基于震波CT探測(cè)的寬煤柱沖擊地壓防控技術(shù)

孫劉偉，鞠文君，潘俊鋒，趙忠顯，夏永學(xué)，馮美華，付玉凱

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院,北京 100013; 2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京 100013; 3.山東龍鄆煤業(yè)有限公司,山東 菏澤 274700)

近年來，伴隨著礦井開采深度與開采強(qiáng)度的增加，我國(guó)沖擊地壓災(zāi)害日益嚴(yán)重，沖擊發(fā)生強(qiáng)度和頻度顯著增加，沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量明顯上升，已成為制約深部礦井安全開采的重大動(dòng)力災(zāi)害之一[1-2]。深井區(qū)段煤柱是沖擊地壓易發(fā)、多發(fā)、難防治區(qū)域，其沖擊危險(xiǎn)性與周圍應(yīng)力場(chǎng)[3]分布密切相關(guān)。姜福興等[4]建立了采場(chǎng)“載荷三帶”覆巖結(jié)構(gòu)模型，可用于區(qū)段煤柱沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià);王書文[5]通過應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)得到采空區(qū)側(cè)向?qū)捗褐蛛A段、分區(qū)域受力特征，指出臨空煤柱幫內(nèi)彈性區(qū)不斷增長(zhǎng)的垂直應(yīng)力是主導(dǎo)沖擊載荷源;潘立友等[6]提出軟弱沖擊層在上部力源層和下部穩(wěn)定層夾持下產(chǎn)生應(yīng)力集中和能量積聚，外界采掘活動(dòng)誘發(fā)積聚的能量釋放，是兩軟煤層區(qū)段小煤柱沿空巷道發(fā)生沖擊地壓的主要原因;楊偉利等[7]指出當(dāng)煤柱沖擊力大于阻抗力時(shí)，具有發(fā)生沖擊的危險(xiǎn)性;成云海等[8]研究了“應(yīng)力場(chǎng)特征-減沖”關(guān)系，提出了巷道外錯(cuò)合理位態(tài)減沖設(shè)計(jì)方法;李學(xué)華等[9]基于應(yīng)力控制和支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2個(gè)方面，提出了沿空掘巷的防沖機(jī)理。上述研究多以理論分析、數(shù)值模擬為主，具有重要的理論指導(dǎo)意義;而實(shí)測(cè)研究更貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，更具有工程實(shí)用價(jià)值。

本文以某礦80 m區(qū)段寬煤柱沖擊地壓為例，分析了沖擊地壓致災(zāi)機(jī)制及類型，鑒于靜載荷在沖擊地壓?jiǎn)?dòng)過程中的主導(dǎo)作用，采用震波CT原位探測(cè)技術(shù)反演沖擊區(qū)域靜載荷分布特征，評(píng)估其沖擊危險(xiǎn)性，并在此基礎(chǔ)上提出針對(duì)性防治方法。

1 工程背景

1301工作面為一采區(qū)南翼西側(cè)第2個(gè)工作面，埋深約865～970 m，平均煤厚6.8 m，綜放開采，走向長(zhǎng)度2 265.8 m，傾向長(zhǎng)度223.4 m，工作面西側(cè)前部與八里莊支四斷層(H=5～110 m)相鄰、后部隔80 m煤柱與1300工作面采空區(qū)相鄰，東、南兩側(cè)為實(shí)體煤，北鄰采區(qū)軌道大巷。直接頂為厚1.2 m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為厚12.9 m的中砂巖，底板為厚1.8 m的泥質(zhì)砂巖。采用鉆孔應(yīng)力解除法對(duì)一采區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，地應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力為垂直應(yīng)力的1.40～2.20倍。1301工作面運(yùn)輸巷位于一采區(qū)背斜構(gòu)造翼部，初始作為1300工作面泄水巷使用，先于1300工作面回采已施工掘進(jìn)。

