基于应力在线-微震监测系统的厚煤层掘进面防冲优化

翟建博　徐勇勇　郭英杰

(北京科技大学土木与环境工程学院)



基于应力在线-微震监测系统的厚煤层掘进面防冲优化

翟建博徐勇勇郭英杰

(北京科技大学土木与环境工程学院)

摘要为优化矫正巨厚砾岩下厚煤层掘进面的防冲卸压措施，采用理论分析、力学计算及现场验证相结合的方法，探讨了巨厚砾岩下厚煤层掘进面冲击地压机理，提出了应力在线-微震监测方案，现场试验结果表明：在相向相邻井田采空区掘进时，可根据微震监测数据得到岩石破裂角对工作面宽度及开切眼位置进行优化处理，同时基于应力监测数据可对钻孔卸压参数进行优化。常村煤矿21220掘进工作面优化后煤柱宽度不小于150 m，工作面宽度取265 m，帮部卸压孔深度优化为25 m，掘进头卸压孔深40 m，卸压孔直径大于150 mm，成功应用于现场并取得了良好效果，验证了结论的可靠性，为相似条件下掘进工作面的防冲措施提供技术支撑。

关键词掘进工作面冲击地压应力在线-微震监测

近年来，随着矿井开采深度的不断增加，冲击地压治理已成为世界性难题[1]，掘进工作面受到地质条件、现场施工工艺等综合因素的影响，冲击地压防治工作尤为重要。目前，我国学者对掘进工作面的冲击地压监测预警系统及技术做了一些研究[2]，并根据实践经验总结了冲击地压实时监测预警技术现状及发展趋势[3]；国内冲击危险矿井虽然在巷道掘进过程中采取了国内外先进的装备和技术，但至今仍未能完全控制住这类灾害，尤其是存在巨厚砾岩的厚煤层掘进面。

以河南义马常村煤矿21220工作面下巷为研究对象，该掘进工作面受到上工作面采空区侧向支承压力、跃进煤矿采空区上覆巨厚砾岩传递应力、下山煤柱区上分层工作面采空区外围支承压力、掘进扰动应力等综合因素的影响，存在强冲击危险，且在掘进期间已多次发生冲击地压事件。因此，为了保障该掘进工作面能够安全推进，并探索掘进期间的冲击危险性综合监测预警方法和指标，特对该掘进工作面进行应力-微震监测。根据21220掘进工作面的实测数据对存在冲击危险区域进行预测预报，并及时调整优化现场卸压措施，保证本工作面的安全掘进。

1工程地质条件分析

1.1地质条件

常村煤矿21220工作面标高为-191.622～-254.484 m，工作面对应地面标高为+519～+586 m，最大采深达815 m，走向长926～909 m，倾斜长264～366 m，工作面煤层从煤轨向西至设计切眼，逐渐变薄，且煤层中夹矸增多，平均煤厚7.9 m，倾角为9°～15°，可采储量为202万t。该工作面以北为已采毕的10个采空区，以南为未开掘的21240工作面，以西为相邻跃进煤矿已回采完毕的23050工作面及正在回采的23070工作面(最小煤柱间距为102 m)，以东为21盘区的3条下山。21220工作面位置见图1。

图1　21220工作面位置

1.2巨厚砾岩及地表沉陷量

21220工作面直接顶为1～4.9 m厚泥岩，老顶为31.5～32.6 m厚泥岩，之上为几十到百余米的砂砾岩互层，再向上为发育到接近地表350～450 m的巨厚砾岩层，巨厚砾岩导致21220附近工作面开采后地表下沉不明显，悬顶应力传递到正在开采区域21220工作面，易发生冲击地压和矿震；同时地表沉陷现场勘查结果显示，该矿21采区东翼浅部砾岩已经断裂沉降，下沉量达到5 m以上，而西翼深部正在掘进的21220工作面下巷区域地表最大沉陷量约1 m。因此，21220工作面存在巨型砾岩结构，是冲击地压防治的重点区域。

2巨厚砾岩厚煤层冲击机理及监测原理

2.1巨厚砾岩震动诱发冲击地压发生机理

工作面上覆砾岩厚度较大时，附近采空区上方地表沉陷幅度小，岩层完整性好，抗变形能力强，有利于弹性变形能的储存。一旦坚硬顶板发生脆性断裂，猛然释放巨大弹性势能和重力势能，并以应力波的形式到达煤岩层自由面，造成自由面附近的煤岩体破坏并获得一定的动能，形成强烈的冲击力，使自由面附近煤岩应力瞬间升高诱发冲击地压。

