綜放工作面過單面見方沖擊危險性多參量監測預警分析

蒲志強，崔廣永

（陜西長武亭南煤業有限責任公司，陜西 咸陽 713602）

工作面見方垮落一般是指當工作面的推進距離和采空區寬度大致相等時，采空區上覆巖層的初次整體垮落。通常認為，見方垮落時頂板運動劇烈，易導致采掘巷道礦壓顯現異常，甚至誘發動力災害。因此，對沖擊地壓工作面進行沖擊危險區域劃分時，往往將見方區域劃定為潛在危險區[1-4]。

目前很多學者針對見方進行了研究，李國營等[5]分析了堅硬頂板工作面采空區見方階段動壓顯現規律；張翔等[6]研究分析了巨厚砂巖層組綜采工作面進入見方階段時礦壓顯現機理；王朝引等[7]研究了厚煤層綜采工作面進入雙工作面見方時的礦壓分布規律，提出了“四位一體”分區控制超前支護技術；張鋒等[8]根據綜放工作面過單面見方危險區域優化了“單面見方”區域內堅硬頂板防治沖擊的設計；張亮等[9]分析了淺埋長工作面非堅硬頂板見方強來壓機理；譚云亮等[10]進行了頂板見方來壓發生條件的分析研究；郭曉朋[11]對深井孤島工作面不同采動階段如見方段的沖擊地壓進行了預測并提出了防治措施；王書文等[12]研究了采空區頂板見方垮落的覆巖空間結構特征及形成條件；孔令海等[13]進行了長壁工作面采空區見方形成異常來壓的微震監測的研究；張成武等[14]針對西部礦區首采工作面見方期間覆巖破斷誘發動壓問題，利用理論分析方法，通過分析見方區域主控巖層破斷概率及見方破斷形成的動壓力, 研究了不同寬度工作面見方區域發生動壓的風險；王立峰等[15]研究了采空區頂板見方垮落誘發工作面CO 氣體異常涌出的原因；李東等[16]研究了深井、厚表土、厚基巖特厚煤層工作面推進至見方位置時的致災機理與安全開采技術；李帥等[17]采用數值模擬的方法模擬工作面回采至一次“見方”、二次“見方”期間采場和巷道的應力分布情況，分析認為，加強“見方”階段工作面礦壓觀測、圍巖控制和解危卸壓措施，可以大大降低動力事故的危害；宋大釗等[18]研究了基于震動波計算機斷層掃描技術等解決煤與瓦斯突出礦井缺乏區域性在線探測預警技術問題；郝憲杰、馮夏庭等[19]基于電鏡掃描實驗對柱狀節理隧洞卸荷破壞機制進行了研究；郝憲杰、袁亮等[20]對于煤巷開挖時瞬間圍巖即出現異常的、較大的彈性變形行為,難以用胡克定律解釋，通過考慮煤體非線性彈性力學行為的彈塑性本構模型對煤體破壞進行了探究；郝憲杰、袁亮、郭延定等[21]針對現有基于壓縮應力－應變曲線峰后跌落斜率指標無法區分直線式、弧線式、臺階式跌落的缺點，提出基于能量非穩態釋放理論的硬煤脆性度指標。

綜上可以看出，目前對于工作面見方所引起的沖擊危險性的研究具有了一定成果，但大多數研究都是基于單一條件或監測手段下進行的。為此基于綜放工作面過單面見方沖擊危險性進行了包括微震、礦壓、應力、CT 等的多參量監測預警研究。

1 綜放工作面過見方多參量監測

307 工作面是亭南煤業三盤區第7 個工作面，位于三盤區西翼。其中307 回風巷北側為305 工作面采空區，南側和西側尚未被開采。307 工作面推進長度為1 571 m，工作面長度為200～222 m，煤層厚度為4.7～11.7 m，平均8.2 m，煤層傾角4°，煤層結構簡單。

1.1 307 工作面過見方微震監測結果

微震事件數統計圖如圖1，微震事件能量統計圖如圖2，微震事件數與能量對比圖如圖3。

圖1 微震事件數統計圖Fig.1 Statistics of microseismic events

圖2 微震事件能量統計圖Fig.2 Energy statistics of microseismic events

由圖1～圖3 可以看出，307 工作面在接近見方位置時頂板受到擾動影響，頂板發生微破斷，微震監測表現為微震事件數和能量迅速增加；由監測數據得知微震事件數和能量均在3 月21—24 日達到最大值，最大值分別為104 個和3.19×104J，遠超于平均事件數46 個和平均能量1.27×104J。工作面在推進至工作面見方位置后，微震事件數和能量恢復到平均水平。根據微震事件數和能量統計情況可以得出微震監測可以在工作面見方前3～6 d 事件數和能量數均增大。

