孤岛工作面冲击地压电磁辐射监测与治理技术研究

陈 杨

（1.煤炭科学研究总院油品分院，北京市朝阳区，100013；2.煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室，北京市朝阳区，100013）

煤矿为了避免顺序开采工作面之间的干扰，采区内工作面之间有时需要采用跳采接续，这样就不可避免地产生了孤岛工作面。孤岛工作面因其特殊的开采形式，工作面两端头及附近巷道围岩应力集中程度高，工作面顶板运动剧烈，加上地质构造的影响极易诱发冲击地压。孤岛工作面冲击地压的防治成为目前研究的热点问题之一。以阳城煤矿1304孤岛工作面为试验点，基于电磁辐射预测冲击地压原理，结合孤岛工作面支承压力分布规律，通过分析现场监测数据，建立了孤岛工作面冲击地压电磁辐射预测与治理技术。

1 工作面概况

1304工作面上、下区段已采空，是典型的两侧采空的孤岛工作面，属C型采场，如图1所示。工作面开采煤层为3＃煤层，埋深573～700 m，斜长平均为184 m，走向推进长度870 m，倾角17°～21°，煤厚平均为7.5 m，采用走向长壁综采放顶煤一次采全高全部垮落法。经煤炭科学研究总院北京开采研究所岩石力学实验室对3＃煤层的冲击倾向性测定，3＃煤层上部和下部的冲击能量指数KE分别为5.46和2.86、弹性能量指数 WET分别为5.32和4.80，测定结果认为：3＃煤层上部属于Ⅲ类，为具有强冲击倾向性的煤层；3＃煤层下部属于Ⅱ类，为具有弱冲击倾向性的煤层。

图1 1304工作面平面图

冲击地压的发生与支承压力的分布有密切的联系。C型采场煤体中垂直应力分布呈 “C”形，支承压力峰值位于工作面上、下角部的深部。1304工作面上、下角部及工作面上下巷道围岩受较高支承压力峰值影响容易发生动压显现及冲击地压事故，是冲击地压监测的重点区域。

2 电磁辐射法预测冲击地压机理

冲击地压的失稳理论认为煤岩体在发生冲击地压之前处于准静态过程，当煤岩体所承受的外载超过其强度时，煤岩体内部原生微裂隙发展、扩大并形成宏观裂纹，抗变形能力下降，煤岩体从稳定平衡状态向非稳定平衡状态转变，此时受外加扰动，系统失稳，进而诱发冲击地压。

在高应力影响下煤岩体内部原生裂隙快速发展并形成宏观裂纹，在煤岩体内部裂隙形成发展过程中将产生不同程度电磁辐射，电磁辐射强度与煤岩体所受载荷大小以及内部应力状态相关，煤岩体所受载荷越大、内部应力越高，煤岩体内部裂隙形成发展过程越剧烈，产生的电磁辐射信号越强，发生冲击地压的可能性越大。因此可以通过监测分析煤岩体电磁辐射信号强度及规律预测冲击地压的发生。

3 电磁辐射预测冲击地压危险

在1304工作面上下巷道超前工作面150 m范围内布置多个监测点，两侧点间距10 m，定点观测，随工作面的推进，固定点不变，不断向外增补测点，测点布置如图2所示。采用KBD5电磁辐射仪监测，每个测点监测时间为2 min。统计分析电磁辐射监测数据，如图3所示。

图2 电磁辐射测点布置

图3 工作面超前10～30 m胶运巷电磁辐射监测数据

由图3可知，5月9日到5月21日期间煤岩体电磁辐射强度值和脉冲数均在正常值附近波动，表明在此期间煤岩体处于正常应力状态；5月22日到5月30日期间煤岩体电磁辐射强度值和脉冲数均出现持续升高，且升高的幅度较大，均超出正常水平的数倍，表明此期间煤岩体受较高应力的影响出现剧烈的破裂和摩擦，进而产生强烈的电磁辐射信号。分析可知5月30日时煤岩体内部应力水平异常，受较高应力的影响煤岩体内部裂隙剧烈发展并出现塑性破坏，煤岩体发生冲击地压的危险较高。受工作面超前支承压力峰值和侧向支承压力峰值叠加影响，导致了此次工作面胶运巷超前10～30 m范围冲击危险升高。由于煤层本身具有较高的冲击倾向性，为防止冲击灾害的发生，应立即采取有效措施进行冲击危险的识别及解危处理。

