020907綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律探討

樊占文

（國(guó)家能源集團(tuán)煤焦化公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000)

棋盤井煤礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市境內(nèi)，礦井采用斜井開(kāi)拓方式，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3.00 Mt/a。近年來(lái)，隨著礦井開(kāi)采范圍的不斷擴(kuò)大，生產(chǎn)活動(dòng)逐步向地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜區(qū)域布置掘進(jìn)和回采工作面。礦井深部區(qū)域的這些采掘工作面受采動(dòng)壓力和構(gòu)造應(yīng)力疊加影響，導(dǎo)致采掘工作面經(jīng)常發(fā)生嚴(yán)重的頂板下沉、底鼓及側(cè)幫收斂等現(xiàn)象，需要進(jìn)行翻修重新擴(kuò)修巷道，嚴(yán)重影響掘進(jìn)和回采速度，支護(hù)成本和人力成本也急劇增加，并同時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。

1 工作面概況

020907綜采工作面（以下簡(jiǎn)稱工作面）距離地表的垂直埋深為450～510 m，工作面沿煤層走向布置，走向長(zhǎng)度2 300 m，切眼長(zhǎng)度200 m。

020907綜采工作面開(kāi)采的9號(hào)煤層厚度3.0～3.8 m，傾角5°～8°，中間有不穩(wěn)定夾矸層1～2層，煤層全區(qū)穩(wěn)定可采。9號(hào)煤直接頂為層厚0.8～3 m的碳質(zhì)泥頁(yè)巖，老頂為層厚5～30 m的泥質(zhì)膠結(jié)細(xì)粒砂巖，老頂上部為厚度在20～50 m的中粗粒砂巖，直接底為碳質(zhì)泥頁(yè)巖。工作面內(nèi)的煤巖層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，局部有落差小于2 m的斷層構(gòu)造。

工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化開(kāi)采，頂板全部垮落法處理采空區(qū)。工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽均采用單體液壓支柱加鉸接梁進(jìn)行超前維護(hù)。由于工作面兩側(cè)均為已回采后的采空區(qū)，運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽兩側(cè)均采用6 m窄煤柱與采空區(qū)隔離，因此形成孤島工作面開(kāi)采。在工作面回采推進(jìn)過(guò)程中運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽出現(xiàn)劇烈礦壓現(xiàn)象，超前支護(hù)段巷道兩幫收斂最大達(dá)2.5 m，頂?shù)装逡平孔畲筮_(dá)2 m，給工作面推采和安全管理帶來(lái)很大影響[1]。

2 礦壓監(jiān)測(cè)方案

礦井在工作面及相鄰的北翼回風(fēng)大巷、北翼輔助運(yùn)輸大巷采用微震監(jiān)測(cè)法開(kāi)展區(qū)域監(jiān)測(cè)；采用應(yīng)力監(jiān)測(cè)法開(kāi)展工作面順槽內(nèi)超前段應(yīng)力局部監(jiān)測(cè)；采用十字布樁法和頂板離層儀觀測(cè)巷道型變監(jiān)測(cè)。工作面使用煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)展區(qū)域微震監(jiān)測(cè)工作，共布置8通道信號(hào)采集，其中1～6號(hào)信號(hào)采集傳感器布置在工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽，監(jiān)測(cè)工作面微震波數(shù)據(jù)；7、8號(hào)信號(hào)采集傳感器布置在與工作面鄰近的北翼回風(fēng)大巷、北翼輔助運(yùn)輸大巷內(nèi)，監(jiān)測(cè)巷道內(nèi)微震波數(shù)據(jù)[2-3]。局部應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)在工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽內(nèi)各布置了10組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)超前段300 m范圍煤體內(nèi)的原巖應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力變化情況[4]。十字布樁法觀測(cè)點(diǎn)在工作面運(yùn)輸順槽0～120 m采動(dòng)超前范圍內(nèi)布置了5處觀測(cè)點(diǎn)，在回風(fēng)順槽0～100 m采動(dòng)超前范圍內(nèi)布置了4處觀測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)工作面回采超前段巷道形變情況[5]。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集

