綜放工作面沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)及監(jiān)測(cè)防治技術(shù)研究

蘇 越，高健勛

(1.中煤國(guó)際工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120；2.中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120；3.華能煤炭技術(shù)研究有限公司，北京 100070)

沖擊地壓已經(jīng)成為影響礦井安全生產(chǎn)最為嚴(yán)重的動(dòng)力災(zāi)害[1，2]。而沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)則是將沖擊地壓動(dòng)力災(zāi)害能量本質(zhì)具象化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其包含的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別和沖擊危險(xiǎn)等級(jí)劃分等內(nèi)容對(duì)于防控措施科學(xué)設(shè)計(jì)和有效實(shí)施都具有無(wú)可替代的支撐作用[3-5]。目前用于沖擊危險(xiǎn)預(yù)評(píng)價(jià)的方法主要有綜合指數(shù)法、地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃法、多因素耦合法等。其中，《防治煤礦沖擊地壓細(xì)則》中推薦使用綜合指數(shù)法進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，該方法可以從宏觀上掌握目標(biāo)區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)程度[6，7]。因此，也成為目前應(yīng)用最為廣泛的沖擊地壓危險(xiǎn)性評(píng)估方法。

目前針對(duì)沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法主要有微震監(jiān)測(cè)、地音監(jiān)測(cè)、支架壓力監(jiān)測(cè)等[8]，其中微震系統(tǒng)由于其可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)礦井大范圍內(nèi)煤巖體斷裂的震源位置及能量，故被廣泛應(yīng)用于有沖擊地壓危險(xiǎn)的礦井中。已有大量學(xué)者針對(duì)沖擊地壓發(fā)生前后微震的前兆信息演化規(guī)律進(jìn)行了研究[9-11]。夏永學(xué)等[12]為了提高煤礦沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平，以天然地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的研究成果為理論基礎(chǔ)，采用R值評(píng)分法對(duì)選取的5個(gè)沖擊地壓危險(xiǎn)預(yù)測(cè)指標(biāo)的預(yù)測(cè)效能進(jìn)行分析。張傳玖等[13]以寬溝煤礦具體綜放工作面為研究對(duì)象，通過(guò)分析不同能級(jí)微震事件的空間分布特征及前兆預(yù)警指標(biāo)的時(shí)序演化規(guī)律，以此提出有針對(duì)性的防沖措施。張國(guó)華等[14]通過(guò)分析微震信號(hào)的時(shí)頻特征得到工作面沖擊地壓前兆特征，并以此為依據(jù)設(shè)定了煤礦沖擊地壓預(yù)警指標(biāo)。同時(shí)在沖擊地壓主動(dòng)治理解危方面，眾多學(xué)者也取得了豐碩的成果[15-17]。王正義等[18]以甘肅窯街三礦為工程背景，建立起“頂板深孔預(yù)裂爆破—控制動(dòng)載、巷幫與底煤爆破+大直徑鉆孔卸靜載”的成套沖擊地壓防治技術(shù)。于貴良等[19]以急傾斜特厚煤層水平分段開(kāi)采工作面為研究對(duì)象，采取切頂爆破、煤體爆破等技術(shù)手段對(duì)頂板及煤體進(jìn)行卸壓措施，保障了強(qiáng)沖擊地壓工作面的安全生產(chǎn)。王博等[20]針對(duì)我國(guó)西部深井工作面區(qū)段煤柱過(guò)寬誘發(fā)沖擊地壓的現(xiàn)象進(jìn)行研究，提出了大直徑斜交卸壓孔的防沖技術(shù)，保證了工作面安全高效回采。

根據(jù)青崗坪煤礦4煤的沖擊傾向性鑒定結(jié)果，4煤及其頂板具有弱沖擊傾向性，底板無(wú)沖擊傾向性。為保證青崗坪煤礦4煤工作面回采期間安全作業(yè)，以青崗坪煤礦42108工作面為工程背景，基于沖擊危險(xiǎn)綜合指數(shù)法對(duì)工作面沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)提出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)及防治技術(shù)方案。

