綜采工作面沖擊地壓在線監(jiān)測(cè)與防治技術(shù)探討

姜 峰

(中煤西北能源有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

隨著中國(guó)西部礦區(qū)厚煤層開(kāi)采機(jī)械化程度的提高，高產(chǎn)高效礦井越來(lái)越多，煤礦開(kāi)采深度也逐漸由淺部向深部過(guò)渡。然而，隨著礦井開(kāi)采深度的增加，為安全生產(chǎn)、高效開(kāi)采等方面帶來(lái)了一系列問(wèn)題，尤其是西部地區(qū)面臨的水害和沖擊地壓的危害越來(lái)越嚴(yán)重。為強(qiáng)化礦井防沖管理，提高現(xiàn)場(chǎng)防災(zāi)治理能力，礦井聯(lián)合北京安科興業(yè)公司和天地科技公司等科研單位，開(kāi)展對(duì)沖擊地壓的監(jiān)測(cè)和治理等方面的研究。

1 礦井概況

1.1 基本情況

中煤西北能源有限公司某礦井位于東勝煤田納林河勘查區(qū)西部，行政區(qū)劃隸屬于鄂爾多斯市烏審旗。井田走向長(zhǎng)17.8 km，傾斜寬13.5 km，面積180.67 km2。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力8.00 Mt/a，采用立井式開(kāi)拓，綜合機(jī)械化開(kāi)采。井田內(nèi)含可采煤層5層，其中主采煤層為3-1煤層、配采有3-1上煤，礦井水平開(kāi)采深度為580 m。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料及鉆孔，礦區(qū)出露的地層由老至新依次為三疊系上統(tǒng)延長(zhǎng)組、侏羅系中統(tǒng)延安組、侏羅系中統(tǒng)直羅組、侏羅系中統(tǒng)安定組、白堊系下統(tǒng)志丹群、第三系上新統(tǒng)和第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)地層。

1.2 工作面概況

礦井31103綜采工作面主要開(kāi)采3-1煤，工作面地面位置位于納林河西側(cè)，地面標(biāo)高在+1 139.0～+1 125.8 m之間。地表以風(fēng)積半流動(dòng)和半固定沙丘地貌，新月形沙丘，生長(zhǎng)零星楊樹(shù)，地表無(wú)建筑物。井下位于納林河二號(hào)礦井一盤區(qū)南翼，北臨中央一號(hào)輔助運(yùn)輸大巷，南臨首采區(qū)邊界，東臨31102工作面采空區(qū)，西臨31104工作面。工作面走向長(zhǎng)約3 000 m，傾向長(zhǎng)241.25 m。該工作面范圍內(nèi)煤層平均厚度5.5 m，沿頂、沿底進(jìn)行回采。工作面安裝有133臺(tái)ZY13000/28/62型、2臺(tái)ZYG13000/28/62D型和7架ZYT13000/26/55D型支架，膠運(yùn)順槽超前24 m采用3架ZQ20000/25/45D型超前支架、回風(fēng)巷超前48 m采用6臺(tái)ZZ16000/24/44型垛式超前液壓支架。

工作面3-1煤層偽頂厚度0～0.4 m，以泥巖為主；直接頂厚度2.0～5.7 m，以粉砂巖為主；基本頂7.6～19.0 m，以細(xì)粒砂巖為主；直接底厚度9.65～15.0 m，以粉砂巖為主。礦井可采煤層頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 可采煤層直接頂及底板巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters of roof and floor of minable coal seam

1.3 工作面沖擊地壓劃分

經(jīng)鑒定31103工作面沖擊危險(xiǎn)綜合指數(shù)0.71、可能性指數(shù)0.8，該工作面為中等沖擊危險(xiǎn)。基于回采工作面的分級(jí)劃分結(jié)果，將 31103工作面劃分為強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域 16處，中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域 18處，其余為弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域。31103工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分如圖1所示，沖擊危險(xiǎn)區(qū)的位置參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分Fig.1 Division of bursting risk area of working face

表2 工作面回采期間沖擊危險(xiǎn)區(qū)位置參數(shù)Table 2 Location parameters of bursting risk area during working face mining

2 沖擊地壓監(jiān)測(cè)方案

工作面回采期間針對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域采取綜合性的監(jiān)測(cè)措施，區(qū)域監(jiān)測(cè)措施采用微震監(jiān)測(cè)法，局部監(jiān)測(cè)采用應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)和鉆屑法等。

2.1 微震監(jiān)測(cè)方案

在工作面兩順槽分別按100 m間隔距離布置檢波器，微震ARAMIS系統(tǒng)和KJ515系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況設(shè)置4個(gè)預(yù)警等級(jí)指標(biāo)，并采取相應(yīng)卸壓解危措施。預(yù)警等級(jí)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 沖擊地壓的微震分級(jí)預(yù)警指標(biāo)Table 3 Microseismic classification and early warning index of rock burst