1）微震監(jiān)測(cè)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)采集

工作面開(kāi)采深度為450～510 m，通過(guò)計(jì)算可求出重力應(yīng)力場(chǎng)施加在工作面的應(yīng)力約為13.23～15 MPa。工作面回采形成的采動(dòng)空間使煤層頂?shù)装鍑鷰r原始應(yīng)力發(fā)生劇烈改變[6]，造成工作面直接頂和老頂巖層變形、破斷、垮落，直接底發(fā)生形變?nèi)鋭?dòng)抬起，釋放大量彈性能通過(guò)非均勻介質(zhì)并以震動(dòng)波的形式對(duì)外傳播，從而在監(jiān)測(cè)上形成微震波信號(hào)數(shù)據(jù)。

工作面在老頂初次來(lái)壓后，收集工作面推采前方20～300 m區(qū)間和液壓支架后部采空區(qū)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。期間共收集到微震能量信號(hào)450余次，震級(jí)能量區(qū)間多在102～103焦耳；微震能量信號(hào)多集中分布在工作面采空區(qū)內(nèi)30 m至工作面煤壁超前200 m的范圍內(nèi)，煤層上方5～120 m的高度區(qū)間內(nèi)。在有效的監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，所監(jiān)測(cè)到的最大震級(jí)能量值為8×104焦耳；微震信號(hào)源位于工作面回風(fēng)巷側(cè)老空區(qū)頂板上部約10 m高度、超前工作面煤壁約10～20 m處。020907工作面未監(jiān)測(cè)到105焦耳以上震級(jí)的能量信號(hào)[7]。

根據(jù)煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所生成的微震能量信號(hào)源平面、剖面圖顯示，微震事件分布明顯偏向于工作面后方采空區(qū)30 m以內(nèi)和工作面煤壁前方的支承應(yīng)力區(qū)內(nèi)，并且煤壁前方支承應(yīng)力區(qū)的微震能量信號(hào)要明顯多于采空區(qū)內(nèi)，說(shuō)明工作面前方頂板受采動(dòng)影響，頂板出現(xiàn)了較密集的斷裂，并且由于煤壁前方支承應(yīng)力區(qū)老頂斷裂比較充分，應(yīng)力已經(jīng)得到充分釋放，所以采空區(qū)內(nèi)微震事件相對(duì)較少，反映出工作面老頂垮落較為充分[8]。煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生成的微震能量信號(hào)如圖1～圖4所示。

圖1 020907工作面微震能量信號(hào)平面

圖2 020907工作面微震能量信號(hào)剖面

圖3 工作面104焦耳以上信號(hào)平面

圖4 工作面104焦耳以上信號(hào)剖面

2）應(yīng)力局部監(jiān)測(cè)孔數(shù)據(jù)采集

通過(guò)讀取和整理工作面回采期間的應(yīng)力局部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其中：運(yùn)輸順槽內(nèi)共出現(xiàn)3次超預(yù)警值的情況，分別為運(yùn)5號(hào)監(jiān)測(cè)孔、運(yùn)9號(hào)監(jiān)測(cè)孔和運(yùn)13號(hào)監(jiān)測(cè)孔；回風(fēng)順槽共出現(xiàn)10次超過(guò)預(yù)警值的情況，分別為回07號(hào)淺孔，回17號(hào)淺孔、回21號(hào)淺孔、回30號(hào)深孔、回33號(hào)淺孔、回41號(hào)淺孔、回48號(hào)深孔、回62號(hào)深孔、回67號(hào)淺孔和回69號(hào)淺孔[9]。

工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽煤體內(nèi)超過(guò)6 MPa預(yù)警值的應(yīng)力局部監(jiān)測(cè)鉆孔數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1、表2所示。

表1 020907工作面運(yùn)輸順槽煤體內(nèi)應(yīng)力局部監(jiān)測(cè)孔數(shù)據(jù)

