弱沖擊傾向性煤層沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警及防治

容賓賓，拜 鵬，鄭洪濤

(陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引言

煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源，且作為我國(guó)主體能源在今后的很長(zhǎng)時(shí)期仍難以改變[1-2]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源需求量的逐年增加，大規(guī)模的煤炭開(kāi)采使淺部煤炭資源逐漸枯竭，煤炭資源的開(kāi)采不斷深入到地球深處，以沖擊地壓為代表的煤礦災(zāi)害的發(fā)生愈加頻繁，嚴(yán)重威脅礦山安全生產(chǎn)[3]。黃隴煤田是中國(guó)的大型煤礦生產(chǎn)基地之一，是全國(guó)重要能源生產(chǎn)基地，其中，小莊煤礦位于黃隴煤田的彬長(zhǎng)礦區(qū)，隸屬于陜西彬長(zhǎng)礦業(yè)公司，是其下屬的新型大型骨干礦井之一[4]。小莊煤礦位于彬長(zhǎng)礦區(qū)中部，礦區(qū)位于鄂爾多斯盆地南部渭北北緣的彬縣，小莊煤礦主采的4號(hào)煤層位于延安組下部，埋藏較深，基本全井田分布，4號(hào)煤層形成于長(zhǎng)期發(fā)育的泥巖沼澤中，煤層厚度0～38.66 m，平均厚度15.23 m，屬特厚煤層。目前準(zhǔn)備開(kāi)采40205工作面，工作面直接底為鋁質(zhì)泥巖，厚度為3～4 m。直接頂為細(xì)砂巖，厚度為1～2 m。老頂為中-粗粒砂巖，厚度約為9～10 m。

根據(jù)煤炭科學(xué)研究院《小莊煤礦4號(hào)煤及其頂?shù)装鍘r層沖擊傾向性鑒定報(bào)告》，4號(hào)煤層、頂板、底板具有弱沖擊傾向性。沖擊礦壓是典型的煤巖動(dòng)力災(zāi)害，是一種積聚在礦井巷道和采場(chǎng)周?chē)簬r體中的能量突然釋放現(xiàn)象，產(chǎn)生的動(dòng)力將煤巖拋向巷道，同時(shí)發(fā)出強(qiáng)烈聲響，造成煤巖體振動(dòng)和破壞、支架與設(shè)備損壞、人員傷亡、部分巷道垮落破壞等[5-6]。目前針對(duì)沖擊地壓?jiǎn)栴}已經(jīng)開(kāi)展了許多有意義的研究，在理論研究方面提出了強(qiáng)度理論、能量理論、沖擊傾向性理論、變形失穩(wěn)理論、沖擊啟動(dòng)等理論[7-8]。在監(jiān)測(cè)預(yù)警方面有鉆屑法、應(yīng)力監(jiān)測(cè)法、聲發(fā)射監(jiān)測(cè)法、微震監(jiān)測(cè)法、電磁輻射監(jiān)測(cè)法等監(jiān)測(cè)預(yù)警方法[9-10]。在沖擊地壓防治方面形成了開(kāi)采布局調(diào)整、開(kāi)采保護(hù)層、煤巖層注水/爆破卸壓、大孔徑鉆孔卸壓等防治方法[11-12]。因此，分析小莊煤礦井綜放開(kāi)采過(guò)程中沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警及防治，對(duì)小莊煤礦的高效生產(chǎn)和安全開(kāi)采具有重要意義。

1 40205 工作面沖擊地壓影響因素分析

煤層開(kāi)采過(guò)程中沖擊地壓的發(fā)生需具備3個(gè)條件，即開(kāi)采煤層本身具有沖擊傾向性；采掘空間圍巖載荷局部化集中，并且達(dá)到?jīng)_擊失穩(wěn)載荷極限；煤體中高度局部化集中的載荷有釋放空間。

1.1 開(kāi)采深度

隨著開(kāi)采深度的增加，自重應(yīng)力隨之增加，煤巖體中聚積的彈性能也隨之增加。開(kāi)采深度越大，發(fā)生沖擊地壓的可能性也越大。小莊煤礦40205工作面地表最大標(biāo)高+1 082.5 m，最低標(biāo)高+953.0 m，煤層埋深約為570～710 m，開(kāi)采深度對(duì)40205工作面沖擊危險(xiǎn)性影響程度為中等-較大。井下開(kāi)采改變了煤巖體賦存空間，巷道、采空區(qū)提供了一個(gè)應(yīng)力釋放的空間。