當(dāng)1300工作面回采496 m時(shí)，80 m寬煤柱內(nèi)發(fā)生2.1×105J大能量事件，經(jīng)微震定位，震源距1301運(yùn)輸巷為13 m，距1300回采工作面煤壁為310 m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查，2 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷以北125～280 m范圍內(nèi)的1301工作面運(yùn)輸巷具有不同程度的沖擊破壞現(xiàn)象，破壞嚴(yán)重段10 m范圍頂板冒落達(dá)2.5～3.0 m，兩幫內(nèi)擠，巷道斷面由4.8 m×4.0 m縮減為1.1 m×0.8 m;靠近冒頂區(qū)30 m范圍巷道頂板下沉0.5 m;巷道頂板隔爆棚被沖擊脫落，局部?jī)蓭碗p抗網(wǎng)開裂，管路、電纜被沖到巷道中部，工作面及沖擊顯現(xiàn)位置如圖1所示，巷道破壞狀況如圖2所示。

圖1 工作面沖擊顯現(xiàn)位置Fig.1 Position of rockburst

圖2 巷道沖擊破壞情況Fig.2 Impact failure of roadway

2 寬煤柱沖擊地壓致災(zāi)機(jī)制分析

2.1 寬煤柱靜載荷分布特征

采用FLAC3D數(shù)值軟件，根據(jù)工作面開采條件及實(shí)驗(yàn)室測(cè)定煤巖體參數(shù)，基于摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，模擬1300工作面開挖前、后寬煤柱靜載荷分布特征，并提取寬煤柱煤體垂直應(yīng)力，如圖3所示。

圖3 寬煤柱垂直應(yīng)力分布Fig.3 Vertical stress distribution in wide coal pillar

兩巷開挖形成后，寬煤柱內(nèi)靜載荷變化不明顯，此時(shí)高自重應(yīng)力與強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力疊加作用，構(gòu)成寬煤柱沖擊地壓發(fā)生的基礎(chǔ)靜載荷。1300工作面開采后，側(cè)向支承壓力影響范圍約為120 m，寬煤柱震源位置煤體應(yīng)力σ=34 MPa>2σc，已具備沖擊地壓發(fā)生的沖擊臨界支承壓力條件[10]。當(dāng)1301工作面回采后，寬煤柱受到兩側(cè)支承壓力疊加影響，靜載荷水平將明顯提高，應(yīng)力峰值向煤柱深處轉(zhuǎn)移，沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)一步增大。采空區(qū)側(cè)向支承壓力為寬煤柱沖擊地壓發(fā)生的增量靜載荷。

2.2 寬煤柱靜載荷演化規(guī)律

當(dāng)應(yīng)力集中超過極限后煤巖體突然破壞釋放能量產(chǎn)生微震事件，可通過其時(shí)空分布特征反映寬煤柱靜載荷演化規(guī)律[11]?；凇白罴袲值”設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，除1300回采工作面前方布置ARAMIS M/E微震系統(tǒng)探頭外，1301工作面運(yùn)輸巷補(bǔ)充布置了拾震器，使得寬煤柱區(qū)域處在探頭-拾震器包絡(luò)的區(qū)域內(nèi)，保證了定位精度，實(shí)時(shí)記錄了本次沖擊區(qū)域微震活動(dòng)全過程。微震事件(≥102J)平面投影如圖4所示。

圖4 微震演化平面投影Fig.4 Plane of microseismic events

當(dāng)1300工作面回采至沖擊區(qū)域時(shí)(圖4(a))，微震事件分布靠近寬煤柱內(nèi)側(cè)(采空區(qū)側(cè)44 m范圍)，3次方微震事件較多，主要為1300工作面采空區(qū)低位頂板回轉(zhuǎn)下沉導(dǎo)致應(yīng)力升高;伴隨著工作面逐漸遠(yuǎn)離(圖4(b))，微震事件分布向?qū)捗褐鈧?cè)(1301工作面?zhèn)?轉(zhuǎn)移，表明采空區(qū)側(cè)向支承壓力向外側(cè)轉(zhuǎn)移;此后，該區(qū)域仍有微震活動(dòng)(圖4(c))，表明1300工作面采空區(qū)側(cè)向高位覆巖仍在回轉(zhuǎn)下沉加載煤巖體[5]，造成寬煤柱內(nèi)煤巖體應(yīng)力持續(xù)升高，彈性應(yīng)變能不斷積聚;直至寬煤柱內(nèi)彈性變性能超過煤巖體動(dòng)力破壞的最小能量時(shí)，發(fā)生沖擊破壞(圖4(d))。

