小莊煤礦40309工作面誘沖規(guī)律及解危措施

李 鵬

（陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司）

沖擊地壓是煤礦開采中發(fā)生的煤巖動(dòng)力災(zāi)害之一［1-2］，表現(xiàn)為在井巷中圍巖發(fā)生突然性的破壞事故，造成人員傷亡及設(shè)備和財(cái)產(chǎn)損失，并伴有巨大聲響和巖體震動(dòng)，最大震級(jí)達(dá)4.3級(jí)［3］，破壞范圍可達(dá)數(shù)米或數(shù)百米。近年來(lái)，煤礦沖擊地壓破壞巷道最大長(zhǎng)度達(dá)600 m以上［4］。

對(duì)于沖擊地壓發(fā)生前兆的監(jiān)測(cè)，大多數(shù)礦井尤其是新出現(xiàn)沖擊地壓災(zāi)害的礦井基本都用巖石力學(xué)的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)［5-8］。這些方法的監(jiān)測(cè)結(jié)果往往難以滿足指導(dǎo)沖擊地壓防治的要求，一是基于采用巖石力學(xué)方法監(jiān)測(cè)到的圍巖變形等特征很難判斷出是常規(guī)礦壓顯現(xiàn)還是沖擊地壓前兆；二是沖擊地壓發(fā)生共經(jīng)歷3個(gè)階段，上述巖石力學(xué)方法監(jiān)測(cè)半徑相對(duì)較小，只能監(jiān)測(cè)到?jīng)_擊地壓的顯現(xiàn)階段；三是采動(dòng)圍巖的應(yīng)力調(diào)整以及變形本身是一種能量釋放，單就這些因素不能預(yù)測(cè)沖擊地壓的發(fā)生。

為此，探索沖擊地壓前兆信息，辨識(shí)沖擊地壓危險(xiǎn)源分布特征，在此基礎(chǔ)上探索遠(yuǎn)程的、全方位立體式?jīng)_擊地壓危險(xiǎn)源辨識(shí)技術(shù)是沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。實(shí)際上，煤巖體在載荷高度集中的條件下，會(huì)產(chǎn)生裂隙，發(fā)生破壞時(shí)向外發(fā)射出微震、地音等地球物理信號(hào)，通過(guò)對(duì)這些地球物理信號(hào)的遠(yuǎn)程響應(yīng)分析，可以間接地辨識(shí)到?jīng)_擊地壓危險(xiǎn)源及其發(fā)展趨勢(shì)，從而在此基礎(chǔ)上對(duì)礦井沖擊地壓進(jìn)行啟動(dòng)前的預(yù)警嘗試［9-11］。

1 工程概況

小莊煤礦是陜煤集團(tuán)的主力礦井之一，井田面積約46.2 km2。目前主采4#煤層40309綜放工作面，其平均埋深為600 m，該煤層及其頂?shù)装寰哂腥鯖_擊傾向性，且經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)表明井田地應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo)。因此，隨著小莊煤礦采深逐漸增加，不可避免地會(huì)受到?jīng)_擊地壓的威脅，應(yīng)提前開展相關(guān)研究。

小莊煤礦在掘進(jìn)期間采用的沖擊地壓監(jiān)測(cè)方法有微震監(jiān)測(cè)、鉆屑監(jiān)測(cè)、應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)等，本研究將根據(jù)礦井微震和鉆屑法監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合礦井動(dòng)力顯現(xiàn)的歷史記錄，充分挖掘可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)沖擊地壓防治起到指導(dǎo)作用的信息及規(guī)律。通過(guò)分析多源信號(hào)，對(duì)巷道沖擊地壓誘發(fā)機(jī)制和防治技術(shù)的研究具有重要意義，這既是該礦建設(shè)和生產(chǎn)的需要，也為類似條件礦井安全高效生產(chǎn)提供借鑒。