4 冲击地压危险治理

4.1 钻屑法冲击危险局部识别

钻屑法是通过在受压煤层中钻直径42～50 mm钻孔，根据钻进过程中呈现的动态特征、相关动力效应以及排出煤粉量等指标鉴别监测区域冲击危险危害程度的方法。在1304工作面胶运巷超前10～30 m的实体煤帮以3 m间距布置监测孔（钻孔），孔深10 m，孔距底板1.2 m左右，单排布置，钻孔方向与煤层倾角平行，下帮垂直于煤帮，如图4所示。每个钻孔煤粉量数据统计如图5所示。

图4 钻屑法监测钻孔布置

由图5可知，3＃～5＃钻孔煤粉量明显高于其他4个钻孔，特别是3＃和4＃钻孔煤粉量均已超过临界值，说明胶运巷超前工作面15～25 m范围内煤体受较高叠加应力影响发生严重的塑性破坏，此范围煤体冲击危险性较高，发生冲击地压的可能性较大，应采取相应的卸压解危措施。

图5 钻孔煤粉量监测数据统计

4.2 冲击危险治理方法

根据钻屑法局部监测结果，对工作面胶运巷应力集中区（钻屑超标区）进行煤层深孔卸压爆破处理，释放煤体积聚的弹性能，使煤体的应力集中程度下降，煤体中支承压力峰值位置向煤体深部转移，降低卸压区域冲击危险性。钻孔采用手持气动钻机、麻花钻杆（每节1 m）配合ø42 mm钻头施工，爆破孔距底板1.5 m，孔深10 m，间距5 m，单排布置，角度平行于底板、垂直于煤帮，如图6所示。

钻孔采用反向装药，装药长度为4.5 m，炮泥封孔长度5.5 m，每个钻孔的装药量Q为：

式中：Q——每个钻孔的装药量，kg；

q——单位体积耗药量，一般为 0.01～0.03 kg／m3；

v——设计爆破体积，m3。

计算每孔装药量，从充分释放应力的观点出发，q取最大值，故Q＝0.03v；按设计孔深、孔距及装药长度，确定爆破半径取2.5 m，则爆破体积为88 m3，确定单孔药量约为2.7 kg。每个爆破孔内均匀放置3个同型号的电雷管，单孔爆破，孔内3个电雷管并联到爆破母线上。

图6 煤体卸压爆破钻孔布置

4.3 冲击危险治理效果检验

现场采用电磁辐射监测对卸压效果进行检验，图7为爆破前后工作面超前10～30 m范围电磁辐射信号变化情况。

图7 深孔卸压爆破前后电磁辐射数据变化

由图7可知，在进行巷帮煤体深孔爆破后，煤体电磁辐射强度值及脉冲数均大幅降低，位于正常值附近，说明煤体深孔爆破卸压措施取得了较好的效果。1304工作面目前已安全推进830 m，在此期间采用本方法成功监测识别并解除数次冲击地压危险，仅出现几次较强烈的矿压显现事件，但是没有造成人员伤亡和设备的损坏。

5 结论

基于电磁辐射预测冲击地压原理，结合孤岛工作面支承压力分布规律，在利用电磁辐射方法监测孤岛工作面冲击地压危险的基础上，建立了电磁辐射冲击危险预警→钻屑法危险识别→煤体深孔爆破卸压→电磁辐射卸压效果检验的孤岛工作面冲击地压危险监测识别及治理技术。现场实践表明，煤体深孔爆破卸压可以释放煤体内积聚的弹性能，使煤体内的较高应力向深部转移，从而降低工作面的冲击危险。现场应用试验取得了满意的效果。

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