孤島回采工作面沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)及防治監(jiān)測

杜孝杰

(山西冀中能源集團(tuán)隆泰煤業(yè),山西 長治 046500)

沖擊地壓災(zāi)害是煤礦近幾年經(jīng)常發(fā)生的災(zāi)害之一,沖擊地壓事故頻發(fā),成為亟需煤炭企業(yè)解決的一個(gè)難題[1]。煤礦生產(chǎn)過程中對沖擊地壓的預(yù)測和防治非常重要,如何評估礦井的沖擊危險(xiǎn)性等級(jí),國內(nèi)外學(xué)者提出了眾多觀點(diǎn)。其中,以可能性指數(shù)診斷法[2]、地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃法[3]、多因素耦合法和綜合指數(shù)評價(jià)法[4]最為著名。山西金暉隆泰煤業(yè)9109工作面南北兩側(cè)都是采空區(qū),布置工作面回采后形成三面均是采空區(qū)的孤島工作面[5],受三面采空區(qū)應(yīng)力分布影響,在工作面區(qū)域可能會(huì)發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。本文從9109回采工作面沖擊地壓危險(xiǎn)評估的角度出發(fā),利用綜合指數(shù)評價(jià)方法對工作面沖擊地壓危險(xiǎn)程度進(jìn)行評估,并依據(jù)評估結(jié)果提出了孤島回采工作面沖擊地壓預(yù)警和防治的有關(guān)方法,為回采工作面評估沖擊危險(xiǎn)性等級(jí),預(yù)防沖擊地壓事故提供了思路。

1 工程背景

山西金暉隆泰煤業(yè)位于山西省沁源縣城西北約60 km處坡底村一帶,礦井生產(chǎn)規(guī)模為90×104t/a.井田內(nèi)為寬緩褶曲組合構(gòu)造,斷層較發(fā)育?，F(xiàn)主采煤層為9+10#煤,煤層厚度1.15～3.90 m,平均2.67 m,全區(qū)穩(wěn)定可采,埋深180～380 m,含夾矸0～2層,煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖、泥巖；基本頂為K2石灰?guī)r；底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖。

9109工作面位置情況如圖1所示。北部緊鄰9105采空區(qū),南部為9103采空區(qū),布置工作面時(shí)會(huì)形成兩面臨空的“孤島”工作面,且隨著工作面推進(jìn),形成三面均是采空區(qū)的情形,在工作面區(qū)域可能會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中問題。

圖1 9109工作面平面位置圖Fig.1 Plane position of 9109 working face

9109工作面埋深約348 m,工作面傾斜寬度172 m,計(jì)劃可推進(jìn)走向長度約680.4 m,總體呈東北—西南走向,傾向近似正東的向斜構(gòu)造,煤層傾角平均10°,影響工作面回采的主要構(gòu)造是斷層和陷落柱。9109工作面煤層頂板主要為泥巖、細(xì)粒砂巖、石灰?guī)r等,煤層底板主要為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖等,9109工作面鉆孔柱狀圖如圖2所示。

2 工作面沖擊

2.1 工作面沖擊傾向性鑒定

本次對9109工作面煤層沖擊傾向性進(jìn)行鑒定工作,包括其煤層和頂、底板沖擊傾向性一并開展鑒定。9109 工作面沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)將從 9109 工作面附近的煤巖力學(xué)實(shí)測數(shù)據(jù)中以及煤巖沖擊傾向性鑒定數(shù)據(jù)中選取所需的評價(jià)指標(biāo)參數(shù)。

圖2 9109工作面鉆孔柱狀圖Fig.2 Borehole histogram of 9109 working face

煤層的沖擊傾向可以分為無沖擊傾向性(Ⅰ類)、弱沖擊傾向性(Ⅱ類)和強(qiáng)沖擊傾向性(Ⅲ類)3類,各個(gè)煤層沖擊傾向性指標(biāo)的類別、名稱以及評判指數(shù)如表1所示。