1 工程概況

1.1 工作面布置及周邊位置

青崗坪煤礦采用斜井開(kāi)拓方式，大巷布置在42煤層中，共劃分為2個(gè)采區(qū)，42108工作面運(yùn)輸巷布置在42煤層中，工作面位于一采區(qū)東翼，東為井田邊界保護(hù)煤柱(東側(cè)無(wú)相鄰礦井)，南為42106采空區(qū)，西為一采區(qū)三條大巷保護(hù)煤柱，北為未開(kāi)采區(qū)，如圖1所示。該工作面回風(fēng)巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1540m，運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1505m，42108工作面切眼設(shè)計(jì)從軌道巷開(kāi)窩，切眼長(zhǎng)度150m，沿42煤層底板布置，設(shè)計(jì)留底煤厚度不大于0.4m，可采長(zhǎng)度1360m，傾向長(zhǎng)度150m。煤層總厚度平均14.86m，傾角0°～5°。采用綜采放頂煤采煤法開(kāi)采工作面，42108工作面終采線至一采區(qū)大巷煤柱凈寬度為80m，42108工作面區(qū)段煤柱凈寬度為20m。在42108工作面回采期間，42106采空區(qū)造成的側(cè)向支承壓力及頂板未穩(wěn)定期間的動(dòng)載擾動(dòng)，將對(duì)42108回風(fēng)巷的沖擊危險(xiǎn)性形成較大影響。工作面煤巖情況如圖2所示。

圖1 青崗坪煤礦42108工作面布置

圖2 42108工作面煤巖情況

1.2 沖擊傾向性鑒定結(jié)果

根據(jù)《青崗坪煤礦4煤煤巖沖擊傾向性鑒定報(bào)告》顯示：4煤上分層、中-上分層、中-下分層、下分層沖擊傾向性類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，即弱沖擊傾向性；4煤頂板巖層的沖擊傾向性類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，即弱沖擊傾向性；4煤底板巖層的沖擊傾向性類(lèi)別為Ⅰ類(lèi)，即無(wú)沖擊傾向性。煤層及煤層頂?shù)装鍥_擊傾向性鑒定結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 青崗坪煤礦4煤沖擊傾向性鑒定結(jié)果

表2 青崗坪煤礦4煤頂?shù)装鍥_擊傾向性鑒定結(jié)果

2 42108工作面沖擊危險(xiǎn)綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)

2.1 沖擊危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)方法

在分析已發(fā)生的沖擊地壓災(zāi)害的基礎(chǔ)上，分析各種地質(zhì)因素及采礦技術(shù)因素對(duì)沖擊地壓事件發(fā)生的影響，基于綜合指數(shù)法，確定各地質(zhì)及采礦技術(shù)子因素的權(quán)重。以此更加科學(xué)地評(píng)判沖擊地壓對(duì)礦井安全生產(chǎn)的影響。

Wt=max{Wt1，Wt2}

式中，Wt為工作面的沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定綜合指數(shù)；Wt1為地質(zhì)因素對(duì)沖擊地壓的影響程度及沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定的指數(shù)，考慮開(kāi)采深度等7項(xiàng)指標(biāo)；Wt2為采礦技術(shù)因素對(duì)沖擊地壓的影響程度及沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定的指數(shù)，考慮工作面距終采線的垂直距離等11項(xiàng)指標(biāo)。

采用綜合指數(shù)法評(píng)價(jià)沖擊危險(xiǎn)性等級(jí)時(shí)，根據(jù)工作面實(shí)際條件分別確定Wt1、Wt2，具體見(jiàn)式(2)、式(3)。取二者之間較大值作為預(yù)測(cè)區(qū)域的綜合指數(shù)，然后確定預(yù)測(cè)區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性等級(jí)。