1.2 煤巖層沖擊傾向性

煤巖沖擊傾向性是煤(巖)介質(zhì)產(chǎn)生動(dòng)力破壞的固有屬性，是發(fā)生沖擊地壓的必要因素之一，而且煤巖層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和煤巖層的組合形式與沖擊地壓也有密切關(guān)系。根據(jù)沖擊傾向性鑒定結(jié)果，小莊煤礦4號(hào)煤頂?shù)装寮懊簩佣季哂袥_擊傾向性。

1.3 綜合分析

對(duì)于40205工作面沖擊地壓的發(fā)生第1和第3個(gè)條件已經(jīng)滿(mǎn)足。40205工作面沖擊地壓防控主要思路是采掘活動(dòng)中消除或弱化圍巖載荷局部化應(yīng)力集中，避免沖擊地壓的發(fā)生。

2 沖擊地壓監(jiān)測(cè)及預(yù)警

2.1 微震監(jiān)測(cè)

采用KJ551微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)井下采掘區(qū)域微震事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，井下微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)能覆蓋該工作面掘進(jìn)區(qū)域，可有效監(jiān)測(cè)該掘進(jìn)工作面微震事件。KJ551微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能通過(guò)對(duì)井下微震事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合微震事件發(fā)生的地點(diǎn)、時(shí)間、能級(jí)等指標(biāo)，對(duì)沖擊地壓進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。監(jiān)測(cè)過(guò)程中，如果工作面周?chē)奈⒄鹉芰砍^(guò)臨界值，或微震能量、頻次出現(xiàn)異常，或向某個(gè)區(qū)域集中時(shí)，判定存在沖擊地壓危險(xiǎn)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行解危治理。微震監(jiān)測(cè)及沖擊地壓的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)由防沖辦負(fù)責(zé)，每日監(jiān)測(cè)結(jié)果在調(diào)度會(huì)上進(jìn)行通報(bào)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)安排防沖隊(duì)及施工區(qū)隊(duì)做好卸壓解危措施的落實(shí)工作，確保安全生產(chǎn)。沖擊地壓危險(xiǎn)等級(jí)分為A級(jí)-無(wú)沖擊危險(xiǎn)、B級(jí)-弱沖擊危險(xiǎn)、C級(jí)-中等沖擊危險(xiǎn)、D級(jí)-強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)，見(jiàn)表1。

表1 沖擊地壓危險(xiǎn)微震能量分級(jí)預(yù)警指標(biāo)Table 1 Graded early warning indicators of microseismic energy for rock burst danger

2.2 地音監(jiān)測(cè)預(yù)警

地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理是通過(guò)提供統(tǒng)計(jì)地音事件、能量釋放率、延時(shí)等一系列地音參量，找出地音活動(dòng)規(guī)律，以此判斷巖體受力狀態(tài)和破壞進(jìn)程，評(píng)價(jià)巖體的穩(wěn)定性，進(jìn)而判斷監(jiān)測(cè)區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)等級(jí)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)后，可以在已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)下一時(shí)段內(nèi)監(jiān)測(cè)區(qū)域危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和預(yù)警。目前小莊煤礦已安裝ARES-5/E地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，掘進(jìn)工作面掘進(jìn)期間，在后部距掘進(jìn)工作面40 m、70 m位置布置2個(gè)探測(cè)器，如圖1所示。采煤工作面采煤期間分別在工作面進(jìn)風(fēng)巷、運(yùn)輸巷距切眼60 m、110 m位置各布置一個(gè)探測(cè)器，如圖2所示。且各探測(cè)器隨工作面的推進(jìn)交替外移，以便更準(zhǔn)確有效地接收煤巖層中的地音信號(hào)。

圖1 掘進(jìn)期間地音探測(cè)器布置示意Fig.1 Layout of geosonic detectors during tunneling

2.3 采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)

目前小莊煤礦已配備KJ649采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)方案如圖3所示。

圖3 危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)方案示意Fig.3 Monitoring scheme of mining stress in hazardous area