表1 煤的沖擊傾向性類別、名稱及指數(shù)Table 1 Category, name and index of burst tendency

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定的4個(gè)煤層沖擊傾向性指數(shù)[6],采用綜合判定的方法來確定煤層的沖擊傾向性的強(qiáng)弱。實(shí)驗(yàn)測定的4個(gè)煤層沖擊傾向性指數(shù),動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間tD=747 ms,彈性能量指數(shù)WET=1.55,沖擊能量指數(shù)KE=1.47,均無沖擊傾向性,單軸抗壓強(qiáng)度ps=9.92 MPa,弱沖擊傾向性。綜合分析4個(gè)實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果得出,山西金暉隆泰煤業(yè)9109工作面煤層無沖擊傾向性,煤層的沖擊傾向性類別為第Ⅰ類。

頂板巖層的沖擊傾向性用ERB表示,單位kJ,是指巖層積蓄變形能并發(fā)生沖擊式破壞的性質(zhì),測定方法為巖梁試樣在均布載荷作用下,單位寬的巖梁達(dá)到極限跨度積蓄的彎曲能量[7]。

根據(jù)彎曲能量指標(biāo)ERB的不同,可以把巖石沖擊傾向性分為無沖擊傾向性(Ⅰ類彎曲能量指標(biāo)ERB≤15)、弱沖擊傾向性(Ⅱ類15120)三類。根據(jù)金暉隆泰煤業(yè)的實(shí)際情況,取樣測定了9109工作面頂板各層位巖石的自然視密度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量,再根據(jù)上覆巖層各自厚度,分別計(jì)算出各巖層的彎曲能量指標(biāo)。9109工作面煤層頂、底板巖層彎曲能量計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 9109工作面煤層頂?shù)装鍘r層彎曲能量計(jì)算結(jié)果Table 2 Roof and floor strata bending energy calculation results of 9109 working face

9109工作面煤層頂板巖層的彎曲能量指數(shù)為13.439 kJ,小于15 kJ,可以判定山西金暉隆泰煤業(yè)礦井9109工作面煤層頂板巖層的沖擊傾向性為Ⅰ類無沖擊傾向性。9109工作面煤層底板巖層彎曲能量指數(shù)為4.406 kJ,小于15 kJ,可以判定山西金暉隆泰煤業(yè)礦井9109工作面煤層底板巖層的沖擊傾向性為Ⅰ類無沖擊傾向性。

2.2 工作面沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)

依據(jù)9109工作面煤層和頂、底板沖擊傾向性鑒定結(jié)果,用綜合指數(shù)法對金暉隆泰煤礦9109工作面沖擊危險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià)。

綜合指數(shù)法通過統(tǒng)計(jì)礦井范圍內(nèi)已發(fā)生的沖擊地壓現(xiàn)象,分析開采技術(shù)因素、地質(zhì)因素并評估這些因素對沖擊地壓發(fā)生的影響程度,確定各種因素的影響權(quán)重。在此基礎(chǔ)上,將其綜合起來,建立起礦井沖擊地壓危險(xiǎn)性評價(jià)和預(yù)測方法。

綜合指數(shù)評價(jià)方法分為地質(zhì)因素確定的沖擊礦壓危險(xiǎn)程度和開采技術(shù)因素確定的沖擊礦壓危險(xiǎn)程度。地質(zhì)因素確定沖擊危險(xiǎn)主要考慮了同一水平煤層沖擊地壓發(fā)生的次數(shù)、開采相關(guān)參數(shù)等因素。開采技術(shù)因素確定沖擊危險(xiǎn)主要考慮了工作面與臨近采空區(qū)的關(guān)系、區(qū)段煤柱寬度和工作面長度等開采因素。

工作面沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評定綜合指數(shù)用Wt表示,Wt可由式(1)確定:

Wt=max{Wt1,Wt2}

(1)

式中,Wt1為地質(zhì)因素影響評定指數(shù)；Wt2為開采技術(shù)因素影響評定指數(shù)。Wt應(yīng)取Wt1、Wt2兩者中的大值,Wt1、Wt2可由式(2)確定:

(2)

式中,Wi為第i個(gè)地質(zhì)因素或開采技術(shù)因素所確定的評價(jià)指數(shù);Wi max為第i個(gè)地質(zhì)因素或開采技術(shù)因素所確定的評價(jià)指數(shù)最大值;n1,n2為地質(zhì)因素、開采技術(shù)因素的數(shù)目。

根據(jù)Wt可以判定工作面的沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí),一般劃分為四個(gè)等級(jí):A類無沖擊危險(xiǎn)(Wt≤0.25)、B類弱沖擊危險(xiǎn)(0.25 0.75)。工作面按劃分的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)采取相應(yīng)的沖擊地壓危險(xiǎn)防治對策,開展沖擊地壓監(jiān)測工作。