设采掘空间周围煤岩体的初始应力为σ，岩体自重应力为σq；震动造成的附加应力为σ′，冲击地压发生的临界应力为σk，则砾岩断裂时震动诱发冲击地压的机理可描述为

(1)

根据已有的矿压理论可知，第i层关键岩层传递到一侧工作面前方的应力增量Δσi为[4]

(2)

式中，σimax为第i层关键层在采空区一侧煤体上产生的最大支承压力，MPa；Hi为第i层关键层厚度中心到煤层底板的距离，m；α为上覆岩层断裂角，(°)。

其中，

(3)

(4)

式中，I为采空区高度，m；Mi为第i层关键层厚度，m；Mj为第j层关键层厚度，m；Qi为第i层关键层在采空区悬露部分的一半重量，kN。

其中，

(5)

(6)

式中，Li为第i层关键层厚度中心位置在采空区的悬露长度，m；2I为采空区宽度，m；γ为岩层容重，kN/m3。

所以，由自重产生的应力为

(7)

综上可知，支承压力的估算公式由一组分段函数组成，即解算分段函数便可得到总支承压力：

(8)

2.2冲击地压实时在线-微震联合监测原理

临场建立以冲击地压(动态应力)实时在线监测-微震监测预警系统为主，其他手段为辅的监测系统，达到预防动力灾害发生的目的。大采深巨厚砾岩结构下采掘工作面，巨厚砾岩的传递应力占主导地位。当高位岩层缓慢沉降，煤体受到岩层和底板夹持作用应力持续增加，导致煤体发生破裂或岩层发生断裂，岩层断裂时，断裂支点位置产生震动，诱发冲击地压。因此，针对该类采掘工作面，监测煤体受力状态和大范围煤岩震动信息对预防冲击地压的发生至关重要。

在冲击地压矿井开采成本中，防冲成本占了很大的比重。而各种防冲措施的必要性和应用到何种程度、是否需要联合使用、防冲措施的具体参数等问题，一直没有明确的答案，通常只是通过工程类比进行施工，这是造成防冲成本增加且安全性难以保证的重要原因之一。

3冲击地压监测预警技术

监测的最终目的是为了防治冲击地压。冲击地压监测预警技术能够通过实时监测结果达到预警、优化开采设计、优化卸压措施等目的，保证采掘作业的安全。

3.1开采设计优化

巨厚砾岩结构下工作面回采后，采空区上方地表沉陷不明显，岩层出现大面积悬顶，对采空区外侧煤体的侧向支承压力峰值位置、支承压力峰值大小、低应力区范围、支承压力影响区范围、原岩应力区范围都产生不同程度的影响。因此，在不考虑砾岩悬顶结构情况下设计工作面宽度，不仅会增加采掘工作的冲击危险性、加重防冲任务，同时也会增加支护难度，影响正常生产。微地震监测系统能够及时反映顶板岩层的运动状态，进而确定出岩层移动角，设计人员再根据悬顶采空区侧向支承压力计算模型确定出采空区侧向支承压力变化曲线[5]，为巨型砾岩结构工作面的防冲开采设计提供依据。

3.2卸压措施优化

针对矿山压力显现较明显或应力在线监测系统预警的区域，常常采用大直径深孔卸压技术及深孔爆破技术进行解危处理。根据应力三向化转移原理[6]，对具有冲击地压危险的局部区域采用大直径钻孔进行卸压，能够保证自由面周围煤岩体处于低应力状态，形成低应力带。应力在线监测预警系统不但可以通过测点附近煤岩体的应力状态优化掘进工作面超前卸压孔的安全余量，还能对卸压参数进行优化，确保工作面的安全采掘。

针对义马矿区冲击地压的特点，首先通过微震监测系统对厚煤层开采后的上覆岩层断裂角进行理论计算，并应用到工作面支承应力计算模型，估算出高应力集中区间，优化工作面宽度，其次通过应力在线实时监测系统对防冲措施的具体参数进行优化，得到控制围岩应力增幅最有效、最理想的卸压参数，最后在现场试验，形成“断裂角确定—工作面宽度优化—应力在线云图曲线校验—防冲措施优化—有效性检验”的半定量防冲技术。

4现场试验

4.1掘进工作面冲击危险性评价

冲击地压的发生是不可预测的，但是能通过宏观、多因素耦合评价对待采掘工作面进行冲击危险性评价，可宏观或定性预测冲击危险区域及危险程度，为监测预警系统布置提供依据。宏观评价方法包括综合指数法和可能性指数法。根据21220掘进工作面地质条件和开采条件得到其冲击危险综合指数Wt=max{Wt1，Wt2}=0.79，属于强冲击危险性；根据可能性指数计算方法，通过21220掘进工作面可能危险性指数U=(UIc+UWet)/2=1，说明该掘进工作面发生冲击地压可能性非常大；整体来看，该掘进工作面在推进过程中冲击危险性高，需要警惕。

