基于鉆屑量變化的沖擊危險預警方法

曹 蓓，張 毅

（1.內蒙古自治區煤炭工業專業技術服務中心，內蒙古 呼和浩特 010010；2.鄂爾多斯市能源局，內蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引 言

鉆屑法是基于鉆屑量與煤體應力之間定量關系的一種常見的預測沖擊地壓的方法。通過在煤層中鉆小直徑鉆孔（鉆屑檢測孔），根據排出的煤粉重量及有關動力效應，對沖擊危險進行預測。國內外不少學者對此進行了理論研究、室內模擬和實測試驗，潘一山、李忠華等考慮煤體損傷特性和瓦斯影響，得出高瓦斯煤層沖擊地壓危險預測的鉆屑量指標確定方法[1]；姜福興等通過現場實驗和數值模擬方法，建立了鉆屑量、支承壓力以及煤體應力的關系[2]。

通過眾多學者的努力，我們可以用鉆屑量的變化表征煤體應力的變化。根據打鉆過程鉆屑量多少、鉆屑粒度值大小和響聲等動力現象來預測沖擊地壓危險。其中鉆屑量是對沖擊地壓預測的一個重要指標。

在回采過程中，受到一些因素的限制，鉆孔往往不能達到理想的深度。所得的鉆屑量未達到預警值，但在鉆孔繼續深入煤巖體深部則會達到預警值。而且由于鉆屑法檢測具有時效性，即在鉆孔有效深度內，所得每米鉆屑量并未達到擬定的預警值，當檢測結束檢測區域繼續受回采影響，應力集中加劇，仍然存在觸發預警值的可能性。

為解決上述問題，本文以利民煤礦1303 工作面為背景，提出一種基于鉆屑量變化的沖擊地壓預警方法。

1 利民煤礦工程概況

利民煤礦1303 工作面埋深850 m，工作面走向長度2 120 m，傾向長度230 m。煤層平均厚度3.2 m，普氏系數f=4~6，具有強沖擊傾向性。煤層直接頂為細粉砂巖，直接底為砂巖。煤與老頂組合為強沖擊傾向性。1303 工作面屬于深埋“兩硬”（堅硬頂板，堅硬煤層）開采條件，上覆堅硬巖層的斷裂極易誘發礦震和沖擊地壓等動力災害。

2 受回采影響前后鉆屑量對比分析

在1303 工作面運輸順槽開門口未受采動影響段進行正常鉆屑量檢測。共檢測5 個鉆孔，每鉆深1 m，進行1 次鉆屑量統計，平均鉆屑量變化曲線如圖1 所示。從圖中能夠看出，鉆屑量隨鉆孔深度的增加大致呈上升趨勢。但鉆屑量在鉆孔深度10 m 處時出現一個波峰，說明此處應力升高，處于應力升高區。對未受回采影響鉆屑量和鉆孔深度進行函數擬合，表達式為：

式中：y0為未受采動影響區域的鉆屑量；x 為鉆孔深度。

圖1 平均鉆屑量及變化趨勢

根據鉆屑量預警值的定義[3-4]，鉆屑量預警值y1可表達為：

式中：y1為鉆屑量預警值；x為鉆孔深度。

為對比分析工作面回采前后鉆屑量，隨機選擇受工作面回采影響的5 個鉆孔的鉆屑量，對比曲線如圖2 所示。從圖中可以看出，受回采影響的鉆屑量明顯高于正常鉆屑量。受工作面回采影響的鉆屑量在其鉆孔深度范圍內并未出現峰值，說明受回采影響，應力峰值向巖體深部遷移，在鉆孔深度范圍內未檢測到應力峰值。

對受回采影響的鉆屑量與鉆孔深度進行函數擬合，表達式為：

圖2 受回采影響前后鉆屑量對比

3 鉆屑量變化

根據上述分析能夠得出：受回采影響，鉆孔不能達到理想的深度，所得鉆屑量也未達到預警值。但隨著鉆孔繼續深入，鉆屑量逐漸增加，達到預警值。所以，僅僅依靠鉆屑量預警值來判斷沖擊危險是不夠的，可以通過鉆屑量變化對沖擊地壓危險性進行預測。定義鉆屑量變化k為：