2.2 42108工作面沖擊危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)礦井提供的地質(zhì)資料及所采煤巖層的沖擊傾向性測(cè)定結(jié)果，確定工作面地質(zhì)因素評(píng)定值，并對(duì)其評(píng)定結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，最終確定的42108工作面回采期間地質(zhì)因素評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表3。根據(jù)表3確定的42108回采工作面地質(zhì)因素評(píng)價(jià)結(jié)果，確定地質(zhì)因素影響下的沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)Wt1為0.38，從地質(zhì)因素影響看，42108工作面具有弱沖擊危險(xiǎn)性。

表3 42108工作面回采期間地質(zhì)因素評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)42108工作面開(kāi)采技術(shù)條件，確定開(kāi)采技術(shù)因素影響下的沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)。42108工作面回采技術(shù)因素見(jiàn)表4。計(jì)算得到工作面開(kāi)采技術(shù)因素影響下的沖擊地壓危險(xiǎn)性指數(shù)Wt2為0.28，具有弱沖擊危險(xiǎn)。

表4 42108工作面回采技術(shù)因素評(píng)價(jià)結(jié)果

綜合以上地質(zhì)因素與采礦技術(shù)因素對(duì)沖擊地壓的影響程度及沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定：

Wt=max{Wt1，Wt2}=max{0.38，0.28}=0.38

綜合上述評(píng)價(jià)結(jié)果，42108回采工作面為弱沖擊地壓危險(xiǎn)工作面。

3 42108回采工作面沖擊地壓危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)方案

3.1 沖擊地壓危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系

由于沖擊地壓發(fā)生力源既有來(lái)自頂板的沖擊動(dòng)載，又有煤體內(nèi)的集中靜載，并且兩種沖擊能量在產(chǎn)生原理及能量分布尺度上各不相同，因此不能通過(guò)單一的檢測(cè)手段進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，因此必須采用多參量的綜合監(jiān)測(cè)方法，建立區(qū)域與局部相結(jié)合的沖擊危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)方案，提出對(duì)靜載與動(dòng)載同時(shí)監(jiān)測(cè)的思路，區(qū)域監(jiān)測(cè)采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，局部監(jiān)測(cè)采用鉆屑法及電磁輻射監(jiān)測(cè)。以此從時(shí)間維度上形成“綜合分析—即時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警”，從空間維度上形成“區(qū)域預(yù)測(cè)—局部監(jiān)測(cè)—點(diǎn)預(yù)測(cè)”相結(jié)合的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方案，從而有效掌握沖擊危險(xiǎn)區(qū)的分布，為采取有針對(duì)性的解危防治措施提供依據(jù)，沖擊地壓危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系如圖3所示。

圖3 42108工作面沖擊地壓危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警體系

3.2 區(qū)域監(jiān)測(cè)方案

采用微震監(jiān)測(cè)法對(duì)42108工作面進(jìn)行區(qū)域監(jiān)測(cè)，目前青崗坪煤礦已安裝運(yùn)行了覆蓋全礦井的KJ648B微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在42108工作面回采期間，設(shè)計(jì)1臺(tái)6通道微震監(jiān)測(cè)分站及外接6支GZC5型單軸微震傳感器。根據(jù)觀測(cè)到的微震能量水平、震動(dòng)位置變化規(guī)律，可捕捉到?jīng)_擊危險(xiǎn)前兆信息，并進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)預(yù)警。

在42108運(yùn)輸巷距切眼50m、150m、250m處巷道工作幫布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在42108軌道巷距切眼80m、180m、280m處巷道工作幫布置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置1個(gè)微震傳感器，隨著工作面推采，當(dāng)工作面切眼距臺(tái)網(wǎng)中最近的微震傳感器40m時(shí)，將該傳感器回撤300m，以此類(lèi)推，始終保證臺(tái)網(wǎng)中微震傳感器距工作面切眼最遠(yuǎn)距離不大于340m。