2 基于動(dòng)靜組合的工作面監(jiān)測(cè)布置

對(duì)沖擊地壓進(jìn)行有效監(jiān)控及風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避，首先需要弄清沖擊地壓發(fā)生的能量源頭［12-15］。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)可以得知，沖擊地壓?jiǎn)?dòng)有兩大類能量來(lái)源，第一類能量來(lái)源是采動(dòng)圍巖近場(chǎng)系統(tǒng)內(nèi)集中靜載荷，第二類是采動(dòng)圍巖遠(yuǎn)場(chǎng)系統(tǒng)外集中動(dòng)載荷。

2.1 40309工作面動(dòng)靜載荷辨識(shí)

結(jié)合40309工作面實(shí)際賦存情況，沖擊地壓動(dòng)靜組合誘沖機(jī)制仍適應(yīng)于小莊煤礦沖擊地壓防治措施分析。利用沖擊地壓動(dòng)靜組合疊加理論，從理論層面有效區(qū)分與拾取40309工作面沖擊地壓動(dòng)載荷以及靜載荷影響特征；同時(shí)考慮到動(dòng)靜載荷監(jiān)測(cè)方法的差異性，有必要開展分源監(jiān)測(cè)。

采掘爆破產(chǎn)生的沖擊波不只是采動(dòng)圍巖系統(tǒng)外集中動(dòng)載荷的產(chǎn)生原因之一，厚硬巖層活動(dòng)產(chǎn)生的沖擊波也會(huì)造成集中動(dòng)載荷現(xiàn)象。采動(dòng)圍巖系統(tǒng)外動(dòng)載荷來(lái)源主要有4個(gè)：采場(chǎng)大面積的直接堅(jiān)硬頂板斷裂，上覆高位堅(jiān)硬頂板斷裂，上覆高位堅(jiān)硬底板斷裂，井下爆破。這4種現(xiàn)象發(fā)生的同時(shí)都能產(chǎn)生壓縮彈性能，而壓縮彈性能就是外動(dòng)載荷最主要的原因。

采動(dòng)圍巖系統(tǒng)內(nèi)集中靜載荷產(chǎn)生的原因主要有2個(gè)：①近場(chǎng)區(qū)域分布視角下，采掘擾動(dòng)過(guò)程中，同步發(fā)生的應(yīng)力轉(zhuǎn)移以支承壓力的演化方式顯現(xiàn)，因此在工作面前方出現(xiàn)了明顯的高應(yīng)力集中區(qū)；②遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域分布視角下，由于關(guān)鍵層控制著整個(gè)高位巖層的變形與運(yùn)移規(guī)律，其在靜力學(xué)環(huán)境中聚集了大量的彎曲彈性能，一旦關(guān)鍵層失穩(wěn)，巖層運(yùn)動(dòng)將發(fā)生整體失穩(wěn)。具體分布如圖1所示。

2.2 集中動(dòng)載荷監(jiān)測(cè)方法

用于監(jiān)測(cè)動(dòng)載荷的系統(tǒng)主要有地音法以及微震監(jiān)測(cè)2種。采用微震和地音法相結(jié)合的監(jiān)測(cè)手段可使監(jiān)測(cè)信息更豐富和完整，能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)頻率范圍的完整監(jiān)測(cè)，并在空間上達(dá)到了相互補(bǔ)充。

通過(guò)在工作面附近布置拾震器，收集微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（圖2）。一般震動(dòng)情況較為劇烈、且頻率低于150 Hz的事件屬于微震（即MS）類型，通常表現(xiàn)為范圍較大的裂隙連通同時(shí)出現(xiàn)破壞的情況；地音型系統(tǒng)通常對(duì)能量較微弱的事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一般表現(xiàn)為煤巖裂縫程度加大或者是出現(xiàn)部分破壞；和微震事件相比較，地音法主要對(duì)范圍較小的區(qū)間中煤巖體出現(xiàn)破壞的事前監(jiān)測(cè)。綜合以上，地音系統(tǒng)適用于關(guān)鍵區(qū)域精細(xì)化監(jiān)測(cè)，微震系統(tǒng)適用于區(qū)域大范圍遠(yuǎn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