式中：y1為鉆孔深度；x1為實際鉆屑量；y2為鉆孔深度；x2為實際鉆屑量。

假設鉆屑量變化預警值為k1，受采動影響的鉆屑量變化為k2，則有：

式中：yx1為鉆孔深度；x1為實際鉆屑量；yx2為鉆孔深度；x2為實際鉆屑量。

當受采動影響的鉆屑量變化k2大于鉆屑量變化預警值k1時，說明此鉆孔深度范圍內應力增加異常，應力增加速度快；此時需采取措施，降低應力增加速度。

值得注意的是，隨著鉆孔至煤壁距離的增加，煤體深處形成沖擊地壓所需能量也加大，相應的鉆屑量也增多。既使發生沖擊地壓，由于距煤壁遠，阻力大，也只是深部沖擊，其動力效應僅是深部的聲響和震動，直接危害是有限的[5-7]。

4 應用效果監測

對1303 工作面回采過程中鉆屑量進行統計，結果如圖3 所示。從圖中可以看出，在工作面回采過程中鉆屑量波動較大，尤其是在鉆孔深部。其中，工作面推進第 24、53、56、87 d 產生的鉆屑量峰值較大，第56、87d 峰值大于鉆屑量預警值；工作面推進第8、16、36、47、67、78 和 97 d 出現相對較小的鉆屑量峰值。鉆屑量較大峰值的間隔時間約為30 d，鉆屑量較小峰值的間隔時間約為10 d，兩者均具有一定的周期性。

通過對1303 工作面綜合調查分析后認為：工作面在推進第24、56、87 d 鉆屑量增加的主要原因是工作面見方（工作面推進距離等于工作面長度）引起應力增大。推進第56 d 鉆屑量急劇增加主要是由于1303 工作面與相鄰工作面間形成更大的工作面見方而引起應力集中。

圖3 工作面回采過程鉆屑量曲線

圖4 為1303 工作面回采過程中鉆屑量變化的曲線。從圖中能夠看出，在開采過程中，鉆屑量變化也有峰值。鉆屑量變化的峰值主要出現在鉆孔深部。其中，鉆屑量變化在工作面推進第 24、52、53、56、78、87、97d 超過鉆屑量變化預警值。這表明這些地方的應力增長率超過了正常值。其中，工作面在推進第24、56及78d 時產生的鉆屑量變化較大，在推進第52、53、87及97 d 時產生的鉆屑量變化相對較小。

根據以上分析可知，鉆屑量與鉆屑量變化之間存在一定的差距。如推進至第53 d 時，鉆屑量變化未超過預警值，但鉆屑量超過預警值；如工作面推進至第24、56、78、87、97 d 時，鉆屑量未超過預警值，但鉆屑量變化超過預警值。但工作面推進至第56 d 和87 d時，鉆屑量和鉆屑變化均超過預警值。根據改進的鉆屑法得出：工作面在推進第56 d 和87 d 可能發生沖擊地壓，即工作面見方時易發生沖擊地壓。

5 結 論

1）未受采動影響的鉆屑量隨鉆孔深度的增加大致呈上升趨勢，但鉆屑量在鉆孔深度10 m 處出現一個波峰，說明此處為應力升高區。

2）對比分析受回采影響前后鉆屑量的變化，受回采影響鉆屑量明顯高于未受回采影響鉆屑量。但受工作面回采影響的鉆屑量在其鉆孔深度范圍內并未出現峰值，說明受回采影響，應力峰值向巖體深部遷移。

3）根據1303 工作面回采過程中鉆屑量及鉆屑量變化，鉆屑量及鉆屑量變化的峰值間距能夠有效反應工作回采過程中的應力及應力變化，工作面見方時易發生沖擊地壓。