綜掘面過斷層沖擊地壓監(jiān)測(cè)及解危卸壓技術(shù)分析

王萬里

（山東能源集團(tuán)魯西礦業(yè)公司郭屯煤礦，山東 臨沂 276000）

沖擊地壓作為井工煤礦重大災(zāi)害之一，往往具有突發(fā)破壞強(qiáng)、影響范圍大、誘發(fā)機(jī)制復(fù)雜等特點(diǎn)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，沖擊地壓的發(fā)生不僅與煤層埋深、地應(yīng)力等因素密切有關(guān)，同時(shí)在地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育區(qū)域內(nèi)更易誘發(fā)沖擊地壓，特別是受采掘擾動(dòng)激發(fā)活化的斷層構(gòu)造附近。受沖擊地壓影響的礦井，在采掘活動(dòng)過斷層期間尤其需要加強(qiáng)對(duì)沖擊地壓的監(jiān)測(cè)和防治措施。本文以郭屯煤礦 3305軌道順槽掘進(jìn)工作面過DF55 斷層構(gòu)造區(qū)為工程背景，探討沖擊地壓礦井掘進(jìn)巷道過斷層期間的監(jiān)測(cè)和解危技術(shù)[1-6]。

1 工程概況

郭屯煤礦3305 工作面位于三采區(qū)西部，其北部為3309 工作面（未采），南部為3301 采空區(qū)，東部鄰三采區(qū)進(jìn)風(fēng)巷，其中3305 軌道順槽緊鄰3301 采空區(qū)，為沿空留窄煤柱掘進(jìn)巷道，巷道尺寸5.2 m×3.7 m。3 煤層厚度2.6～3.6 m，平均厚度3.11 m，煤層呈黑色，條帶狀結(jié)構(gòu)，具玻璃光澤，鏡煤、亮煤為主，內(nèi)外生裂隙復(fù)雜，呈層狀構(gòu)造，為半亮型。軌順煤層頂?shù)装鍘r性及物理力學(xué)參數(shù)見表1。根據(jù)地質(zhì)預(yù)測(cè)及相鄰3301 膠帶順槽揭露情況，DF55 斷層為正斷層，走向121°，傾向211°，傾角70°，落差約為6.8 m。工作面過斷層示意圖如圖1。

圖1 3305 軌道順槽過斷層示意圖

表1 煤層頂?shù)装鍘r性特征

2 過斷層期間沖擊危險(xiǎn)性分析

2019 年6 月經(jīng)中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)研究院鑒定，郭屯煤礦3 煤層及其頂?shù)装寰鶎儆冖蝾悾哂腥鯖_擊傾向性。在揭露DF55 斷層期間，掘巷采取下盤破底托頂煤，上盤破頂留底煤方式通過斷層，根據(jù)頂?shù)装鍘r性及留底煤情況，沖擊傾向性理論上稍強(qiáng)。同時(shí)結(jié)合沖擊地壓發(fā)生統(tǒng)計(jì)資料，在斷層等構(gòu)造造成的煤巖轉(zhuǎn)換區(qū)域，斷層上盤發(fā)生沖擊的頻次和強(qiáng)度要明顯高于斷層下盤，而3305 軌道順槽掘進(jìn)過DF55 斷層是從下盤進(jìn)入上盤掘進(jìn)，因此理論預(yù)測(cè)掘巷期間動(dòng)力顯現(xiàn)趨勢(shì)增強(qiáng)。

同時(shí)，在斷層影響區(qū)域內(nèi)，煤巖體的原巖應(yīng)力重新分布，使得斷層附近圍巖應(yīng)力集中明顯，因而在掘巷期間，隨著掘進(jìn)面與斷層距離接近，掘進(jìn)擾動(dòng)造成的斷層活化程度加劇，應(yīng)力集中程度增加，進(jìn)一步增加了沖擊動(dòng)力的誘發(fā)概率。

3 沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

針對(duì)過斷層期間易發(fā)的沖擊風(fēng)險(xiǎn)，為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面對(duì)沖擊地壓的科學(xué)高效監(jiān)測(cè)預(yù)警，建立以ARAMIS M/E 微震監(jiān)測(cè)法為主，應(yīng)力監(jiān)測(cè)法和鉆屑法為輔的沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)體系。

1）ARAMIS M/E 微震監(jiān)測(cè)法

ARAMIS M/E 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由地面基站、井下分站、記錄服務(wù)器等硬件設(shè)施和內(nèi)置軟件基礎(chǔ)組成，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)振動(dòng)波形監(jiān)測(cè)、微震事件記錄等功能，并對(duì)其進(jìn)行定位和能量計(jì)算，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工工序等，對(duì)可能的沖擊地壓災(zāi)害進(jìn)行預(yù)評(píng)價(jià)分析，進(jìn)而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工的防沖工作。此外，基于對(duì)發(fā)生微震事件的震源位置、發(fā)生時(shí)間、釋放的能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合地質(zhì)特點(diǎn)及構(gòu)造分布情況，可劃定潛在的沖擊災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)。

ARAMIS M/E 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)工作面的沖擊地壓預(yù)警指標(biāo)為：掘進(jìn)工作面發(fā)生單個(gè)能量達(dá)到或超過1.0×104J的微震事件，即預(yù)測(cè)為有沖擊危險(xiǎn)。