2.3 沖擊危險(xiǎn)評價(jià)

采用綜合指數(shù)法,根據(jù)山西金暉隆泰煤業(yè)9109工作面的地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件,分別計(jì)算出由地質(zhì)因素和開采技術(shù)因素影響的沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)Wt1和Wt2,然后取兩者計(jì)算結(jié)果的最大值代表工作面沖擊危險(xiǎn)指數(shù)。據(jù)此判定9109工作面的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)。

地質(zhì)因素確定沖擊危險(xiǎn)主要依據(jù)同一水平煤層沖擊地壓發(fā)生的歷史(次數(shù))、開采深度、上覆裂隙帶內(nèi)堅(jiān)硬厚層巖層距煤層的距離、煤層上方100 m范圍頂板巖層厚度特征參數(shù)、開采區(qū)域內(nèi)構(gòu)造引起的應(yīng)力增量與正常應(yīng)力值之比、煤的單軸抗壓強(qiáng)度、煤的彈性能量指數(shù)等7個(gè)地質(zhì)因素。根據(jù)工作面具體地質(zhì)條件對地質(zhì)因素進(jìn)行評估并確定其評價(jià)指數(shù)。

根據(jù)表影響9109回采工作面沖擊地壓危險(xiǎn)的7個(gè)地質(zhì)因素評價(jià)指數(shù),9109工作面地質(zhì)因素對應(yīng)的沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評定指數(shù)可按式(3)計(jì)算,7個(gè)地質(zhì)因素的評價(jià)指數(shù)最大值均為3,所以Wi max=21,實(shí)際危險(xiǎn)指數(shù)之和為2,故Wt1=2/21≈0.10。計(jì)算得出9109工作面內(nèi)地質(zhì)因素影響的沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評定指數(shù)為0.10。

(3)

綜合指數(shù)法包含的開采技術(shù)因素主要分析因開采方法引起的應(yīng)力集中對煤巖沖擊危險(xiǎn)影響程度。影響煤巖沖擊地壓危險(xiǎn)的生產(chǎn)技術(shù)因素一般主要考慮保護(hù)層對本開采煤層的卸壓保護(hù)效果、本煤層開采工作面與保護(hù)層遺留煤柱水平距離、工作面周邊采空區(qū)分布、工作面長度、區(qū)段煤柱留設(shè)寬度、留底煤厚度、掘進(jìn)或開采工作面與采空區(qū)距離、掘進(jìn)或開采工作面與斷層構(gòu)造距離、掘進(jìn)或開采工作面與褶曲軸部的距離、掘進(jìn)或開采工作面與煤層厚度劇烈變化區(qū)的距離等11個(gè)開采技術(shù)因素,根據(jù)工作面具體開采技術(shù)條件對開采技術(shù)因素進(jìn)行評估并確定其評價(jià)指數(shù)。

9109工作面不涉及保護(hù)層開采,也沒有煤柱影響,所以不涉及保護(hù)層的卸壓程度這一因素評價(jià)指數(shù)的確定;工作面沒有保護(hù)層遺留煤柱的影響,所以不涉及工作面距上保護(hù)層開采遺留的煤柱的水平距離這一因素評價(jià)指數(shù)的確定;由于回采工作面巷道布置已完成,回采期間不涉及向采空區(qū)掘進(jìn)的巷道,所以不涉及掘進(jìn)或開采工作面與采空區(qū)距離這一因素評價(jià)指數(shù)確定。因此只需要確定其他8個(gè)開采技術(shù)因素的評價(jià)指數(shù)。9109工作面開采技術(shù)因素對應(yīng)的沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評定指數(shù)可按式(4)計(jì)算:

(4)

由于9109工作面在進(jìn)行開采技術(shù)因素影響的評價(jià)指數(shù)確定的過程中只評估了8個(gè)因素,且這8個(gè)開采技術(shù)因素的評價(jià)指數(shù)最大值均為3,所以Wi max=24,實(shí)際危險(xiǎn)指數(shù)之和為2,故Wt2=6/24=0.25。所以9109工作面內(nèi)開采技術(shù)因素影響的沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評定指數(shù)為0.25。

