深部礦井復(fù)合構(gòu)造區(qū)沖擊地壓預(yù)警方法

馬小輝，呂大釗，王東杰，高 剛

(陜西彬長孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

隨著我國煤炭淺部資源的逐步枯竭，現(xiàn)有或者新建礦井多已轉(zhuǎn)向深部開采，伴隨而來的便是越來越頻繁的沖擊地壓災(zāi)害[1-3]。對于沖擊地壓發(fā)生機理，國內(nèi)外很多學者提出了很多理論[4-6]。目前較為熟知與接受的主要有強度理論、能量理論、剛度理論、沖擊傾向性理論、動靜載疊加誘沖等。但對于沖擊地壓預(yù)警大部分仍停留在各種沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)上，尤其是對深部礦井復(fù)合構(gòu)造區(qū)的沖擊地壓預(yù)警方面，靠單一監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)很難有效實現(xiàn)沖擊地壓預(yù)警，并且復(fù)合構(gòu)造區(qū)沖擊地壓往往具有一定的周期性。如何對復(fù)合構(gòu)造區(qū)沖擊地壓進行周期性預(yù)警，已經(jīng)成為深部礦井安全生產(chǎn)所面臨的最嚴峻的問題之一。

1 礦井概況

1.1 礦井地質(zhì)條件

以陜西彬長礦區(qū)孟村煤礦中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)域為例，該礦井煤層為近水平煤層，4號煤層為唯一可采煤層，埋深約為600～800 m，為典型深部礦井，埋深已超過當?shù)孛禾餂_擊地壓臨界深度，且該煤層經(jīng)鑒定為具有強沖擊傾向性。該礦中央大巷均布置在4號煤層中，埋藏深度在700 m以上，其中，中央帶式輸送機大巷、中央一號輔運大巷及中央二號回風大巷均已施工至403盤區(qū)邊界，各大巷間距35 m，中央大巷附近布置有401101工作面，401101運順距離中央二號回風大巷200 m，具體布置如圖1所示。其中，中央大巷附近賦存有DF29大斷層，其延展長度約3 km，較大的褶曲構(gòu)造為 B2背斜、X1向斜。受該區(qū)域向斜、背斜、斷層組成的復(fù)合構(gòu)造區(qū)影響，該區(qū)域從2014年巷道掘進以來已發(fā)生數(shù)十次沖擊地壓，造成巷道大面積底鼓、漿皮脫落，已嚴重影響礦井的后續(xù)開采計劃。

圖1 礦井中央大巷布置平面圖

1.2 礦井沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)

1.2.1 SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)

孟村SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)始建于2015年，該系統(tǒng)由記錄儀、分析儀、拾震器和數(shù)字傳輸系統(tǒng)等組成。該監(jiān)測系統(tǒng)為區(qū)域監(jiān)測系統(tǒng)，能監(jiān)測全礦微震事件，根據(jù)微震監(jiān)測系統(tǒng)定位原理，在中央大巷構(gòu)造區(qū)及其附近布置有6個微震探頭，用于監(jiān)測中央大巷及401101工作面微震頻次及能量。

1.2.2 震波CT

礦井采用EMAG公司的24通道PASAT-M型便攜式微震探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、安裝方便、所需配套工程量小等特點。根據(jù)速度場的大小，可確定工作面范圍內(nèi)應(yīng)力場的大小，從而劃分出高應(yīng)力區(qū)和高沖擊礦壓危險區(qū)域。礦井先后在中央大巷構(gòu)造區(qū)及401101工作面進行了震波CT探測，對這些區(qū)域進行了沖擊地壓危險區(qū)域精準劃分。

1.2.3 KJ24煤體應(yīng)力在線監(jiān)測

礦井建設(shè)有KJ24應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，其核心構(gòu)成有地面監(jiān)測服務(wù)器、礦用本安型光端機、礦用本安型壓力監(jiān)測子站、礦用本安型數(shù)字壓力計、圍巖移動傳感器、錨桿(索)應(yīng)力傳感器、激光測距儀、礦用隔爆兼本安不間斷電源、本安接線盒、通信電纜等。礦井先后在401101工作面和中央大巷構(gòu)造區(qū)布置有超100個GZY60W礦用本安型鉆孔應(yīng)力傳感器，這些傳感器為孟村煤礦及時掌握圍巖集中靜載荷及沖擊地壓危險性變化情況、采掘擾動范圍、檢驗煤層卸壓效果起到了重要作用。