2）應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)法

掘進(jìn)工作面安裝有KJ615型沖擊地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受掘進(jìn)擾動(dòng)影響下的圍巖應(yīng)力場(chǎng)變化情況，解析高應(yīng)力區(qū)和應(yīng)力異常區(qū)分布位置，基于圍巖應(yīng)力狀態(tài)與沖擊危險(xiǎn)性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)防沖危險(xiǎn)性監(jiān)測(cè)預(yù)警，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)速度和支護(hù)方式優(yōu)化。監(jiān)測(cè)測(cè)站布置間距50 m，每個(gè)測(cè)站內(nèi)設(shè)置有2 個(gè)埋深分別為8 m、14 m 的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道迎頭后方50～300 m 區(qū)域內(nèi)的圍巖應(yīng)力變化監(jiān)測(cè)。掘進(jìn)工作面應(yīng)力在線預(yù)警指標(biāo)見表2。

表2 應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)指標(biāo)

3）鉆屑法

鉆屑法是一種復(fù)測(cè)驗(yàn)證區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性方法，通常微震監(jiān)測(cè)法和應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)法解析出沖擊危險(xiǎn)區(qū)后，采用鉆屑法進(jìn)行驗(yàn)證檢測(cè)。此法通過在煤體中施工Φ42 mm 鉆孔，根據(jù)每米鉆屑量和施工中存在的動(dòng)力現(xiàn)象判斷煤體的應(yīng)力集中程度和沖擊危險(xiǎn)程度。根據(jù)驗(yàn)證結(jié)果和如表3 所示的3 煤層鉆屑量指標(biāo)，若實(shí)測(cè)鉆屑量超過臨界鉆屑量，或在鉆孔過程中出現(xiàn)卡鉆、吸鉆及煤炮聲響等異常動(dòng)力現(xiàn)象，則表明該區(qū)域存在沖擊危險(xiǎn)。臨界鉆屑量指標(biāo)見表3。

表3 煤層鉆屑量臨界值

4 沖擊危險(xiǎn)解危措施

4.1 鉆孔卸壓

掘巷過斷層期間，為預(yù)防沖擊災(zāi)害，現(xiàn)場(chǎng)采取施工大鉆孔卸壓的防沖措施，在形成卸壓保護(hù)帶的前方進(jìn)行掘進(jìn)。即在迎頭進(jìn)入距離前方斷層50 m范圍時(shí)，對(duì)迎頭方向進(jìn)行孔深30 m、孔徑150 mm的大直徑鉆孔施工卸壓，每次至少2 個(gè)，始終確保工作面超前卸壓保護(hù)帶不小于10 m。同時(shí)，針對(duì)過斷層期間留底煤情況，若底煤厚度小于0.5 m 時(shí)利用綜掘機(jī)對(duì)底煤進(jìn)行破壞后回填，確保底煤失去完整性，達(dá)到斷底效果。若底煤大于0.5 m 小于2 m時(shí)則可采取大底煤鉆孔方式進(jìn)行底板預(yù)卸壓，保證孔間排距不大于1 m。鉆孔深度以見煤層底板為準(zhǔn)。

4.2 爆破卸壓

采用ARAMIS M/E 微震監(jiān)測(cè)法和應(yīng)力監(jiān)測(cè)法檢測(cè)出具有沖擊危險(xiǎn)的區(qū)域后，經(jīng)鉆屑法驗(yàn)證后，可采取松動(dòng)爆破方式，改變圍巖應(yīng)力狀態(tài)，釋放斷層構(gòu)造附近應(yīng)力高集中區(qū)或應(yīng)力異常區(qū)的集聚應(yīng)力，達(dá)到消除或減緩形成沖擊危險(xiǎn)的目的。此方法需反復(fù)檢驗(yàn)、爆破卸壓，直至解除危險(xiǎn)。此外，在掘巷過斷層留底煤期間，若底煤厚度大于2 m，則需采取底煤爆破卸壓措施，按照孔徑Φ42 mm、每排不少于3 個(gè)孔、排距不大于3 m、孔深至煤層底板的施工方式，對(duì)底板進(jìn)行超前預(yù)卸壓。

5 結(jié)論

本文理論分析了3305 軌道順槽過DF55 斷層期間的沖擊危險(xiǎn)程度，提出了建立以ARAMIS M/E 微震監(jiān)測(cè)法為主，應(yīng)力監(jiān)測(cè)法和鉆屑法為輔的沖擊地壓綜合監(jiān)測(cè)體系，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面全時(shí)段沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警，并采取大鉆孔卸壓和爆破卸壓相結(jié)合方式，針對(duì)迎頭和底煤進(jìn)行超前預(yù)卸壓，通過鉆屑復(fù)測(cè)驗(yàn)證區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性明顯趨于平穩(wěn)，部分實(shí)測(cè)鉆屑量指標(biāo)見表4。

表4 DF55 斷層前后鉆屑復(fù)測(cè)驗(yàn)證實(shí)測(cè)鉆屑量

通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況，無應(yīng)力集中區(qū)顯現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)無明顯沖擊震動(dòng)，通過鉆屑取樣，無鉆屑量超指標(biāo)，工作面安全順利通過DF55 斷層，進(jìn)一步印證了該方法的可行性。