“兩硬”條件下沖擊地壓多參量監(jiān)測預警體系

李莉麗，王 寧,2

(1.臨沂大學 土木工程與建筑學院，山東 臨沂 276005； 2.中國礦業(yè)大學(北京) 力學與建筑工程學院，北京 100083)

數(shù)據(jù)顯示，我國煤礦百萬噸死亡率由2015年的0.162下降到2018年的0.093，首次降至0.1以下[1]。然而，我國煤礦開采條件復雜，煤炭資源埋藏深，隨著開采深度和強度的不斷增加，沖擊地壓的發(fā)生機理日趨復雜[2-4]，沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災害愈發(fā)嚴重。2018年，貴州梓木戛煤礦“8.6”煤與瓦斯突出事故、山東龍鄆煤業(yè)公司“10.20”沖擊地壓事故[5]，都是因為對重大災害發(fā)生機理的研究不夠透徹和災害防治不到位造成的。

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國發(fā)生過沖擊地壓的礦井數(shù)量已達到167對，分布在20多個省份[6]。另外，我國現(xiàn)有采深超千米的煤礦礦井共計47對，平均采深為1 086 m，深部復雜采動應力和高自重應力是誘發(fā)沖擊地壓的根本力源因素。而大同、兗州、新漢、大屯、徐州、淮南、淮北、肥城等礦區(qū)，在沖擊地壓顯現(xiàn)深度相對較淺(300 m左右)的情況下，與突然卸載誘發(fā)的巷道和工作面表面局部煤體的材料失穩(wěn)型沖擊相比，沖擊地壓的發(fā)生更多是具有明顯結構性特點和時空演化特征的整體沖擊，復雜采動應力及采場的特殊地質構造條件導致了沖擊地壓的發(fā)生[7-9]，這些淺源沖擊地壓礦井多具有堅硬的頂?shù)装褰M合條件即“兩硬”條件?；诙鄥⒘康谋O(jiān)測預警信息，構建時間上連續(xù)、空間上立體的監(jiān)測預警體系，是沖擊地壓高效監(jiān)測預警和及時解危的基礎[10-12]。

針對大同礦區(qū)“兩硬”條件下沿空回采巷道沖擊地壓顯現(xiàn)的時空特征，對該礦區(qū)忻州窯礦沿空巷道回采期間多參量全方位的監(jiān)測預警體系，以及沖擊地壓危險性的評價方法進行了介紹，并通過多參量監(jiān)測預警體系動態(tài)檢驗沖擊危險區(qū)域解危效果，可為大同礦區(qū)采取有針對性的沖擊地壓綜合防治措施提供依據(jù)。

1 “兩硬”沖擊地壓顯現(xiàn)特征及影響因素

1.1 近期沖擊地壓實例分析

以大同礦區(qū)具有典型“兩硬”條件的忻州窯礦為例，該礦沖擊地壓多發(fā)的井田西北角西二盤區(qū)受構造影響相對較小，但在連續(xù)采掘和大采高綜放開采合并層的情況下，使得后續(xù)工作面開采受上部采空區(qū)和鄰近工作面采空區(qū)的影響明顯，沖擊地壓在沿空巷道和其他區(qū)域頻繁顯現(xiàn)。

在頂板和煤層均相對堅硬的條件下，沖擊地壓多發(fā)生在回采期間，顯現(xiàn)的位置多集中在受鄰近采空區(qū)和工作面超前應力影響范圍內的沿空回采巷道。忻州窯礦11#煤層8935工作面典型沖擊地壓發(fā)生情況統(tǒng)計見表1。

表1 忻州窯礦8935工作面沖擊地壓記錄

由表1可知，在8935工作面有記錄的13起沖擊地壓中，僅有1起發(fā)生在工作面，其余12起均發(fā)生在5935巷，5935巷為該工作面的沿空側巷道，這符合“兩硬”條件下沖擊地壓多發(fā)生在沿空巷道的規(guī)律。

1.2 沖擊地壓顯現(xiàn)特征

大同礦區(qū)比較典型的沖擊地壓礦井(忻州窯礦、同家梁礦、煤峪口礦等)煤層直接頂單軸抗壓強度均在110 MPa以上，直接底單軸抗壓強度也均在108 MPa以上。以忻州窯礦為例，其頂板砂巖的平均單軸抗壓強度可達157 MPa，煤的抗壓強度可達26 MPa。在頂?shù)装鍒杂?、煤層相對堅硬的“兩硬”條件下，相對頂?shù)装?，較軟的煤體在堅硬頂?shù)装宓膴A逼作用下積聚了大量的變形能，伴隨堅硬頂?shù)装搴兔后w中積聚的彈性變形能在采動應力影響下急劇釋放并在采動空間引起煤巖體劇烈震動、變形和擠出。