根據(jù)金暉隆泰煤礦9109工作面地質(zhì)因素影響的沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評定指數(shù)Wt1,生產(chǎn)技術(shù)因素影響的沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評定指數(shù)Wt2,采用綜合指數(shù)法確定9109工作面整體沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)及危險(xiǎn)等級(jí),見表3所示。

由表3分析可知,9109工作面沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評定綜合指數(shù)Wt為0.25,工作面的沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí),A類無沖擊危險(xiǎn)(Wt≤0.25),據(jù)此判斷山西金暉隆泰煤礦9109工作面整體沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為A類,無沖擊地壓危險(xiǎn)。

表3 沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)及等級(jí)評估Table 3 Index and grade evaluation of rock burst risk

2.4 工作面沖擊地壓預(yù)警技術(shù)與防治措施

2.4.1工作面沖擊地壓預(yù)警技術(shù)

山西金暉隆泰煤業(yè)9109工作面經(jīng)綜合指數(shù)法方法評價(jià),判定其沖擊危險(xiǎn)性等級(jí)為無沖擊危險(xiǎn)性,但無沖擊危險(xiǎn)性并不意味著整個(gè)9109工作面區(qū)域不會(huì)發(fā)生沖擊地壓[8]。因此，9109工作面在正?；夭蛇^程中,應(yīng)主動(dòng)加強(qiáng)礦壓日常監(jiān)測。工作面沖擊地壓危險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警技術(shù)包括以下幾點(diǎn)。

1)應(yīng)力在線監(jiān)測預(yù)測。應(yīng)力在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)力計(jì)布置在工作面兩側(cè)順槽內(nèi),井下數(shù)據(jù)傳輸采用無線傳輸,兩巷分別布置約2～3個(gè)無線接收器,其布置示意圖見圖3。

圖3 應(yīng)力測點(diǎn)布置示意圖Fig.3 Layout of stress measuring points

根據(jù)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)評價(jià)結(jié)果,對危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行煤體應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測。常規(guī)監(jiān)測方案設(shè)計(jì)原則為:弱、中等沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)測站間距20～40 m,強(qiáng)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)測站間距≤20 m。弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域可采用單點(diǎn)布置，中等及以上沖擊危險(xiǎn)區(qū)域正幫應(yīng)力測點(diǎn)采用深淺孔布置,2個(gè)測點(diǎn)為一組,副幫采用單孔布置。故9109工作面設(shè)置測站間距為30 m,單點(diǎn)布置。由工程類比法,設(shè)定系統(tǒng)初裝后的初始預(yù)警值。在之后的系統(tǒng)運(yùn)行中,需要在給定的初始預(yù)警閾值的基礎(chǔ)上結(jié)合鉆屑法檢驗(yàn)和現(xiàn)場的礦壓顯現(xiàn)情況,對預(yù)警值進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?。日常維護(hù)時(shí)主要進(jìn)行油管、應(yīng)力采集儀、壓力變送器、線路及中繼器檢測。

2)鉆屑法。對于處在一定條件和正常應(yīng)力作用下的煤體,如若設(shè)置不同的鉆孔深度進(jìn)行鉆孔,那么煤體所處的應(yīng)力狀態(tài)和不同深度鉆孔所產(chǎn)生的煤粉量也是不同的。隨著煤層應(yīng)力狀態(tài)的不同,或煤層應(yīng)力狀態(tài)突然發(fā)生改變,鉆孔的煤粉量也將隨之發(fā)生改變。由此,可以根據(jù)鉆孔煤粉量的差異性,預(yù)測煤體的受力狀態(tài),判斷煤體受力情況是否突然改變,并進(jìn)一步預(yù)測沖擊危險(xiǎn)發(fā)生的可能性。在不受采動(dòng)影響的附近煤層巷道中,布置5個(gè)鉆孔,鉆孔的直徑為42 mm,鉆孔深度為3.5倍的采高,且每相鄰兩個(gè)鉆孔的間距不小于10 m。在施工過程中,記錄好每個(gè)鉆孔每米掘進(jìn)產(chǎn)生的鉆屑量,并據(jù)此繪制每個(gè)鉆孔的鉆屑量曲線,再將用加權(quán)平均法處理的結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)鉆屑量。由此確定工作面的鉆屑量臨界值。

