綜放工作面沖擊地壓的監測預報技術研究

閆憲磊,吳 瓊,武 振,王向軍,張帥帥,田宇新

（兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272100）

0 引 言

沖擊地壓是礦山壓力的一種特殊顯現形式，是指礦山井巷和采場周圍煤巖體由于變形能的釋放而產生的以突然、急劇、猛烈的破壞為特征的動力現象[1-3]。隨著煤礦開采程度的不斷發展，沖擊地壓的發生愈演愈烈。沖擊地壓的監測預報是對沖擊地壓潛在危險程度的預先判斷，是沖擊地壓防治工作的關鍵[4-7]。由于沖擊地壓的隨機性、突發性以及破壞形式的多樣性，使得沖擊地壓的監測預報工作變得十分困難和復雜，單憑一種方法預報是不可靠的，應根據具體的煤層條件，在分析地質開采條件的基礎上，運用多種方法進行綜合監測預報。本文通過對影響興隆莊煤礦7303（下）工作面沖擊地壓發生的地質因素（采深、頂板巖層結構特征、煤層沖擊傾向性、斷層構造等）和開采技術因素（煤柱、停采線位置、工作面長度變化等）分析，運用綜合指數法和數值模擬法，劃分出工作面回采期間可能發生沖擊地壓的危險區域。在此基礎上，運用微震監測、煤粉鉆屑法監測、圍巖變形量監測、頂板離層值監測、錨桿、錨索應力監測等多種方法進行綜合監測，確保工作面回采過程中，準確及時的對沖擊地壓的發生做好預報工作。其研究成果，可以為相似條件下的其他礦井提供寶貴的經驗。

1 工作面概況

1.1 工作面位置

7303（下）綜放工作面位于興隆莊煤礦七采區中部，南部與七采下部水倉回風巷相鄰，北部以7304運輸順槽與7304采空區相鄰，切眼為礦井邊界保護煤柱與東灘礦相鄰，停采線與7303三號探煤巷相交。工作面屬于7304采空區與肖家莊三號及D6斷層、五采采空區夾持的三角煤柱，開切眼自面長45m開始，至距五采采空區50m處停采。

1.2 煤層及頂底板概況

工作面所采煤層為下二疊系月門溝統山西組底部之3煤，以亮煤為主，含鏡煤條帶，屬半亮型煤，煤層傾角2～9°，平均6°。煤層結構復雜，在距頂板2.8m發育一厚0.03m炭質細砂巖夾矸；距底板3.2m發育一厚0～0.25m，平均0.08m的炭質泥巖夾矸。煤層厚度一般在7.30～9.71m，平均8.50m，普氏硬度f=2.3。工作面地質構造較為復雜，煤層總體為一單斜構造，煤層傾角2～9°，平均6°，發育有次一級的波狀起伏,兩順槽中發育多條斷層。

2 沖擊危險性區域劃分

通過對影響興隆莊煤礦7303工作面沖擊地壓發生的地質因素（采深、頂板巖層結構特征、煤層沖擊傾向性、斷層構造等）和開采技術因素（煤柱、停采線位置、工作面長度變化等）以及綜合指數法的分析，7303工作面具備發生沖擊地壓的條件，工作面沖擊地壓危險狀態等級評定為中等沖擊危險性，該面在整個開采過程中都可能會受到沖擊地壓的威脅，回采前和回采過程中應對重點區域采取適當的沖擊地壓監測和防治措施。根據理論分析、數值模擬結果、現場實踐及多因素疊加法，按沖擊地壓危險程度，工作面沖擊地壓危險區域為三個等級，依次為：一般、中等、嚴重，沖擊地壓危險區域如圖1所示（由于本文的研究重點是沖擊地壓的監測預報技術，所以對危險區域的具體劃分技術不做過多說明）：

圖1 7303工作面沖擊危險區域劃分圖

3 工作面沖擊危險監測預報技術

3.1 微震監測

7303（下）工作面自6月27日回采至10月30日止，工作面軌順累計推進371.4m，運順累計推進326.5m。根據SOS微震在線監測系統統計分析，7303(下)工作面回采125天的時間內，有效微震次數達到354次，平均日震動次數2.8次/d，微震事件震動能量分布如下表所示。根據微震能量頻次分布統計結果分析，低能量事件占微震總事件的絕大多數，微震能量低于1×103J的事件次數占震動總次數的88.4%，說明該工作面的微震以低能量釋放為主。其中最大微震事件的能量達到了4.6×104J，里氏震級為1.51級。