2.3 寬煤柱沖擊地壓致災(zāi)機(jī)制

經(jīng)鑒定，3 號(hào)煤層具有弱沖擊傾向性，頂板巖層具有強(qiáng)沖擊傾向性，已具備發(fā)生沖擊地壓的內(nèi)在條件;高自重應(yīng)力、強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力提供基礎(chǔ)靜載荷，采空區(qū)后方持續(xù)增長(zhǎng)的側(cè)向支承壓力提供了增量靜載荷，當(dāng)兩者疊加導(dǎo)致寬煤柱垂直應(yīng)力超過沖擊臨界支承壓力時(shí)，為沖擊地壓的發(fā)生提供了力源條件。并且，沖擊震源距1300工作面煤壁310 m，已不再受到1300工作面采動(dòng)影響，因此該沖擊地壓屬于靜載荷型，防治應(yīng)以調(diào)控靜載荷為主。

3 主導(dǎo)沖擊啟動(dòng)的寬煤柱靜載荷震波CT原位探測(cè)

基于靜載荷在寬煤柱沖擊地壓?jiǎn)?dòng)過程中的主導(dǎo)作用[12]，并且空間賦存狀態(tài)較為明確，因此采用震波CT原位探測(cè)技術(shù)實(shí)際揭示寬煤柱靜載荷分布是評(píng)估其沖擊危險(xiǎn)性、制定針對(duì)性防沖方案的基礎(chǔ)。

3.1 震波CT原位探測(cè)理論基礎(chǔ)

震波CT(震波層析成像)原位探測(cè)技術(shù)采用波蘭PASAT-M型便攜式微震系統(tǒng)，通過檢波器接收人為爆破激發(fā)的穿越工作面煤巖體的縱波走時(shí)信號(hào)?？v波在走時(shí)成像的情況下以射線形式在探測(cè)區(qū)域介質(zhì)內(nèi)傳播，將“激發(fā)點(diǎn)-檢波器”包絡(luò)的探測(cè)區(qū)域劃分為一系列小矩形網(wǎng)格，通過高頻近似反演，走時(shí)成像公式可表示為

(1)

式中，ti為縱波走時(shí),ms;dij為第i條射線在第j個(gè)網(wǎng)格中的射線路徑長(zhǎng)度;M為射線總數(shù);N為網(wǎng)格數(shù)量。

表示為矩陣方程形式為

T=D·S

(2)

式中，T為縱波走時(shí)列向量;S為慢度向量;D為射線長(zhǎng)度矩陣。

通過聯(lián)合迭代重建算法(SIRT)進(jìn)行速度場(chǎng)圖像重建，可獲得煤巖體內(nèi)部波速分布情況。

研究表明，沖擊地壓多發(fā)生在高應(yīng)力區(qū)及應(yīng)力異常區(qū)，對(duì)應(yīng)速度場(chǎng)圖像中縱波波速區(qū)及波速梯度區(qū)，因此，建立以波速異常系數(shù)CA和波速梯度系數(shù)CG為主要因子的沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)估模型[13]:

(3)

利用PASAT-SSA震波CT后處理軟件進(jìn)行反演計(jì)算，最終形成沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)C值分布云圖，C值與沖擊危險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)[13]見表1。當(dāng)C<0.25時(shí)，無需處理，當(dāng)C≥0.25時(shí)，需根據(jù)不同危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行相應(yīng)的卸壓及解危處理。震波CT原位探測(cè)技術(shù)以穿透煤巖體的實(shí)際震動(dòng)波射線進(jìn)行波速反演，可有效反映實(shí)際條件下煤巖體內(nèi)靜載荷分布特征及結(jié)構(gòu)特性，實(shí)現(xiàn)大范圍靜載荷探測(cè)，較常規(guī)解析和數(shù)值方法更真實(shí)、全面，但該技術(shù)觀測(cè)系統(tǒng)的布置受到井下采掘空間、炸藥激發(fā)震動(dòng)波能量等客觀條件限制[12]。