圖3 微震事件數與能量對比圖Fig.3 Comparison of the number of microseismic events and energy

為方便分析微震事件空間分布情況，現采用每10 d 數據繪制微震事件空間分布圖，典型的微震事件空間分布圖如圖4。

圖4 典型的微震事件空間分布圖Fig.4 Typical spatial distribution map of microseismic events

由圖4 可以看出，3 月1—10 日微震事件數較少并且圖中黃色球比例較高，綠色球比例次之，表示在該段時間內微震事件多以小能量事件為主，并且事件數量較少；3 月11—31 日期間，微震事件數分布較為密集，并且綠色球數量比例比較大，黃色球次之，并伴有少量藍色球，表明在該段時間內工作面接近見方位置微震事件急劇增加，并且大能量事件比例明顯提高；4 月1—10 日微震事件數量開始明顯減少，并且綠色球所占比例小于3 月所占比例，黃色球所占比例明顯增加。由空間分布情況可以看出微震事件沿工作面呈線性分布，并在回風巷處密集分布，并且在工作面靠近見方位置時，大能量事件沿工作面均勻分布，表明工作面見方導致沿工作面方向頂板來壓明顯，并且305 采空區的存在加劇了回風巷頂板壓力的影響。

1.2 307 工作面過見方礦壓變化規律

工作面支架壓力監測采用分區抽取固定支架監測其壓力變化情況，307 工作面支架按照編號順序分為上、中、下3 部分，在上部采取24#、46#支架數據作為分析數據來源；中部采取56#、96#支架數據作為分析數據來源；下部采取106#、126#支架數據作為分析數據來源。

307 工作面3 月27—29 日推進至單面見方位置，工作面支架的工作阻力呈現比較明顯的變化，上部的支架工作阻力在回采鄰近見方位置的時間段內，支架工作阻力的平均工作阻力的變化和未在鄰近見方位置的區域內有所增大，支架的見方區域內來壓期間平均工作阻力在30～36 MPa, 非來壓期間平均工作阻力在21～30 MPa，在非見方區域內來壓期間的工作阻力在26～33 MPa，非來壓期間的工作阻力在回采期間的平均工作阻力在21～24 MPa，在鄰近見方位置的時間段內回采時，中部支架的工作阻力同樣存在比較明顯的增長趨勢，支架的見方區域內來壓期間平均工作阻力在31～33 MPa, 非來壓期間平均工作阻力在21～28 MPa，在非見方區域內來壓期間的工作阻力在28～31 MPa，非來壓期間的工作阻力在回采期間工作阻力在22～28 MPa，工作面在回采鄰近見方位置時，支架的工作阻力呈現比較明顯的增大趨勢，由于回風巷采用沿空掘巷的方式，致使工作面回采時，下部的支架工作阻力變化會比較大，且變化的形式比較明顯，在臨近見方時工作面的平均工作阻力在24～29 MPa，非來壓期間平均工作阻力大致在22～26 MPa，在非見方區域內來壓期間的工作阻力在23～27 MPa，非來壓期間的工作阻力在回采期間在21～26 MPa。綜上可見，見方期間來壓工作阻力和非來壓工作阻力均大于非來壓期間。在工作面的支架工作阻力顯著變化的時候，應該注意監測和防控，在支架工作阻力變化比較明顯的區域內回采時要能夠及時地預防沖擊破壞。

與微震監測相比，礦壓監測數據相對滯后一些，微震數據在工作面接近見方位置前3～6 d 微震數據就開始出現顯著的增大過程，但礦壓監測數據顯示當工作面接近見方位置時才開始出現壓力增大的情況。

1.3 307 工作面過見方應力監測結果

工作面見方會造成應力集中，增加發生沖擊地壓災害的可能性。在亭南煤礦307 工作面回風巷和運輸巷均布置應力監測點，307 工作面應力監測布置情況如圖5。

圖5 307 工作面應力監測布置圖Fig.5 307 working face stress monitoring layout drawing

采集工作面見方位置附近7#、113#、114#監測點應力數據，構建應力曲線，對比分析見方前后應力變化規律。307 工作面過見方前后應力曲線對比圖如圖6。

圖6 307 工作面過見方前后應力曲線對比圖Fig.6 Comparison of stress curves before and after 307 working face