表1 7303（下）工作面微震事件頻次統計

統計分析7303（下）工作面微震事件震源點的空間分布，如圖2所示。隨著工作面的不斷的回采，微震事件也隨之向前移動。其震源點分布有以下幾點特征：

1）微震事件的分布多集中與靠近回采工作面的斷層處,其中在斷層FS45、DF13、DF9中積聚的微震事件較多,且微震事件的分布主要沿著斷層的走向分布，這在一定程度上說明,在工作面回采應力擾動和構造應力的共同作用下,致使圍巖發生斷裂和破壞；

2）微震事件主要發生在工作面及采空區，且在實體煤一側的微震事件要多于在采空區附近，這是由于能量的釋放方式主要有煤巖體的蠕性變形和斷裂，而在采空區內主要表現為煤巖體的蠕性變形，而煤巖體的斷裂要少于實體煤一側，如圖所示，在7304采空區一側的微震事件要遠遠少于在7302（實體煤）一側的震動次數。

統計工作面每日震動次數、震動總能量和回采速度，做出三者的時間變化曲線如圖3所示。微震事件每日總能量的存在著明顯的周期性，7303（下）工作面第一次出現強震時間為7月22日，此時工作面回采累計進尺53.2m，這與礦壓觀測結果得出的工作面初次來壓步距十分接近。值得注意的是在8月28日，工作面發生自回采至今最強震動，能量達到了4.6×104J，里氏震級為1.51級。此時工作面累計進尺172.25m，7303（下）工作面面長為183.5m，這就說明當工作面回采至第一次“見方”時，震源點的垂直坐標為-551m，發生在距3煤頂板20m左右的中粒砂巖層位內。上覆巖層的大面積劈裂是這次強震發生的直接原因，由此可見工作面一次“見方”時，較易發生沖擊地壓等動力災害事故。

圖2 微震事件震源點的平面分布

微震事件的周期性與工作面的來壓周期也十分的接近，為判斷工作面周期來壓步距提供了一定的理論支持。自9月22日開始，工作面的微震次數明顯增加，但總能量卻變化不大，這是由于此時工作面回采累計進尺298.3m，距離斷層較近，由于煤巖體受到斷層的構造應力影響，圍巖較為破碎，無法大量的存儲彈性變性能，而是以釋放能量的蠕性變形為主。

圖3 微震次數、總能量及工作面回采速度曲線圖

3.2 鉆屑法監測

在我國沖擊地壓監測預報常用技術中，得以廣泛使用的是電磁輻射監測法和鉆屑法。由于有些礦井的地下水和電磁環境的復雜性，對于電磁輻射監測法的監測結果有較大的影響，使監測結果出現較大誤差。鉆屑法是通過在煤層中打直徑φ42～50mm的鉆孔，根據排出的煤粉量及其變化規律和有關動力效應，鑒別礦壓危險的一種方法。鉆屑量是包含采用應力、煤體性質、突出環境等的綜合指標，比較實用、可靠。7303（下）工作面經過沖擊地壓危險性鑒定，具備發生沖擊地壓的條件和可能性。因此在工作面回采至嚴重危險區域時，采用鉆屑法監測技術手段。

監測范圍覆蓋工作面的超前支承壓力影響區，一般為從工作面至前方至少60m的范圍。其中，鉆孔直徑42mm，孔深10m，間距10～20m（根據沖擊危險程度進行適當調整），孔距底板1.2m左右，鉆孔方向為平行于煤層，垂直巷幫，布置圖如圖4所示。

圖4 鉆孔布置示意圖

興隆莊煤礦每天安排專業技術人員對兩順槽進行鉆屑量監測，根據監測結果，分別做出軌順和運順每日平均鉆屑量和最大鉆屑量變化曲線圖，如圖5所示。

圖5 工作面兩順槽鉆屑量變化曲線

根據近兩個月的連續觀測記錄統計分析，7303（下）工作面不論是軌順和運順，其煤粉鉆屑量指標均小于發生沖擊地壓的最小理論值。運順鉆屑量不論是每日平均值還是最大值都要大于軌順一側，這是因為軌順為沿空掘巷，受7304采空區的影響，圍巖較為破碎且變形量大，煤巖體儲存的彈性能較小。

兩順槽平均煤粉鉆屑量最大值距離工作面面口距離一般為25～40m的范圍內，但當工作面推進至FS45斷層距軌順較近時，軌順一側的鉆屑量最大值出現的位置離面口距離通常要大于40m，一般在80m至100m。這是由于受斷層構造應力擾動影響，圍巖應力峰值向煤體內部轉移。