3.3 局部監(jiān)測(cè)方案

42108工作面局部監(jiān)測(cè)主要采用電磁輻射法和鉆屑法。工作面回采期間電磁輻射法監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。布置區(qū)域：測(cè)點(diǎn)覆蓋超前支護(hù)100m范圍。監(jiān)測(cè)范圍及頻率：每周至少監(jiān)測(cè)3次，當(dāng)有應(yīng)力顯現(xiàn)明顯時(shí)，每天監(jiān)測(cè)一次。

圖4 工作面回采期間電磁輻射法監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

針對(duì)42108工作面電磁輻射監(jiān)測(cè)存在較高沖擊危險(xiǎn)的區(qū)域，采用鉆屑法對(duì)該區(qū)域進(jìn)一步進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。以確定煤體中的應(yīng)力狀態(tài)和沖擊地壓危害的危險(xiǎn)程度。42108工作面鉆屑監(jiān)測(cè)孔布置如圖5所示。

圖5 42108工作面鉆屑監(jiān)測(cè)孔布置

4 工作面沖擊地壓防治方案

4.1 工作面超前卸壓方案

4.1.1 幫部大直徑鉆孔卸壓

根據(jù)相鄰工作面理論及實(shí)踐研究表明，青崗坪煤礦一采區(qū)工作面前方200m范圍左右的超前支承壓力影響區(qū)是防治的重點(diǎn)。分別在該區(qū)域兩巷生產(chǎn)幫煤體實(shí)施大直徑卸壓鉆孔。鉆孔的具體布置參數(shù)為：鉆孔布置超前工作面不低于200m，鉆孔垂直于實(shí)體煤幫，距離底板0.5～1.5m，鉆孔孔徑不小于150mm，孔深不小于25m，孔間距為2.0～3.0m。

鉆孔施工完畢后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況使用“水泥+煤泥”或黃泥進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度為3m。如應(yīng)力集中明顯或卸壓不充分可加密卸壓孔再次卸壓，直到?jīng)_擊危險(xiǎn)明顯降低，煤體大直徑鉆孔布置方案如圖6所示。

圖6 煤體大直徑鉆孔布置方案

4.1.2 底板大直徑鉆孔卸壓

在42108工作面巷道超前30m范圍內(nèi)，每隔3.0m在工作面底板施工大直徑卸壓鉆孔，鉆孔直徑不小于150mm，施工深度為入巖0.5m，巷道底角垂直于煤幫斜向下45°施工。鉆孔施工完畢后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況使用“水泥+煤泥”或黃泥進(jìn)行封孔，封孔長(zhǎng)度為1m。當(dāng)預(yù)卸壓效果不夠明顯時(shí)，可在原鉆孔之間進(jìn)一步加大卸壓密度?，F(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際情況優(yōu)化鉆孔布置參數(shù)，以保證卸壓效果。鉆孔布置如圖7所示。

圖7 工作面底板大孔徑卸壓鉆孔布置

4.2 工作面回采期間解危方案

4.2.1 煤層-底板鉆孔解危卸壓方案

解危鉆孔施工區(qū)域應(yīng)為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析有沖擊危險(xiǎn)區(qū)域或現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)有沖擊顯現(xiàn)的區(qū)域。鉆孔參數(shù)為：鉆孔直徑不大于125mm；鉆孔深度大于預(yù)卸壓鉆孔深度5～10m；解危鉆孔間距采用由大到小的步驟確定，首先以鉆孔間距為1.0m進(jìn)行施工，若施工完第一輪鉆孔后沒(méi)有消除沖擊危險(xiǎn)，在第一輪鉆孔中間補(bǔ)打鉆孔，進(jìn)行第二輪鉆孔施工，若三輪以上施工后仍未消除沖擊危險(xiǎn)，可采取其他解危辦法。

4.2.2 頂板水力致裂解危卸壓方案

在42108工作面回采期間，對(duì)監(jiān)測(cè)有沖擊危險(xiǎn)性的區(qū)域，應(yīng)優(yōu)先采取鉆孔解危卸壓方案，若采取相關(guān)卸壓措施后，經(jīng)監(jiān)測(cè)仍有沖擊危險(xiǎn)，可視情況對(duì)頂板采取水力致裂方案。