表2 020907工作面回風(fēng)順槽煤體內(nèi)應(yīng)力局部監(jiān)測(cè)孔數(shù)據(jù)

3）傳統(tǒng)礦壓觀測(cè)數(shù)據(jù)采集

根據(jù)礦井以往工作面回采期間礦壓顯現(xiàn)和巷道形變規(guī)律，結(jié)合工作面采用微震監(jiān)測(cè)法開(kāi)展區(qū)域監(jiān)測(cè)和采用應(yīng)力監(jiān)測(cè)法開(kāi)展順槽內(nèi)超前段應(yīng)力局部監(jiān)測(cè)的礦壓監(jiān)測(cè)方案，并采用十字布樁法在工作面運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽內(nèi)布置巷道型變觀測(cè)點(diǎn)，形成工作面的完整礦壓監(jiān)測(cè)、觀測(cè)和數(shù)據(jù)分析整理方案和體系。采用十字布樁法監(jiān)測(cè)巷道形變的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)主要布置在工作面超前30～120 m段的范圍內(nèi)，其中在運(yùn)輸順槽內(nèi)正常觀測(cè)收集5個(gè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，在回風(fēng)順槽內(nèi)正常觀測(cè)收集4個(gè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)，其它點(diǎn)位只作為日常觀測(cè)[10]。

工作面推采至地質(zhì)條件相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域期間觀測(cè)的巷道形變數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表如表3、表4所示，形變數(shù)據(jù)折線如圖5、圖6所示。

表3 020907工作面運(yùn)輸順槽巷道型變數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表4 020907工作面回風(fēng)順槽巷道型變數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖5 020907工作面運(yùn)輸順槽巷道形變數(shù)據(jù)折線

圖6 020907工作面回風(fēng)順槽巷道形變數(shù)據(jù)折線

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

1）工作面回采期間頂板巖性及垮冒情況分析。工作面直接頂在推采進(jìn)入采空區(qū)后，基本會(huì)伴隨液壓支架的移架而冒落。直接頂上部5～30 m厚的泥質(zhì)膠結(jié)細(xì)粒砂巖老頂在推采過(guò)程中，在工作面煤壁前方的支承應(yīng)力區(qū)內(nèi)往往容易形成集中、密集的斷裂，是形成低能量微震波信號(hào)的關(guān)鍵層。泥質(zhì)膠結(jié)細(xì)粒砂巖老頂上部厚度在20～50 m的堅(jiān)硬中粗粒砂巖為礦壓能量釋放和顯現(xiàn)的關(guān)鍵層。隨著回采空間跨度逐漸增加，關(guān)鍵層與下覆軟弱直接頂和老頂巖層逐漸出現(xiàn)離層，當(dāng)關(guān)鍵層懸頂長(zhǎng)度大于其破斷步距時(shí)，關(guān)鍵層開(kāi)始破斷，并引起上覆局部或全部巖層同步變形，釋放大量的能量。如圖3、圖4所示，工作面104焦耳以上微震能量信號(hào)主要位于工作面煤壁前方30～80 m的高度范圍內(nèi)、關(guān)鍵層彈性變形能的瞬間和急劇釋放是造成工作面液壓支架工作阻力急劇上升、運(yùn)輸和回風(fēng)順槽超前段巷道嚴(yán)重型變的主要因素。

2）煤壁超前支承壓力分析。通過(guò)運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽煤體內(nèi)應(yīng)力局部監(jiān)測(cè)孔數(shù)據(jù)表如表1、表2所示：當(dāng)運(yùn)輸順槽應(yīng)力監(jiān)測(cè)站距煤壁平均約43.7 m時(shí)煤體應(yīng)力開(kāi)始增大，距煤壁平均約14.8 m時(shí)煤體應(yīng)力達(dá)到峰值20.7 MPa，平均應(yīng)力增量為1.86 MPa/d；當(dāng)回風(fēng)順槽應(yīng)力監(jiān)測(cè)站距煤壁40～60 m(平均49.4 m)時(shí)煤體應(yīng)力為9.7 MPa，開(kāi)始上升且接近預(yù)警臨界值（12 MPa），距煤壁平均約29 m時(shí)煤體應(yīng)力達(dá)到峰值21.6 MPa，平均應(yīng)力增量為0.94 MPa/d。通過(guò)應(yīng)力局部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可以看出，煤體內(nèi)應(yīng)力在工作面煤壁向外30 m的煤體區(qū)間內(nèi)處于峰值。