2 沖擊地壓周期性預(yù)警方法

2.1 復(fù)合構(gòu)造區(qū)沖擊地壓四要素

根據(jù)竇林名的動靜載疊加誘沖原理[7]和潘俊峰的沖擊啟動理論[8]，沖擊地壓影響要素為動載荷和靜載荷。在深入研究前人理論的基礎(chǔ)上[9-12]，結(jié)合礦井現(xiàn)場地質(zhì)條件、沖擊規(guī)律，在沖擊地壓動靜載荷的基礎(chǔ)上擴展為沖擊“四要素”，即靜載荷的積聚位置、積聚周期和動載荷的來源、供給時間。

2.1.1 靜載荷的積聚位置

如圖1所示，該礦中央大巷先后穿越B2背斜、DF29斷層、X1向斜，該構(gòu)造區(qū)在地質(zhì)運動過程中就積聚了大量的構(gòu)造應(yīng)力，故區(qū)域是整個中央大巷靜載荷主要積聚點，這種特點是“與生俱來”的。根據(jù)損傷力學的觀點，一個區(qū)域內(nèi)發(fā)生過一次破壞后，將形成不可逆的損傷，該點將成為整個區(qū)域的薄弱點。該點附近圍巖強度低于其他區(qū)域，抵抗破壞變形的能力下降，再次發(fā)生沖擊地壓時，極易可能在該點附近顯現(xiàn)，導(dǎo)致復(fù)合構(gòu)造區(qū)一旦發(fā)生過一次沖擊地壓后可能在該區(qū)域發(fā)生多次后續(xù)沖擊。

2.1.2 靜載荷積聚周期

當中央大巷構(gòu)造區(qū)發(fā)生沖擊地壓后，釋放大量能量，造成周圍巷道的破壞，同時形成一個短暫的應(yīng)力降低區(qū)。但隨著地應(yīng)力重新分布，該區(qū)域靜載荷會逐漸積聚，直至積聚至原水平附近。從靜載荷釋放到重新積聚至原水平附近的時間稱為靜載荷積聚周期。該周期可通過煤體應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)進行靜載荷數(shù)值變化方面的監(jiān)測。

2.1.3 動載荷來源

通過圖1和圖2可知，401101工作面的回采擾動對中央大巷構(gòu)造區(qū)沖擊地壓的發(fā)生具有重要的影響。中央大巷動載荷來源經(jīng)過分析，主要有采空區(qū)頂板斷裂、采空區(qū)頂板活動誘發(fā)斷層活化導(dǎo)致附近頂?shù)装鍞嗔?、采空區(qū)震源釋放的動載荷導(dǎo)致中央大巷高應(yīng)力區(qū)頂?shù)装鍞嗔选?種動載荷互相耦合，為中央大巷沖擊地壓啟動提供動載荷，進一步誘發(fā)中央大巷構(gòu)造區(qū)沖擊地壓。

圖2 中央大巷構(gòu)造區(qū)動載荷來源示意

2.1.4 動載荷供給時間

通過分析可知，中央大巷構(gòu)造區(qū)主要受401101工作面回采擾動影響。經(jīng)過初步判斷，主要是采空區(qū)頂板斷裂誘發(fā)的中央大巷斷層附近滑移或者X1向斜軸部等高應(yīng)力區(qū)頂?shù)装鍞嗔岩饹_擊地壓。因此，動載荷供給時間初步定為401101工作面周期來壓期間。

2.2 周期性預(yù)警方法

基于動靜載疊加誘沖原理，當煤巖體中靜載荷與礦震形成的動載疊之和大于誘發(fā)煤巖體沖擊的臨界載荷，就會誘發(fā)沖擊災(zāi)害。通過分析靜載荷積聚位置、積聚周期、動載荷的來源、供給時間，四者互相耦合，導(dǎo)致中央大巷構(gòu)造區(qū)沖擊地壓周期性發(fā)生。要實現(xiàn)該區(qū)域沖擊地壓預(yù)警，便要將這“四要素”分析清楚，四者互相耦合時間便是沖擊地壓發(fā)生時刻。為此，形成一種基于動靜載疊加誘沖原理，綜合分析井巷圍巖靜載荷積聚周期、動載荷供給時間、地質(zhì)及開采技術(shù)條件等因素，實現(xiàn)沖擊地壓周期性預(yù)警的工作方法。