煤巖體動(dòng)力破壞存在一個(gè)由量變到質(zhì)變的過(guò)程，在煤巖破壞的初始和發(fā)展階段，大量微裂隙的形成將不斷釋放高頻地音信號(hào)，可由地音系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力破壞的臨場(chǎng)預(yù)警；當(dāng)破壞發(fā)展到最終階段，即斷裂形成，則釋放低頻微震信號(hào)，可由微震系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期危險(xiǎn)趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

2.3 集中靜載荷監(jiān)測(cè)方法

使用巖石力學(xué)方法來(lái)辨別圍巖系統(tǒng)中關(guān)于靜載荷的相關(guān)危險(xiǎn)來(lái)源，具體包含采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法以及鉆屑法。

鉆屑法的主要步驟是在煤層中鉆直徑為42～50 mm的孔洞，依據(jù)鉆出的煤粉數(shù)量以及相關(guān)的動(dòng)力反應(yīng)，來(lái)對(duì)沖擊產(chǎn)生的危害性作出判斷。這一方法所依據(jù)的理論是排出的煤粉數(shù)量和煤體的具體應(yīng)力情況之間存在一定程度的定量關(guān)聯(lián)性，即條件相近的煤體處于不同的應(yīng)力環(huán)境時(shí)，會(huì)有不同程度的排粉量。如果鉆孔過(guò)程中的排粉率出現(xiàn)增加或高出特定數(shù)值，就意味著沖擊帶來(lái)的危險(xiǎn)等級(jí)以及應(yīng)力集中水平有著一定的提高。這個(gè)方法可定點(diǎn)監(jiān)測(cè)危險(xiǎn)區(qū)域，并且操作較簡(jiǎn)便，但較容易受到外部因素影響。

采動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)方法主要是對(duì)煤體中存在的垂直應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。伴隨工作面的不斷推動(dòng)，采空范圍內(nèi)的頂板巖層部分存在松動(dòng)、掉落等問(wèn)題，破壞區(qū)域形成應(yīng)力集中，支承壓力所涉及的區(qū)間范圍以及最高值會(huì)不斷增加。在順槽兩幫的煤體中設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)施監(jiān)測(cè)，對(duì)比分析不同測(cè)點(diǎn)在各個(gè)時(shí)段中垂直應(yīng)力的波動(dòng)情況，此變動(dòng)量稱為應(yīng)力梯度。通過(guò)對(duì)照既定標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)應(yīng)力梯度等值線，就可以對(duì)沖擊造成的危險(xiǎn)范圍以及危險(xiǎn)程度作出判斷。該方法可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確度較高，但對(duì)數(shù)據(jù)的分析需要一定的專業(yè)水平。

采動(dòng)應(yīng)力法可實(shí)現(xiàn)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，后期施工工程量小，數(shù)據(jù)量豐富，不易受人為干擾。鉆屑法實(shí)施位置更加靈活，可布置在采動(dòng)應(yīng)力法未監(jiān)測(cè)到的區(qū)域，如掘進(jìn)迎頭煤體，或用來(lái)驗(yàn)證采動(dòng)應(yīng)力法的監(jiān)測(cè)效果，兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，聯(lián)合使用效果更佳。

3 工作面沖擊解危措施方案設(shè)計(jì)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，40309工作面采掘擾動(dòng)期間沖擊危險(xiǎn)源以靜載荷為主，所以，以煤體卸壓爆破為主進(jìn)行解危泄壓。相對(duì)而言，爆破法是一種快速的卸壓方法，爆破可迅速改變周圍煤巖體結(jié)構(gòu)，卸壓程度較高。但爆破震動(dòng)波對(duì)巷道圍巖及支護(hù)體將造成一定的損傷，從而影響巷道的支護(hù)質(zhì)量。

在40309工作面煤層傾向方向布置2排扇形爆破孔，10孔/排，孔徑為113 mm，孔深39～79 m，封孔長(zhǎng)度為15～20 m，實(shí)現(xiàn)沿煤層走向方向140 m、垂直方向40 m的巖體爆破預(yù)裂范圍，具體施工參數(shù)見表1。