大同礦區(qū)采深相對較淺，在“兩硬”條件下，當堅硬煤層內采動應力集中并積聚了大量的彈性變形能后，常會引起沖擊地壓的頻繁發(fā)生。彈性變形能主要以鄰空煤體的材料破壞或煤層整體的平動滑移等形式瞬間釋放，堅硬頂?shù)装鍏⑴c沖擊但一般不發(fā)生明顯破壞，多表現(xiàn)為彎曲變形能釋放后的頂板下沉、垮落、產(chǎn)生局部裂縫和底鼓等，而破壞主要表現(xiàn)為煤體向采掘空間突出。

2 沖擊地壓多參量監(jiān)測預警實踐

2.1 監(jiān)測預警體系

綜合監(jiān)測預警體系包括礦區(qū)、采區(qū)、工作面，以及超前危險區(qū)域多尺度監(jiān)測體系，各監(jiān)測措施之間具有各自的精度和針對性，因此，只有在總結不同采掘和解危措施作用下多參量監(jiān)測數(shù)據(jù)時空發(fā)展規(guī)律的基礎上，才能合理把握防沖的整個過程，實現(xiàn)時間上連續(xù)、空間上立體的不同時空尺度監(jiān)測預警，如圖1所示。

圖1 沖擊地壓多參量監(jiān)測預警體系示意圖

在對采動應力增高區(qū)域、煤層賦存異常區(qū)域、地質構造影響區(qū)域等危險區(qū)域進行重點監(jiān)測的基礎上，全面覆蓋采動應力影響區(qū)域，監(jiān)測采動應力轉移集中的全過程和能量積聚、釋放的特征。

鉆屑法是較為靈活的現(xiàn)場檢測方法，通過鉆屑量判別具體點位的應力集中情況，從側面反映沖擊危險性的大小。同時，在沖擊危險工作面連續(xù)監(jiān)測的礦壓和電磁輻射數(shù)據(jù)，是沖擊地壓監(jiān)測預警的基礎數(shù)據(jù)來源。結合覆蓋采區(qū)乃至礦區(qū)的微震監(jiān)測，共同構成了“點—面—區(qū)域”多參量、全方位的監(jiān)測預警體系，也可為后續(xù)實施解危措施指明方向。

明確了危險區(qū)域后，選取高效的解危措施有序釋放在煤巖體中特別是煤體中積聚的彈性能，并在解危措施實施完成后結合多參量監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)變化情況來檢驗解危效果，在動態(tài)的監(jiān)測預警和解危實踐中不斷增強監(jiān)測手段的準確性和解危措施的有效性。綜合指數(shù)法初步表明，忻州窯礦11#煤層8937工作面具有中等強度沖擊危險性，鑒于上一回采工作面即8935工作面的沖擊地壓發(fā)生情況，對該工作面進行了系統(tǒng)的沖擊危險性監(jiān)測和解危效果反饋。

2.2 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

微震事件的位置和能量大小是積聚在煤巖體中的彈性能劇烈釋放的直接反映[13-14]。統(tǒng)計8937工作面回采期間的微震事件共18 377次，震源分布如圖2所示。受鄰近的8935工作面采空區(qū)影響，8937工作面回采期間的微震事件在空間上多發(fā)生在沿空的5937巷一側，在空間上則隨著工作面的推進，微震事件頻次逐漸增加。

圖2 8937工作面微震事件震源分布

2.3 電磁輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在8937工作面，主要監(jiān)測5937沿空巷道超前100 m范圍內沿空側和工作面?zhèn)鹊碾姶泡椛鋸姸戎档淖兓O(jiān)測點間隔10 m布置，連續(xù)3 d的電磁輻射強度監(jiān)測結果如圖3所示。結合忻州窯礦現(xiàn)場沖擊地壓顯現(xiàn)情況，電磁輻射強度的臨界值大約為 100 mV，沿空側和工作面?zhèn)鹊碾姶泡椛鋽?shù)據(jù)也都能較好地反映沖擊地壓危險性的大小。