2.2 在線監(jiān)測(cè)方案

2.2.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

根據(jù)該工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分結(jié)果，確定KJ615系統(tǒng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置方案見(jiàn)表4。設(shè)計(jì)鉆孔深度8 m和14 m，煤層孔距離巷道煤層底板為0.5～1.5 m，平行煤層。組間距1～1.5 m；每組2個(gè)應(yīng)力計(jì)，淺孔靠近工作面。

表4 工作面應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置Table 4 Layout of stress measurement points in working face

2.2.2 預(yù)警值的設(shè)置

工作面初始預(yù)警值設(shè)置見(jiàn)表5。

表5 工作面初始預(yù)警值設(shè)置Table 5 Initial early-warning value setting of working face

工作面分級(jí)預(yù)警及處理措施如下。

A級(jí)(嚴(yán)重沖擊危險(xiǎn))：一組紅色預(yù)警+過(guò)程判斷(一天內(nèi)明顯增加且鉆屑量超限或動(dòng)壓明顯)——停產(chǎn)、卸壓；相鄰兩組及以上紅色預(yù)警——停產(chǎn)、卸壓。

B級(jí)(中等沖擊危險(xiǎn))：一組黃色預(yù)警+鉆屑量不超限(2 d內(nèi)明顯增加或動(dòng)壓明顯)——卸壓；相鄰兩組及以上黃色預(yù)警+鉆屑量不超限(2 d內(nèi)明顯增加或動(dòng)壓明顯)——卸壓。

C級(jí)(一般沖擊危險(xiǎn))：一組黃色預(yù)警+過(guò)程判斷(2 d內(nèi)無(wú)明顯增加)——加強(qiáng)監(jiān)測(cè)；一組紅色預(yù)警+過(guò)程判斷(1 d內(nèi)無(wú)明顯增加)——加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

D級(jí)(無(wú)沖擊危險(xiǎn))：全綠色——所有測(cè)點(diǎn)均小于預(yù)警值。

2.3 鉆屑法監(jiān)測(cè)檢驗(yàn)方案

針對(duì)31103工作面回采過(guò)程中出現(xiàn)的應(yīng)力監(jiān)測(cè)超預(yù)警值、微震事件增多、巷道底鼓嚴(yán)重、變形量較大、煤炮增多等異常區(qū)域，則需要在危險(xiǎn)區(qū)域前后各10 m范圍內(nèi)采取一定的治理措施，措施施工后利用鉆屑量監(jiān)測(cè)其危險(xiǎn)狀態(tài)，鉆孔間距 5～10 m，監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)榛夭晒ぷ髅媲胺?00 m范圍內(nèi)，具體布置如圖2和圖3所示。

圖2 鉆屑法施工位置示意Fig.2 Schematic diagram of construction position of drilling cuttings method

圖3 鉆孔布置的剖面示意Fig.3 Section diagram of borehole layout

3 工作面監(jiān)測(cè)與實(shí)施

基于煤礦災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)(2.0)，依托煤礦災(zāi)害防治“分類分治”理念，以“災(zāi)害監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)化，預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)自動(dòng)化，解危檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化”為目標(biāo)，基于“多參量綜合預(yù)警算法+實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集+綜合數(shù)據(jù)分析”技術(shù)，綜合KJ551系統(tǒng)、ARAMIS系統(tǒng)和KJ615系統(tǒng)等多系統(tǒng)聯(lián)合功能，利用多種軟硬件接口，構(gòu)建全礦井統(tǒng)一、穩(wěn)定和高效的災(zāi)害集控綜合平臺(tái)，以煤礦災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和防治為主線，對(duì)煤礦災(zāi)害“分類、評(píng)價(jià)、解危、預(yù)警、檢驗(yàn)、支護(hù)、管理”等主要環(huán)節(jié)，進(jìn)行多因素全流程的數(shù)據(jù)采集、智能分析、措施優(yōu)化，將煤礦災(zāi)害事故預(yù)防向事先預(yù)警與預(yù)控方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)煤礦災(zāi)害智能化決策。

3.1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控

自煤礦災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警平臺(tái)運(yùn)行以來(lái)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，起到了有效監(jiān)測(cè)預(yù)防作用，為礦井預(yù)防沖擊地壓提供了良好指導(dǎo)。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行期間某1周內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析如圖4所示。

圖4 一周數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Fig.4 Data statistics of one week

通過(guò)對(duì)圖4涉及的KJ551系統(tǒng)和ARAMIS系統(tǒng)1周內(nèi)數(shù)據(jù)分析得出：

25日KJ551系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)到有效微震事件99個(gè)；ARAMIS系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)有效微震數(shù)據(jù)239個(gè)。本日工作面微震事件：2次方事件9個(gè)，3次方事件90個(gè)，4次方事件0個(gè)?？偰芰枯^昨日降低6%，總頻次較昨日上升17.8%。

26日KJ551系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)到有效微震事件105個(gè)；ARAMIS系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)有效微震數(shù)據(jù)305個(gè)。本日工作面微震事件：2次方事件18個(gè)，3次方事件86個(gè)，4次方事件1個(gè)。總能量較昨日升高9.3%，總頻次較昨日上升25%。