做出軌順和運順鉆屑量隨鉆孔深度變化曲線，并進行線性回歸，如圖6所示。

圖6 兩順槽鉆屑量隨鉆孔深度變化曲線

從上圖我們可以明顯看出，鉆屑量隨著鉆孔深度的增加，其煤粉量成線性增加，根據兩順槽的長期監測結果，得出了興隆莊煤礦典型煤巖條件下鉆孔深度與鉆屑量的關系方程式。

式中：G為鉆屑量，單位Kg/m；X為鉆孔深度，單位m；其中x的合理取值范圍為[3 12]。式（1）反映了興隆莊煤礦不發生沖擊地壓時，鉆孔深度與鉆屑量的關系，當鉆屑量超過（1）所計算出的值時，也不一定發生沖擊地壓，超出的值要經過現場的進一步檢驗后得出。

3.3 圍巖移近量、頂板離層值、錨桿、測力計監測

3.3.1 觀測方法

1）采用“十”字布點法，在順槽內設6組基點，對回采期間巷道圍巖變形使用測槍進行連續的觀測。

2）在巷道內按照《錨網支護技術規范》每隔40m，安裝一組頂板離層儀用來觀測頂板離層情況。

3）在巷道內按裝7組錨桿測力計及14組錨索測力計用來監測錨桿錨索受力情況。

3.3.2 觀測結果分析

1）巷道圍巖變形量。統計7303(下)工作面回采期間兩順槽圍巖變形量，分別做出軌順和運順的頂底板及兩幫移近量曲線圖，如圖7所示。

圖7 工作面巷道圍巖變形曲線

從圖7可以看出，相對于運順而言，軌順巷道圍巖移近量較大一些，受工作面采動影響范圍距離工作面150m范圍，60m范圍內圍巖變形量相對較大。當工作面兩順槽揭露斷層期間，工作面機頭、機尾0～5m范圍內圍巖變形非常大，頂底板移近量1.85m，兩幫移近量3.12m。這是由于受斷層切割作用影響，圍巖本身較為破碎，受采動應力擾動進一步破碎，圍巖發生蠕性變形較大，且過斷層期間，工作面回采速度較低，圍巖發生蠕性變形充分。

2）頂板離層儀。回采期間兩順槽頂板離層值均變化不大，基本保持巷道在掘進期間的離層值，軌順深部離層最大離層量為75mm，平均11.3mm；淺部離層最大離層量最大為70mm，平均為11mm；運順深部最大離層量為98mm，平均9.7mm；淺部最大離層量為87mm，平均為8.8mm，頂板離層均不明顯。運順離層值要高于軌順。

3）錨桿錨索測力計。軌順幫錨桿受力最大5MPa，平均3.7MPa；頂錨桿受力最大6MPa，平均3.8MPa，錨索受力最大18MPa；平均錨索每條受力在10.5MPa；運順頂錨桿受力最大9 MPa平均7.2MPa；幫錨桿受力最大18MPa，平均12.75MPa；錨索受力最大25MPa，錨索平均每條受力13 MPa。

4 結 論

1）微震事件的分布多集中于斷層構造應力集中處，且微震事件的分布主要沿著斷層的走向分布；實體煤巷道側相對于沿空巷道側的微震事件要多；微震事件的周期性與工作面的來壓周期也十分的接近，且工作面一次“見方”時較易發生大能量微震事件。

2）實體煤巷道側相對于沿空巷道側的煤粉鉆屑量要大；平均煤粉鉆屑量最大值距離工作面面口距離一般為25-40m的范圍內，若存在斷層影響，鉆屑量最大值出現的位置離面口距離通常要大于40m，一般在80m至100m。鉆屑量隨著鉆孔深度的增加，其煤粉量成線性增加，根據兩順槽的長期監測結果，得出了興隆莊煤礦典型煤巖條件下鉆孔深度與鉆屑量的關系方程式。

3）實體煤巷道側相對于沿空巷道側的圍巖移近量要小，受斷層切割及回采速度較慢因素的影響，圍巖發生變形充分，圍巖變形量較大，不利頂板維護。

4）回采期間巷道主要發生蠕性變形，而頂板離層值變化不大，基本保持巷道在掘進期間的離層值，實體煤巷道側相對于沿空巷道側的頂板離層值要大。

5）實體煤巷道側相對于沿空巷道側的錨桿、錨索測力計值均要大。