3）傳統(tǒng)礦壓觀測(cè)分析。通過(guò)對(duì)運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽超前工作面煤壁120 m以外區(qū)段的日常檢查和觀測(cè)可以發(fā)現(xiàn)，超前段120 m以外的巷道頂?shù)装寮皟蓭鸵平啃妥冚^小，礦壓顯現(xiàn)不明顯；運(yùn)輸順槽和回風(fēng)順槽在超前工作面煤壁0～120 m范圍內(nèi)，巷道不同程度發(fā)生了形變，其中：在超前工作面煤壁30 m范圍內(nèi)巷道型變劇烈，存在底臌及下肩窩切頂?shù)痊F(xiàn)象，礦壓顯現(xiàn)明顯；在超前工作面煤壁30～50 m范圍內(nèi)存在較明顯的巷道形變現(xiàn)象，礦壓顯現(xiàn)較大；在超前工作面煤壁50～120 m范圍內(nèi)存在局部巷道形變現(xiàn)象，但礦壓顯現(xiàn)明顯趨弱。

4）微震能量信號(hào)及頂板離層儀分析。020907工作面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)生成的微震能量信號(hào)，反映出微震能量信號(hào)的高度范圍90%以上都位于9號(hào)煤層頂板20～100 m之間，而頂板離層儀安裝深度為巷道頂板以上8 m范圍內(nèi)，通過(guò)微震能量信號(hào)可以看到，頂板斷裂一般很難作用到頂板離層儀安裝的層位，加之頂板離層儀靈敏度不高和設(shè)置的點(diǎn)位少，工作面推采期間很難保證頂板離層儀的完好，因此，回采動(dòng)壓導(dǎo)致的頂板斷裂作用到頂板離層儀的概率很小。但不排除頂板斷裂通過(guò)介質(zhì)傳播的動(dòng)載荷作用至煤體的可能，使得煤體內(nèi)應(yīng)力增加造成巷道圍巖應(yīng)力失衡，導(dǎo)致巷道產(chǎn)生變形。

5）微震頻次及頂板周期來(lái)壓分析。通過(guò)對(duì)收集到的微震能量信號(hào)頻次、強(qiáng)弱情況、信號(hào)產(chǎn)生的位置區(qū)域進(jìn)行分析，工作面104焦耳以上微震能量信號(hào)頻次曲線呈“M”型，出現(xiàn)“釋放-積聚-釋放”的周期變化，其變化與工作面老頂周期來(lái)壓的“失穩(wěn)-短暫平衡-失穩(wěn)”過(guò)程一致[11]，在工作面正常推采期間基本為5～6天為一周期。工作面104焦耳以上微震能量信號(hào)監(jiān)測(cè)頻次周期與工作面頂板周期來(lái)壓周期保持一致。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)采用微震監(jiān)測(cè)法開(kāi)展區(qū)域監(jiān)測(cè)、采用應(yīng)力監(jiān)測(cè)法開(kāi)展順槽內(nèi)超前段應(yīng)力局部監(jiān)測(cè)、以十字布樁法和頂板離層儀觀測(cè)巷道形變監(jiān)測(cè)等監(jiān)測(cè)技術(shù)，基本摸清了工作面及周圍礦壓顯現(xiàn)規(guī)律與特征，對(duì)工作面煤體內(nèi)應(yīng)力分布情況、巷道形變情況和頂板斷裂高度等有清晰的了解和掌握，為工作面的安全、高效開(kāi)采創(chuàng)造了良好條件；也可為其他孤島工作面開(kāi)采提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。