由圖6 可以看出，各測點應力在非采動期內均處于緩慢上升的狀態，應力值處于4.5～7 MPa，差值不大；隨工作面推進，巷道礦壓會經歷應力反復擾動，呈現結果為觀測點應力值周期性增大及減小；當工作面推進至觀測點后方15 m 左右時應力值會達到峰值，然后隨工作面繼續推進而快速減小；見方位置礦壓顯現程度明顯強于非見方位置，前者觀測點的應力峰值約為14 MPa，峰值周期持續時間約為13 d；后者觀測點的應力峰值約為8 MPa，峰值周期持續時間約為7 d。可見超前支承應力在見方前也會增大，并且其值大于一般采動影響，可作為監測預警指標之一。

1.4 307 工作面過見方CT 監測結果

采用波蘭EMAG 公司PASAT-M 型便攜式微震探測系統，對307 工作面見方位置附近進行CT 掃描，由于CT 探測為超前探測，若要對比分析見方對于307 工作面發生沖擊危險事故所造成的影響可以將見方前后的CT 探測圖拿來進行對比。見方位置處的沖擊地壓危險性指數C 的值為0～0.25。當工作面接近一次見方位置后，沖擊危險程度上升。沖擊地壓危險性指數C 的值為0.5～0.75。

對比2 次的探測結果可以發現，見方對于工作面的沖擊危險性具有較大影響。經過一次見方后，由于受到見方影響，一次見方位置附近的沖擊地壓危險性指數C 的值為見方前的2～3 倍，沖擊危險程度也由顯著上升。因此，當工作面推進到見方位置時要注意工作面的來壓情況，進行及時的支護和卸壓措施，避免發生沖擊地壓事故。

2工作面見方“力—震動—能量”監測體系

一次見方階段微震監測、礦壓監測、應力監測對比圖如圖7。

由圖7 可以看出，礦壓監測數據于接近見方工作面時，工作面上部支架工作阻力連續2～3 d 出現明顯的增長趨勢，隨后恢復正常水平，即說明第1 次見方時間在3 月27—29 日；測點7#應力監測結果顯示在接近工作面見方處8 d 時，測點7#應力開始出明顯上升，在隨后的2 d 內達到峰值后迅速開始下降，整個過程約持續8 d；微震事件和微震能量統計圖于接近見方位置前6 d 開始出現明顯的增加趨勢，持續6 d 后下降到正常水平。

圖7 一次見方階段微震監測、礦壓監測、應力監測對比圖Fig.7 Comparison diagrams of microseismic monitoring, mine pressure monitoring and stress monitoring in the first square stage

在逐漸接近工作面見方位置的過程中，由于力的傳導最快且最容易被檢測到，應力監測最先出現明顯的增長趨勢且持續時間最長；在應力集中、傳導以及圍巖沖擊傾向性的共同作用下，巖體開始出現微破裂，微震監測出現增長變化；最終當工作面接近見方位置時，工作面礦壓監測開始出現增長變化，且持續時間最短。由此可以看出工作面見方事件是連續性事件，由開挖到發生見方的過程可以被監測。

綜上所述，為進行工作面過單面見方探測，可以同時采取以上3 種監測手段，重點監視應力監測和微震監測，同時結合工作面礦壓檢測，為工作面過單面見方事件進行預測，綜合以上方法，形成工作面見方“力—震動—能量”監測體系，對工作面過單面見方事件進行預測、分析、評估，規避可能發生的危險，保障工作面開挖安全。

3 結 語

1）307 工作面一次見方時，微震事件數和能量均在工作面見方前3～6 d 事件數和能量數顯著增大，可用于預警工作面見方壓力。

2）見方期間來壓工作阻力和非來壓工作阻力均大于非見方期間。礦壓數據在工作面接近見方位置時才開始出現顯著的增大過程。

3）超前支承應力在見方前也會增大，并且其值大于一般采動的影響，可作為監測預警指標之一。基于CT 觀測的見方位置附近的沖擊地壓危險性指數C 的值為見方前的2～3 倍，也可作為監測預警指標之一。

4）微震事件沿工作面呈線性分布，并在回風巷處密集分布，并且在工作面靠近見方位置時，大能量事件沿工作面均勻分布，鄰近采空區的存在加劇了回風巷頂板壓力的影響

5）在工作面接近見方位置的過程中，應力監測最先發生變化，持續時間最長，敏感度最高，其次是微震監測，礦壓檢測變化最晚，持續時間最短。因此工作面見方的發生可以采用“力—震動—能量”監測體系進行預測、分析、評估。