4.2冲击地压的测点布置

基于对21220掘进工作面的钻屑量实测分析，结合前期对巷道危险区域的圈定结果，制定测点的具体布置方案。该巷道共布置12组测点，每组2个(超前测孔和垂直深孔)，自掘进工作面处安装第一组测点，巷道每推进20 m，增加一组测点，直到巷道完成掘进。考虑到掘进速度，掘进迎头超前测孔应力计采用油管长18 m的应力计，滞后掘进工作面3～5 m，测孔沿煤层方向向工作面按30°倾斜，距离巷道底板0.5～1.5 m；同时滞后1 m布置18 m垂直深孔测点。煤层剖面钻孔见图2。

图2　煤层剖面钻孔示意

另外，微震检波器测点共布置8个。第一组微震检波器距离迎头不超过50 m，检波器前后间距初步定为50 m，可以根据现场测试效果进行调整。微震检波器安装在顶底板锚杆上，随着掘进面的推进，对检波器进行移组，实现循环监测。

4.3现场防冲措施优化

4.3.1工作面宽度及开切眼位置

根据微地震监测数据和地质资料，常村煤矿21220工作面临采空区的岩层断裂角为78°(图3)。

图3　大能量微震事件揭示的岩层断裂角

基于巨厚砾岩下特厚煤层支承压力估算模型分析跃进煤矿23050工作面开切眼支承压力、常村煤矿21220侧支承压力的影响范围及程度，为合理确定常村煤矿21220工作面宽度及开切眼位置提供依据。岩层断裂角为78°时支承压力分布见图4。

图4　岩层断裂角为78°时支承压力分布

估算结果显示，在距离23050开切眼61～139 m 掘进巷道具有冲击危险，考虑到安全系数、现场开采实际等因素，取21220工作面与跃进矿23050工作面之间煤柱宽度不小于150 m(优化前最小煤柱间距为102 m)；同理取工作面宽度为265 m。

4.3.2卸压钻孔参数优化

根据冲击危险性评估结果及现场监测数据，对该掘进工作面的卸压参数进行优化。具体结果见表1。

优化前后巷道帮部高度危险区卸压孔间距均是1 m，距底板1.0～1.5 m。卸压参数调整后监测的掘进迎头应力曲线见图5。可知，优化后的参数正好能够保证应力升高的帮部煤体及时得到卸压，实现了“有震无灾、有冲无伤”的特厚煤层冲击地压治理目标。

表1　卸压参数优化前后对比

图5　参数优化前后帮部煤体的应力曲线

5结论

(1)常村煤矿21220工作面下顺槽受到上工作面采空区侧向支承压力、跃进煤矿采空区上覆巨厚砾岩传递应力、下山煤柱区上分层工作面采空区外围支承压力、掘进扰动应力等综合因素的影响，具有强冲击危险性，需要在实践中提高警惕。

(2)在相向相邻井田采空区掘进时，根据微震监测数据优化岩石破裂角对工作面宽度及开切眼位置，计算得到21220工作面与跃进矿23050工作面之间煤柱宽度不小于150 m，工作面宽度取值265 m。

(3)根据冲击危险性评估结果及现场监测数据，对掘进工作面的卸压参数进行优化处理，21220掘进面帮部卸压孔深度优化后增加了5 m，掘进头优化为φ153 mm、深40 m卸压孔，成功指导现场施工,并取得了良好效果。

参考文献

[1]窦林名，何学秋.冲击地压防治理论及技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001.

[2]尹永明，姜福兴，朱权洁.掘进面冲击地压实时无线监测预警技术[J].煤矿安全，2014，45(3):89-91.

[3]姜福兴，曲效成，于正兴等.冲击地压实时监测预警技术及发展趋势[J].煤炭科学技术，2011，29(2):59-63.

[4]姜福兴，魏全德，王存文，等.巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理分析[J].煤炭学报，2014，39(7)：1191-1196.

[5]徐学锋，窦林名，刘军，等.动载扰动诱发底板冲击矿压演化规律研究[J].采矿与安全工程学报，2012，29(3):334-338.

[6]刘金海，姜福兴，王乃国，等.深井特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31(5)：922-927.

(收稿日期2015-11-15)

翟建博(1989—)，男，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。