根據(jù)42108工作面綜合鉆孔柱狀圖，煤層上覆有8.5m的粉砂巖，致密不易垮落，因此可對(duì)此區(qū)域巖層組采取水力致裂，降低工作面的沖擊危險(xiǎn)性。根據(jù)青崗坪煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，初步設(shè)定頂板水力致裂參數(shù)如下：工作面兩回采巷道回采幫側(cè)頂板每組布置兩個(gè)鉆孔；鉆孔傾角分別為30°、45°；深度分別為40m、30m；致裂壓力為30MPa；鉆孔間距11m。水力致裂鉆孔施工方案如圖8所示。

圖8 水力致裂鉆孔施工方案

4.3 沖擊地壓效果檢驗(yàn)

沖擊地壓危險(xiǎn)工作面實(shí)施解危措施后必須進(jìn)行效果檢驗(yàn)，確認(rèn)檢驗(yàn)結(jié)果小于臨界值后，方可進(jìn)行采掘作業(yè)。由于沖擊地壓的復(fù)雜性以及沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的相對(duì)隱蔽性，沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域?qū)嵤┙馕４胧┖?，沖擊危險(xiǎn)區(qū)域可能未完全消除，或由于應(yīng)力轉(zhuǎn)移使得鄰近區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性升高，因此必須及時(shí)對(duì)解危效果進(jìn)行檢驗(yàn)。防沖措施的效果檢驗(yàn)方法和指標(biāo)可參照沖擊地壓危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法和指標(biāo)。效果檢驗(yàn)的方法主要有鉆屑法、微震法等，中等或強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域解危效果檢驗(yàn)方法應(yīng)不少于2種。采用綜合檢驗(yàn)時(shí)，如果所有檢驗(yàn)方法均判定無(wú)沖擊危險(xiǎn)，則解危區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)性得到消除；當(dāng)其中一種檢驗(yàn)方法仍具有沖擊地壓危險(xiǎn)時(shí)，需繼續(xù)采取解危措施，直到經(jīng)檢驗(yàn)沖擊地壓危險(xiǎn)解除為止。

在42108工作面回采前，采用鉆屑法對(duì)工作面切眼前方200m回風(fēng)巷煤柱幫的沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行檢驗(yàn)，由鉆屑法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，卸壓前平均煤粉量3.2kg/m，最大煤粉量3.3kg/m，卸壓后煤粉量平均值降至2.7kg/m，說(shuō)明42108工作面解危措施效果良好，可以滿足工作面安全生產(chǎn)需要。

5 結(jié) 論

1)進(jìn)行了42108回采工作面沖擊地壓危險(xiǎn)的綜合評(píng)價(jià)，采用綜合指數(shù)法對(duì)42108回采工作面沖擊危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。得到42108回采工作面沖擊地壓危險(xiǎn)指數(shù)Wt=0.38，具有弱沖擊危險(xiǎn)。

2)42108回采工作面沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)采用靜載、動(dòng)載同時(shí)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)思路，以此從時(shí)間維度上形成了“綜合分析—即時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警”，從空間維度上形成了“區(qū)域預(yù)測(cè)—局部監(jiān)測(cè)—點(diǎn)預(yù)測(cè)”相結(jié)合的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)方案，從而有效掌握沖擊危險(xiǎn)區(qū)的分布，為采取有針對(duì)性的解危防治措施提供依據(jù)。

3)42108回采工作面沖擊地壓危險(xiǎn)防治方案根據(jù)不同危險(xiǎn)區(qū)域劃分并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)應(yīng)力觀測(cè)情況，提出了42108回采工作面包括幫部大直徑鉆孔卸壓和底板大直徑鉆孔卸壓在內(nèi)的預(yù)卸壓以及主動(dòng)解危方案，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)解危檢驗(yàn)。