2.3 中央大巷沖擊地壓預(yù)警過程

2.3.1 靜載荷積聚位置及周期分析

中央大巷靜載荷積聚位置/沖擊地壓發(fā)生位置為DF29斷層上盤及X1向斜軸部(中央大巷在斷層上盤為煤巷、下盤為巖巷，煤層具有強沖擊傾向性)。通過PASAT精確劃分的煤層沖擊危險區(qū)，在強沖擊危險區(qū)域根據(jù)區(qū)域長度安裝若干組GZY60W礦用本安型鉆孔應(yīng)力傳感器。組間距20 m，每組孔深按淺-深2個測點組合，組內(nèi)應(yīng)力計間距1 m，孔深分別為8 m和12 m，孔徑42 mm。GZY60W礦用本安型鉆孔應(yīng)力傳感器將檢測到的煤層內(nèi)部應(yīng)力場的變化，采用無線通信的通訊方式，將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到KJ24-FW礦用本安型壓力子站，同時該監(jiān)測子站與上位基站連接，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到井上KJ24應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)，完成對井下因采動影響煤層內(nèi)部應(yīng)力場變化的實時監(jiān)測。根據(jù)相鄰礦井應(yīng)力計危險閾值或者將該區(qū)域沖擊地壓前最大煤層應(yīng)力的80%作為危險閾值，建立臺賬，統(tǒng)計兩次危險閾值之間的間隔作為靜載荷積聚周期，探究歷次積聚周期之間的規(guī)律。

2.3.2 動載荷來源及供給時間分析

動載荷來源為401101工作回采擾動造成頂板斷裂形成地震波作用于斷層滑移面或向斜軸部頂?shù)装逍纬啥蝿虞d。經(jīng)過SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測，數(shù)據(jù)表明工作面周期來壓期間，大能量微震事件上升20%以上。經(jīng)統(tǒng)計沖擊地壓臺賬發(fā)現(xiàn)，中央大巷構(gòu)造區(qū)沖擊地壓間隔多為3～4次工作面周期來壓時間。結(jié)合礦井地質(zhì)柱狀圖可知，由于煤層上方存在兩層以上老頂導(dǎo)致采場周期來壓強度呈現(xiàn)多低一高的周期性變化。聯(lián)系微震數(shù)據(jù)，由圖3可知，工作面約4次工作面采空區(qū)頂板垮落后會造成垮落層上方巖層斷裂，造成大能量微震事件。該巖層的斷裂為中央大巷構(gòu)造區(qū)受工作面回采擾動的主要動載源。該動載會造成中央大巷構(gòu)造區(qū)斷層活化或者向斜軸部高應(yīng)力區(qū)頂?shù)装鍞嗔眩T發(fā)該區(qū)域沖擊地壓。

圖3 工作面微震事件分布

2.3.3 耦合分析

深部礦井沖擊地壓主要因素為靜載荷，發(fā)生沖擊地壓的前提條件是靜載荷必須重新積聚至原水平附近，煤體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)必須達到危險閾值以上才能滿足預(yù)警要求。靜載荷滿足條件后重點監(jiān)測動載荷，根據(jù)動載荷來源確定動、靜載荷疊加時間后再結(jié)合地音、SOS微震監(jiān)測等動載荷監(jiān)測系統(tǒng)確定構(gòu)造區(qū)沖擊地壓危險性，該段時間內(nèi)一旦出現(xiàn)一種及一種以上的監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)預(yù)警信息后立即發(fā)出沖擊地壓預(yù)警通知。結(jié)合地質(zhì)條件、開采因素，同時利用沖擊地壓監(jiān)測系統(tǒng)進行輔助確認，根據(jù)微震、工作面支架工作阻力監(jiān)測數(shù)據(jù)，敏銳捕捉?jīng)_擊地壓發(fā)生前兆信息。

2.3.4 預(yù)警結(jié)果

通過上述一系列流程，礦井在半年時間內(nèi)已先后實現(xiàn)了“6·29”“10·27”“12·24”3次沖擊地壓預(yù)警。成功避免了沖擊地壓對井下工作人員造成傷害，減少了礦井損失，有效保障了礦井安全生產(chǎn)。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)動靜載疊加誘沖原理和沖擊啟動理論提出了深部礦井復(fù)合構(gòu)造區(qū)沖擊地壓“四要素”—靜載荷的積聚位置、積聚周期和動載荷的來源、供給時間。

(2)結(jié)合礦井具體情況，進一步提出深部礦井沖擊地壓主要因素為靜載荷，發(fā)生沖擊地壓的前提條件是靜載荷必須重新積聚至原水平附近，只有靜載荷滿足條件后才能根據(jù)動載荷來源、供給時間進行沖擊地壓預(yù)警。

(3)根據(jù)“四要素”來實現(xiàn)深部礦井復(fù)合構(gòu)造區(qū)沖擊地壓預(yù)警的方法，具有普遍適用性，對國內(nèi)類似地質(zhì)條件的煤礦防沖工作具有一定的參考價值。