圖3 5937沿空巷超前100 m范圍內電磁輻射強度監(jiān)測結果

2.4 鉆屑量分析

鉆屑量是煤體應力的綜合反映，也是反映沖擊地壓危險性的可靠指標。鉆屑量檢測結果表明，8937工作面沿空側在煤層弱化前應力集中明顯，應力峰值距離煤壁較近。但是，忻州窯礦的堅硬煤層鉆屑量相對較少，這是由于堅硬煤體對應力條件變化的響應相對遲緩而導致的。

綜合多參量監(jiān)測數(shù)據(jù)，結合現(xiàn)場反饋，可較為準確地確定采掘動態(tài)過程中沖擊地壓危險區(qū)域的分布情況，從而采取合理的解危措施。而多參量監(jiān)測數(shù)據(jù)的動態(tài)分析則是監(jiān)測預警體系高效運行的關鍵。

3 解危效果反饋

3.1 解危措施

針對監(jiān)測確定的沖擊地壓危險區(qū)域，采取了針對性的系統(tǒng)防治措施，對頂板及時地放頂和斷頂是“兩硬”條件下沖擊地壓礦井有效防沖的基礎，而將堅硬煤層的強度進行弱化則是防沖的關鍵。主要采取以下幾種措施。

1)煤層注水。煤層高壓注水技術已在工作面降塵、防沖和防突實踐中得到了廣泛應用[15]。忻州窯礦首先在8937工作面11#煤層進行了試驗，效果較為理想，表明合理注水可顯著降低煤層沖擊傾向性，并在后續(xù)采掘過程中結合動態(tài)監(jiān)測預警信息不斷改進推廣。

2)鉆孔卸壓。在5937巷兩幫進行鉆孔卸壓，現(xiàn)場鉆孔窺視結果表明，單純的鉆孔不能較好地破碎煤體，達不到卸壓效果，需要配合其他煤層弱化措施聯(lián)合使用。

3)煤體卸壓爆破。為削弱煤層的強度和儲存彈性變形能的條件，在5937巷超前局部區(qū)域進行卸壓爆破，用爆破的方法削弱煤層的強度和破壞儲存彈性變形能的條件，是較為直接有效的煤層弱化措施。

3.2 現(xiàn)場效果分析

煤層強度弱化前后鉆屑量對比如圖4所示?？梢钥闯?，采取煤層弱化措施后，煤層鉆屑量明顯低于不采取弱化措施的煤體，煤粉粒度正常，鉆進速度正常，檢測顯示距煤壁4 m左右范圍內鉆屑量出現(xiàn)階段性峰值，之后趨于相對穩(wěn)定。在不采取煤層弱化措施的情況下，兩幫煤體應力較為集中。由圖4可知，煤層弱化后應力峰值明顯降低，相應的沖擊地壓危險性也更低。在8937工作面回采期間，并未發(fā)生破壞性沖擊，證明多參量監(jiān)測預警體系和動態(tài)調控效果良好。

圖4 11#煤層強度弱化前后鉆屑量對比

4 結論

1)“兩硬”條件下沖擊地壓是頂?shù)装搴兔簩釉诓蓜討τ绊懴鹿餐饔玫慕Y果，堅硬頂?shù)装鍏⑴c沖擊但一般不發(fā)生明顯破壞，多表現(xiàn)為彎曲變形能釋放后的頂板下沉、垮落、產(chǎn)生局部裂縫和底鼓等，而破壞主要表現(xiàn)為煤體向采掘空間突出，沿空巷道的高采動應力更易誘發(fā)沖擊地壓的發(fā)生。

2)通過鉆屑量判別具體點位的應力集中情況，同時在具有沖擊地壓危險的工作面進行連續(xù)的礦壓監(jiān)測和電磁輻射監(jiān)測，結合覆蓋采區(qū)乃至礦區(qū)的微震監(jiān)測，共同構成了“點—面—區(qū)域”多參量、全方位的監(jiān)測預警體系。

3)通過構建時間上連續(xù)、空間上立體的監(jiān)測預警體系，并動態(tài)檢驗危險區(qū)域解危效果，初步形成了動態(tài)的沖擊地壓綜合防治體系。

4)現(xiàn)場實踐表明，有效的監(jiān)測預警體系和合理的煤層弱化措施的實施，可有效降低“兩硬”條件下沿空回采巷道的沖擊危險性。