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4 工作面沖擊解危措施效果評(píng)價(jià)

40309膠帶順槽開展爆破卸壓防沖試驗(yàn)，于2020年1月29日—2021年2月16日施工，調(diào)取并整理微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)壓裂區(qū)域進(jìn)行效果分析。

4.1 爆破前后微震數(shù)據(jù)對(duì)比

40309膠帶順施工前（2021年1月2—28日）微震監(jiān)測(cè)總能量為5.9×106J，日均釋放微震能量為2.18×105J，平均微震事件能量為2.0×103J，頻次為2 955次，日均微震頻次為109次。其中“2次方”事件頻次為1 285次，“3次方”事件頻次為1 640次，“4次方”事件頻次為30次。上述區(qū)域在40309膠帶順槽水力壓裂施工期間（2021年1月29日—2月16日）微震監(jiān)測(cè)總能量為6.6×106J，日均釋放微震能量為3.57×105J，平均微震事件能量為2.9×103J，頻次為2 247次，日均微震頻次118次，其中“2次方”事件頻次670次，“3次方”事件頻次為1 519次，“4次方”事件頻次為57次；上述區(qū)域在40309膠帶順槽水力壓裂施工后（2021年2月17日—3月24日）微震監(jiān)測(cè)總能量為6.3×106J，日均釋放微震能量為1.75×105J，平均微震事件能量為1.4×103J，頻次為5 145次，日均微震頻次為143次，其中“2次方”事件頻次為2 159次，“3次方”事件頻次為2 940次，“4次方”事件頻次為25次。

4.2 爆破解危措施效果評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析，微震頻次分布分3個(gè)階段：①卸壓前微震活動(dòng)總體較活躍，在該區(qū)域受到工作面開采擾動(dòng)影響較為明顯，主要為“2次方”“3次方”微震事件，“4次方”微震事件平均4～5次/d；②卸壓期間微震活動(dòng)急劇增多，“3次方”“4次方”微震事件明顯增多，1月30日—2月3日、2月14日微震頻次呈明顯的雙波峰狀態(tài)；③在卸壓完成后前期（2月17—27日）微震活動(dòng)仍較為活躍。在剛卸壓施工完成后，隨著工作面推進(jìn)距卸壓區(qū)域越來(lái)越近，在工作面開采影響和卸壓形成的頂板巖層微裂隙的促進(jìn)下，微震事件頻次仍較為集中。卸壓施工結(jié)束后前期頂板巖層活動(dòng)仍較為活躍，在后期（2月28日—3月24日）雖然隨著工作面推進(jìn)，停采線距卸壓區(qū)域越來(lái)越近，但微震頻次逐漸降低且趨于穩(wěn)定。相較卸壓前和卸壓期間，微震活躍程度明顯降低，“4次方”微震事件明顯減少，局部時(shí)期無(wú)“4次方”事件。由此說(shuō)明，40309工作面沖擊解危措施十分有效。

5 結(jié)論

（1）遵循沖擊地壓動(dòng)靜組合疊加理論，從理論層面有效區(qū)分與拾取40309工作面沖擊地壓動(dòng)載荷以及靜載荷影響特征，同時(shí)考慮到動(dòng)靜載荷監(jiān)測(cè)方法的差異性，借助于獨(dú)立的監(jiān)測(cè)設(shè)備，開展精準(zhǔn)分源監(jiān)測(cè)，獲取影響40309工作面動(dòng)、靜載荷分布規(guī)律。

（2）借助于常規(guī)的沖擊地壓防治措施與手段，提出了沖擊地壓顯現(xiàn)危險(xiǎn)源層次化監(jiān)測(cè)的實(shí)施策略，最終提出了有針對(duì)性的沖擊地壓危險(xiǎn)源層次化監(jiān)測(cè)和分源解危措施。

（3）制定了40309工作面沖擊地壓解危方案，開展施工后并整理微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)壓裂區(qū)域進(jìn)行效果分析，結(jié)果顯示卸壓措施有效。