3.2 震波CT原位探測(cè)方案

為掌握80 m寬煤柱的靜載荷實(shí)際分布狀態(tài)，考慮1301工作面運(yùn)輸巷沖擊地壓顯現(xiàn)區(qū)域分布情況、工作面條件及設(shè)備探測(cè)能力，采用近完全觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)方式(兩邊布置激發(fā)震源、一邊布置接收探頭)可提高數(shù)據(jù)覆蓋率，能有效提高探測(cè)精度。因此，沖擊發(fā)生后，在煤柱內(nèi)鉆取65 m深孔，孔內(nèi)按炮間距5 m布置激發(fā)震源炮至孔口，并在1301運(yùn)輸巷按炮間距10 m、孔深2 m補(bǔ)充設(shè)計(jì)激發(fā)炮，每炮裝藥量為200 g，一炮一放，短斷觸發(fā);采集端檢波器布置在80 m寬煤柱內(nèi)原有2號(hào)聯(lián)絡(luò)巷，道間距為7 m，觀測(cè)系統(tǒng)布置如圖5所示。設(shè)定檢波器采樣頻率為2 000 Hz，增益20 dB，采樣長(zhǎng)度0.5 s，每次激發(fā)有11通道檢波器同時(shí)接收信號(hào)。

表1沖擊危險(xiǎn)等級(jí)分類
Table1Classificationofrockbursthazardlevel

C值<0.250.25～0.500.50～0.750.75～1.00等級(jí)無弱中強(qiáng)

圖5 寬煤柱沖擊危險(xiǎn)指數(shù)分布Fig.5 Distribution of burst hazard indices in wide coal pillar

3.3 寬煤柱沖擊危險(xiǎn)性評(píng)估

圖5為80 m寬煤柱探測(cè)區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)C分布圖，圖中以藍(lán)色到紅色從小到大來代表探測(cè)區(qū)域內(nèi)沖擊危險(xiǎn)性指數(shù)，區(qū)域內(nèi)C最大值為0.7，最小值為-0.5?？梢钥闯?

(1)寬煤柱測(cè)區(qū)內(nèi)約2/3區(qū)域沖擊危險(xiǎn)指數(shù)C=0.5～0.7，對(duì)照表1，表明80 m寬煤柱仍然存在靜載荷集中區(qū)域，整體具有中等沖擊危險(xiǎn)。

(2)寬煤柱運(yùn)輸巷側(cè)沖擊危險(xiǎn)指數(shù)較采空區(qū)側(cè)高，表明采空區(qū)側(cè)煤柱已塑性破壞，承載能力低，導(dǎo)致應(yīng)力向運(yùn)輸巷側(cè)轉(zhuǎn)移，靜載荷集中程度高。

(3)在沖擊震源區(qū)域，-0.50

4 基于靜載荷疏導(dǎo)的多層次防控技術(shù)

基于震波CT探測(cè)反演結(jié)果，為阻止寬煤柱靜載荷型沖擊地壓發(fā)生啟動(dòng)，關(guān)鍵在于避免畸高靜載荷的產(chǎn)生，削弱寬煤柱彈性能積聚水平，實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)途徑有以下3種:

(1)大直徑鉆孔預(yù)卸壓。

在1301運(yùn)輸巷兩幫超前工作面350 m范圍內(nèi)實(shí)施大直徑鉆孔卸壓，鉆孔直徑125 mm，間距1 m，工作面?zhèn)茹@孔深度25 m，煤柱側(cè)鉆孔深度為50 m，使得應(yīng)力集中區(qū)向深部轉(zhuǎn)移，耗散彈性核區(qū)積聚的彈性變性能[14]。

(2)降低開采擾動(dòng)。

統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析1301工作面微震活動(dòng)規(guī)律與推進(jìn)度的關(guān)系如圖6所示，日進(jìn)尺為2.4 m時(shí)微震頻次和能量較為平穩(wěn)，日進(jìn)尺為3.2 m時(shí)微震活動(dòng)較為劇烈，因此，確定合理日進(jìn)尺為2.4 m，均勻推進(jìn)。

