利用電磁輻射方法監(jiān)測孤島工作面沖擊地壓危險的基礎(chǔ)上，建立了電磁輻射沖擊危險預警→鉆屑法危險識別→煤體深孔爆破卸壓→電磁輻射卸壓效果檢驗的孤島工作面沖擊地壓危險監(jiān)測識別及治理技術(shù)?，F(xiàn)場實踐表明，煤體深孔爆破卸壓可以釋放煤體內(nèi)積聚的彈性能，使煤體內(nèi)的較高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，從而降低工作面的沖擊危險?，F(xiàn)場應(yīng)用試驗取得了滿意的效果。

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