沈 伟 张运国 韩云增
(1.中国中煤能源集团有限公司,北京 100120;2.山东能源枣矿集团七五生建煤矿,山东 微山 277600)
煤体应力监测是通过传感器对煤岩体内部应力变化进行监测,以确定煤岩体中支承压力相对大小,是测量因采动影响煤层或岩层内部应力场变化、研究采场动压作用规律的重要手段之一。根据监测数据整理、绘制煤岩体内部应力变化曲线,预测、预报煤岩体内支承压力变化规律,为制定动力灾害防治方案提供科学依据。但是在工程实践中,由于煤体应力监测数据量大,趋势性变化与个性化突变并存,监测数据分析缺乏系统性,距离指导工程实践仍有差距。基于煤体应力监测在回采工作面动力灾害防治中的重要作用,2018年开展了田陈煤矿3下7123工作面冲击地压防治工作研究,以该工作面应力监测数据为基础,从工程实践应用的角度,分析了44个应力测点150119个监测数据,给出了几种煤体应力监测应用实例,以供借鉴。
回采工作面超前支承应力影响范围是决策超前支护距离的重要因素,煤体应力监测数据能够直观反映煤体应力变化趋势。以田陈煤矿3下7123综采工作面为例,该面两巷均安装了煤体应力监测系统,以工作面推采位置与煤体应力传感器距离为横坐标,煤体应力传感器数据为纵坐标,绘制46个测点对应关系曲线如图1所示。根据图1可以看出,在超前工作面75m位置,部分应力计监测数据出现缓慢上升趋势,89%的应力计监测数据均在超前工作面40m位置附近开始发生明显波动,仅有37#、38#、42#、44#、45#测点在超前工作面40m以外出现明显波动。结合矿压理论分析认为,该工作面超前支承应力集中范围主要分布在超前40m范围内,因此工作面超前加强支护距离不应小于40m。
图1 超前支承应力演变监测曲线图
目前应力监测预警指标多选用应力值,监测数据超过某一应力值时即进行冲击危险预警。但是在实际应用中,往往只制定一个预警指标,没有将超前支承应力影响区与动压扰动影响区区别。实践过程中,应力监测频繁预警,人为制造了冲击地压灾害恐慌气氛,增加了工程量。因此,笔者结合工程实践应用,将每类指标选取分为两个区间,通过不同区间应力监测数据变化进行综合预警。
煤体应力最大值统计按照两个区间,分为超前支承应力影响范围内及超前支撑应力影响范围外。以田陈煤矿3下7123综采工作面为例,在超前支承应力影响范围内,以1MPa为区间,统计44个有效煤体应力传感器最大值在每个区间内个数,以煤体应力传感器数据为横坐标,以统计区间内最大值个数为纵坐标,绘制对应关系曲线如图2(a)所示。在超前支承应力影响范围外,动压扰动影响区内以1MPa为区间,统计45个有效煤体应力传感器最大值在每个区间内个数,以煤体应力传感器数据为横坐标,以统计区间内最大值个数为纵坐标,绘制对应关系曲线如图2(b)所示。结合不同影响区内最大应力监测分布图所示曲线,以明显非对称突变点作为主要参考指标,结合饼状图不同区间最大应力占比,超前支承应力集中区内最大应力监测预警值取10MPa,动压扰动影响区内最大应力监测预警值取8MPa。由于上述监测预警指标是在数据统计基础上选取的,实际应用中还应结合现场动压显现情况及应力与震动对应情况等及时调整实际预警值,但调整后的预警值不应高于数据统计分析预警值。另外,还可以参考此方法,对应确定应力监测数据小时内增速预警值。
图2 不同影响区内最大应力监测分布图
围绕监测数据分析成果工程实践应用,田陈煤矿3下7123工作面与3下7118工作面超前支护均设计采用三排单体液压支柱,超前支护距离40m,有效维护了回采工作面安全出口,顶底板移近量控制在了400mm以内,取得了较好的效果。同时,根据应力监测数据变化,分区域多次进行冲击危险预警,指导开展了大孔径钻孔预卸压措施,在杜绝冲击地压事故发生的前提下,避免了超前支承应力集中区频繁预警,大幅减少了冲击危险预警次数。
(1)根据煤体应力监测数据变化,确定了工作面超前支承应力集中区分布在距离工作面0~40m范围内,峰值区在距离工作面5~15m范围内,并根据分析结果设计工作面超前支护距离。
(2)根据不同位置不同测点煤体应力监测数据最大值分布区间,确定了不同区域冲击危险应力预警值,超前支承应力集中区内最大应力监测预警值取10MPa,动压扰动影响区内最大应力监测预警值取8MPa。
由于上述结论是基于工程实践应用,更多的是集中在工作面,对于类似条件相邻工作面具有较为显著的实际意义。但是,对于非临近区域及类似地质开采条件的回采工作面,其数据不具备普适性,读者可以借鉴本文数据分析方法,划定超前支承应力集中范围,结合现场动压显现及应力与震动对应情况等,确定不同冲击危险预警值。