圖6 微震活動(dòng)與推進(jìn)度關(guān)系Fig.6 Relationship of microseismic activities and advancement

(3)巷道全斷面補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

對(duì)1301運(yùn)輸巷沖擊地壓顯現(xiàn)及巷道破碎、變形嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行返修處理，巷道斷面擴(kuò)刷至設(shè)計(jì)尺寸，支護(hù)布置如圖7所示，頂板采用φ22 mm×2 500 mm高強(qiáng)左旋螺紋鋼錨桿，間排距900 mm×1 000 mm;采用φ21.6 mm×7 300 mm錨索配合L4.0 m T型鋼帶加強(qiáng)支護(hù)，錨索間排距1 800 mm×1 300 mm，鋼帶順巷道方向布置，間距1.3 m。兩幫采用φ20×2 500 mm等強(qiáng)右旋螺紋鋼錨桿，間排距700 mm×2 000 mm;采用φ21.6 mm×4 300 mm錨索加強(qiáng)支護(hù)，間排距1 200 mm×2 000 mm;錨桿索均配合L1.6 m W型鋼帶支護(hù)，改良圍巖應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖抗沖擊能力[15-17]，降低沖擊地壓顯現(xiàn)程度。

圖7 巷道補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)設(shè)計(jì)Fig.7 Support reinforcement design

由于大直徑鉆孔預(yù)卸壓造成寬煤柱深部煤體松散破碎，施工的65 m爆破激發(fā)孔塌孔嚴(yán)重?zé)o法布置激發(fā)震源，未能實(shí)現(xiàn)卸壓后的震波CT探測(cè)檢驗(yàn)。在寬煤柱布置了應(yīng)力及微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，回采過程中監(jiān)測(cè)應(yīng)力未發(fā)生突增，微震能量及頻次變化平緩，目前，1301工作面已安全回采寬煤柱區(qū)。

需要指出的是，上述防沖方案只是針對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)沖擊危險(xiǎn)的區(qū)段煤柱采取的補(bǔ)救性措施。要從根本上避免或消除區(qū)段煤柱沖擊地壓，應(yīng)以靜載荷區(qū)域疏導(dǎo)為防治理念[18]，避免煤柱內(nèi)形成高應(yīng)力集中為原則，在工作面開采設(shè)計(jì)階段超前防范，采用小煤柱或無煤柱護(hù)巷技術(shù)是解決煤柱沖擊地壓的有效路徑。

5 結(jié) 論

(1)高自重應(yīng)力、強(qiáng)構(gòu)造應(yīng)力為沖擊啟動(dòng)提供基礎(chǔ)靜載荷，采空區(qū)后方持續(xù)增長(zhǎng)的側(cè)向支承壓力提供了增量靜載荷，當(dāng)兩者疊加導(dǎo)致寬煤柱垂直應(yīng)力超過沖擊臨界支承壓力時(shí)，為靜載荷型沖擊地壓的發(fā)生提供了力源條件，因此，防治應(yīng)以調(diào)控靜載荷為主。

(2)基于靜載荷是沖擊地壓?jiǎn)?dòng)的基礎(chǔ)，采用震波CT原位探測(cè)技術(shù)反演得到寬煤柱沖擊危險(xiǎn)指數(shù)C=0.5～0.7，表明沖擊發(fā)生后，寬煤柱仍然存在靜載荷集中區(qū)域，具有中等沖擊危險(xiǎn)。

(3)為阻止寬煤柱靜載荷型沖擊地壓發(fā)生啟動(dòng)，制定了“大直徑鉆孔預(yù)卸壓-降低開采擾動(dòng)-巷道全斷面補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)”的多層次防沖技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)力未發(fā)生突增，微震能量及頻次變化平緩。

(4)以靜載荷區(qū)域疏導(dǎo)為理念，探索采用小煤柱或無煤柱護(hù)巷技術(shù)是防治煤柱沖擊地壓的有效路徑。