3)礦壓監(jiān)測法。礦壓監(jiān)測方法是指利用工作面礦壓數(shù)據(jù)和礦壓顯現(xiàn)等指標(biāo)對沖擊礦壓進(jìn)行預(yù)測。對于回采工作面,主要以巷道圍巖變形情況作為礦壓監(jiān)測的指標(biāo)。經(jīng)研究分析,巷道兩幫位移、錨桿受力等可作為與巷道兩幫圍巖穩(wěn)定有關(guān)的監(jiān)控指標(biāo);頂板下沉量、錨固區(qū)內(nèi)外的離層值等可作為與巷道頂板穩(wěn)定有關(guān)的監(jiān)控指標(biāo)。此外,在進(jìn)行礦壓監(jiān)測時(shí),要注意盡量選取便于進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)地監(jiān)測的指標(biāo)[9]。

2.4.2工作面局部沖擊地壓防治措施

1)煤體大直徑鉆孔卸壓。煤體大直徑鉆孔卸壓是指在煤體內(nèi)應(yīng)力集中區(qū)域或潛在的應(yīng)力集中區(qū)域?qū)嵤┿@孔,通過排出鉆孔內(nèi)的大量煤粉,使鉆孔周圍煤體破壞區(qū)擴(kuò)大,從而使鉆孔周圍一定應(yīng)力區(qū)域煤巖體的應(yīng)力集中程度下降,并使高應(yīng)力轉(zhuǎn)移到煤巖體的深處,實(shí)現(xiàn)對局部煤體的預(yù)卸壓和解危[10]。工作面回采期間主要用煤體大直徑卸壓鉆孔對煤體進(jìn)行卸壓。工作面常規(guī)區(qū)域大直徑鉆孔卸壓參數(shù)的選取如下:孔深20 m,鉆孔直徑150 mm,鉆孔順煤層單排布置,鉆孔距底板1～1.2 m,工作面沖擊危險(xiǎn)程度為弱沖擊危險(xiǎn)時(shí),鉆孔間距設(shè)置為3 m;工作面沖擊危險(xiǎn)程度為中等沖擊危險(xiǎn)時(shí),鉆孔間距設(shè)置為2 m;工作面沖擊危險(xiǎn)程度為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)時(shí),鉆孔間距設(shè)置為1 m。當(dāng)監(jiān)測到工作面開采區(qū)域存在沖擊危險(xiǎn)或出現(xiàn)沖擊顯現(xiàn)特征時(shí),應(yīng)在危險(xiǎn)區(qū)及其附近15 m實(shí)施大直徑鉆孔解危措施,采取巷道兩側(cè)同參數(shù)卸壓,保證實(shí)體煤側(cè)巷道的穩(wěn)定性。同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)效果檢驗(yàn),確認(rèn)預(yù)警指標(biāo)小于臨界值后方可繼續(xù)作業(yè)。

2)煤層頂板超高壓注水壓裂卸壓。厚層堅(jiān)硬頂板在工作面推過后,采空區(qū)側(cè)可能形成大面積懸頂不垮落,在巷道掘進(jìn)工程中可能會(huì)造成隱患。對此,可以采取人工強(qiáng)制斷頂?shù)氖侄螌?jiān)硬頂板進(jìn)行預(yù)裂,目前主要采用頂板水力切頂、爆破斷頂?shù)确绞健?/p>

3 結(jié)論

通過分析山西金暉隆泰煤業(yè)9109工作面開采區(qū)域內(nèi)現(xiàn)有的生產(chǎn)地質(zhì)資料,得出如下結(jié)論:

1)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)實(shí)測9109工作面沖擊傾向性鑒定結(jié)果為:工作面煤層無沖擊傾向性,工作面煤層頂、底板巖層均無沖擊傾向性。

2)采用綜合指數(shù)法評價(jià)山西金暉隆泰煤業(yè)9109孤島回采工作面沖擊地壓危險(xiǎn)評定指數(shù)等級(jí)為0.25,判斷工作面沖擊危險(xiǎn)等級(jí)為A類,無沖擊危險(xiǎn)。

3)提出了采用應(yīng)力在線監(jiān)測法、鉆屑法或者礦壓監(jiān)測法對9109工作面沖擊地壓危險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警和采用煤體大直徑鉆孔卸壓法、工作面煤層頂板超高壓注水壓裂卸壓法進(jìn)行解危的沖擊地壓監(jiān)測防治體系,確保礦井安全生產(chǎn)。