27日KJ551系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)到有效微震事件138個(gè)；ARAMIS系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)有效微震數(shù)據(jù)278個(gè)。本日工作面微震事件：2次方事件31個(gè)，3次方事件104個(gè)，4次方事件3個(gè)?？偰芰枯^昨日升高26.9%，總頻次較昨日升高16.9%。

28日KJ551系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)到有效微震事件134個(gè)；ARAMIS系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)有效微震數(shù)據(jù)313個(gè)。本日工作面微震事件：2次方事件10個(gè)，3次方事件122個(gè)，4次方事件2個(gè)。總能量較昨日升高8.6%，總頻次較昨日降低2.9%。

29日KJ551系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)到有效微震事件163個(gè)；ARAMIS系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)有效微震數(shù)據(jù)259個(gè)。本日工作面微震事件：2次方事件15個(gè)，3次方事件148個(gè)，4次方事件0個(gè)?？偰芰枯^昨日升高5%，總頻次較昨日上升21%。

30日KJ551系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)到有效微震事件142個(gè)；ARAMIS系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)有效微震數(shù)據(jù)333個(gè)。本日工作面微震事件：2次方事件9個(gè)，3次方事件131個(gè)，4次方事件2個(gè)。總能量較昨日升高5%，總頻次較昨日降低12%。

31日KJ551系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)到有效微震事件86個(gè)；ARAMIS系統(tǒng)共監(jiān)測(cè)有效微震數(shù)據(jù)406個(gè)。本日工作面微震事件：2次方事件7個(gè)，3次方事件75個(gè)，4次方事件4個(gè)?？偰芰枯^昨日降低33%，總頻次較昨日降低39%。

3.2 在線應(yīng)力監(jiān)測(cè)

通過(guò)圖5分析得出：41#測(cè)點(diǎn)紅色預(yù)警，應(yīng)力值13.08 MPa，較昨日降低0.65 MPa(距離工作面45.4 m)，45#測(cè)點(diǎn)黃色預(yù)警，應(yīng)力值10.67 MPa，較昨日增加0.04 MPa(距離工作面120.4 m)，其余測(cè)點(diǎn)保持穩(wěn)定。

圖5 某日工作面應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)Fig.5 Online monitoring chart of working face stress in a day

3.3 鉆屑法監(jiān)測(cè)

通過(guò)圖6分析得出：在工作面回風(fēng)巷正巷進(jìn)行鉆孔后，4～6 m顆粒變大，9 m開(kāi)始煤粉濕潤(rùn)，無(wú)動(dòng)力現(xiàn)象。

圖6 某日工作面回風(fēng)巷鉆屑檢驗(yàn)對(duì)比Fig.6 Comparison chart of drilling cuttings inspection in return roadway of working face in a day

4 討論與分析

通過(guò)對(duì)圖4～6進(jìn)行綜合分析得出：回風(fēng)巷超前0～100 m范圍內(nèi)靜載壓力經(jīng)過(guò)多輪卸壓孔施工，目前仍需加強(qiáng)施工強(qiáng)排粉卸壓孔，繼續(xù)保持在回風(fēng)巷高應(yīng)力測(cè)點(diǎn)處施工卸壓孔；回風(fēng)巷正幫41#、45#測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值較高，該處位置還需繼續(xù)進(jìn)行卸壓。

工作面微震事件較前日有大幅增長(zhǎng)，4次方事件的高度也在逐漸升高，微震事件日總頻次及日總能量處于穩(wěn)定上升階段，但總體來(lái)說(shuō)，礦井沖擊地壓危害程序處于可控制的范圍。需要控制采煤機(jī)速度，避免出現(xiàn)大能量事件；工作面受相鄰采空區(qū)、超前應(yīng)力集中的影響，回風(fēng)巷回采幫側(cè)實(shí)體煤應(yīng)力集中程度高，加快回風(fēng)巷高應(yīng)力點(diǎn)的卸壓解危工作進(jìn)度；工作面嚴(yán)格執(zhí)行限員管理，生產(chǎn)期間回風(fēng)巷嚴(yán)禁進(jìn)人，工作面停產(chǎn)后，至少4 h以后才可進(jìn)人。工作面如遇發(fā)生大能量事件或應(yīng)力突增情況，要求降低回采速度。

5 結(jié)論

(1)工作面受相鄰采空區(qū)、超前應(yīng)力集中的影響，回風(fēng)巷回采幫側(cè)實(shí)體煤應(yīng)力集中程度高，加快回風(fēng)巷高應(yīng)力點(diǎn)的卸壓解危工作進(jìn)度。

(2)工作面微震事件較前日有大幅增長(zhǎng)，微震事件日總頻次及日總能量處于穩(wěn)定上升階段，需要控制采煤機(jī)速度，避免出現(xiàn)大能量事件。

(3)工作面嚴(yán)格執(zhí)行限員管理，生產(chǎn)期間回風(fēng)巷嚴(yán)禁進(jìn)人，工作面停產(chǎn)后，至少4 h以后才可進(jìn)人。如遇發(fā)生大能量事件或應(yīng)力突增情況，要求降低回采速度?？傮w來(lái)說(shuō)，礦井沖擊地壓危害程度處于可控范圍。