40205工作面膠帶運(yùn)輸順槽南側(cè)每隔30 m安裝一個(gè)9 m深單孔應(yīng)力計(jì)；北側(cè)每隔30 m安裝一組應(yīng)力計(jì)，每組由一個(gè)15 m和一個(gè)9 m應(yīng)力計(jì)組成，兩孔間距1 m；安裝孔徑44 mm。應(yīng)力計(jì)安裝高度位于1.2～1.5 m，安裝方位角0°，垂直水平夾角0°～3°，開(kāi)口避開(kāi)錨桿和錨索0.4 m以上，應(yīng)力計(jì)接口外露0.5 m，安裝初始?jí)毫? MPa。鉆孔黃土封口1.5 m。

3 沖擊地壓預(yù)卸壓措施

3.1 不同防治措施分類(lèi)

通過(guò)斷頂、斷底、煤體鉆孔等預(yù)卸壓措施，對(duì)劃分的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)采掘工作面高應(yīng)力集中的削弱，可有效預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生。如工作面回采期間采取PASAT應(yīng)力CT掃描，對(duì)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行精細(xì)劃分，則回采期間可按照CT掃描結(jié)果進(jìn)行不同等級(jí)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)卸壓，具體防治措施見(jiàn)表2。

表2 不同沖擊危險(xiǎn)區(qū)域防治措施Table 2 Prevention and control measures for different bursting risk areas

3.2 迎頭預(yù)卸壓

掘進(jìn)工作面每施工40 m巷道，在迎頭施工5個(gè)80 m深的卸壓鉆孔，保證40 m處于卸壓范圍，鉆孔采用五花眼布置；直徑133 mm，左右間距1.5 m，上下間距0.3 m，方位角270°，鉆孔垂直角度與巷道掘進(jìn)坡度一致。掘進(jìn)工作面每掘進(jìn)3天，在迎頭施工5個(gè)25 m深的卸壓鉆孔，鉆孔采用五花眼布置；直徑133 mm，左右間距1.5 m，上下間距0.3 m，方位角270°，鉆孔垂直角度與巷道掘進(jìn)坡度一致。迎頭卸壓鉆孔采取交替施工，具體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 鉆孔參數(shù)Table 3 Drilling parameters

3.3 幫部及底板預(yù)卸壓

3.3.1 幫部大直徑卸壓鉆孔

使用ZDY3500LP鉆機(jī)施工大直徑卸壓鉆孔。幫部大直徑卸壓鉆孔直徑為133 mm，鉆孔布置在巷道高度的中部，單排布置，鉆孔距巷道底板1.5 m(盡量避開(kāi)錨桿、錨索支護(hù)位置，避免使支護(hù)失效)，孔間距為1.6 m，封孔長(zhǎng)度4 m。卸壓鉆孔參數(shù)見(jiàn)表4，布置方式如圖4所示。

圖4 40205運(yùn)順幫部大直徑卸壓鉆孔布置剖面示意Fig.4 Layout section of large-diameter pressure relief drilling holes at the side of 40205 transport roadway

表4 幫部大直徑卸壓鉆孔參數(shù)Table 4 Pressure relief parameters of large-diameter drilling holes in the side

3.3.2 底板大直徑卸壓鉆孔

底板施工大孔徑卸壓鉆孔，沿底板底角兩側(cè)各施工1組(可適當(dāng)調(diào)節(jié)鉆孔位置，需保證鉆孔施工質(zhì)量)。鉆孔直徑133 mm，孔間距為1.6 m，封孔長(zhǎng)度2 m，鉆孔長(zhǎng)度8 m左右(以見(jiàn)底板巖層為準(zhǔn))，卸壓鉆孔參數(shù)見(jiàn)表5，布置方式如圖5所示。

圖5 底板大孔徑卸壓鉆孔布置示意Fig.5 Layout of large-diameter pressure relief drilling holes in the floor

表5 底板大直徑鉆孔卸壓參數(shù)Table 5 Pressure relief parameters of large-diameter drilling holes in the floor

4 結(jié)論

(1)小莊煤礦40205工作面沖擊地壓防控主要思路是采掘活動(dòng)中消除或弱化圍巖載荷局部化應(yīng)力集中，避免沖擊地壓的發(fā)生。

(2)在沖擊地壓監(jiān)測(cè)方面，綜合運(yùn)用微震監(jiān)測(cè)、地音監(jiān)測(cè)和采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)，可以滿(mǎn)足小莊煤礦沖擊地壓的預(yù)警。

(3)結(jié)合工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，采用預(yù)卸壓措施對(duì)采掘工作面高應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行削弱，可有效預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生。