基于震动波CT探测的冲击地压危险性分析及防治实践

程 刚，梁开山，辛崇伟，孙 伟，韩 亮，张 健，张立明

(1.山东省滕东生建煤矿，山东 枣庄 277500；2.北京安科兴业科技股份有限公司，北京 102200；3.华北科技学院，河北 廊坊 065201；4.新汶矿业集团有限责任公司生产技术部，山东 泰安 271233)

冲击地压是指井巷或者工作面周围煤岩体，由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象，常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象。它具有很大的破坏性，是煤矿重大灾害之一[1]。

开采之前的预评价与开采过程中的监测与检验是冲击地压治理过程中的重要手段和方法[2]，特别是回采工作面的防治。但是评价是基于历史数据和地质资料的静态评价，难以预测到构造活化、以及采动应力的变化规律和幅值，实时的监测预警能够补充和完善静态评价的不足[3]。当前冲击地压比较成熟的监测手段主要是微震监测、应力监测、钻屑法等，近年来微震监测技术发展较快[4-6]，其中利用震动波反演可以得到煤岩体的应力变化状态，该技术已经逐渐应用于冲击地压矿井的预测预报[7-11]。

矿山震动波CT技术是通过布置在巷道中的震动检波器，接收震源信号，通过对震动波各种震相的运动学(走时、射线路径)和动力学(波形、振幅、相位、频率)资料的分析，进而反演出煤岩体内部地质构造、应力、煤厚变化的异常区分布，可为煤矿生产过程中开采设计、动力灾害预测预报、防治效果检验及安全措施制定等提供参考依据[12-15]。本文将该CT探测技术应用于受到采动及构造影响的具有强冲击危险的工作面，分析工作面前方煤体应力集中程度，对探测区域的异常带进行预判，回采前采取针对性措施，实现安全回采。

1 工作面概况

滕东生建煤矿3下113工作面长920m，宽150m，呈平缓单斜，局部起伏明显，采深930～990m，工作面煤厚2.4～6.5m，平均4.2m，工作面煤厚变化明显，顶板细砂岩20.46m，硬度较大，底板多为泥质砂岩，掘进中揭露19条断层，推进末期会经过向斜轴部区域，构造较复杂。工作面北部为未开采的3下115工作面，南部为3下103工作面、3下105工作面、3下107工作面采空区，3下107工作面采空区距离3下113回风巷59m；为提高煤炭回收率，对切眼设计进行了更改；巷道沿煤层底板掘进；采煤方法为一次采全厚放顶煤开采，工作面基本布置情况如图1所示。

图1 工作面布置情况图

2 危险区评价

3下113工作面综合地质条件较为复杂，经鉴定煤层、顶、底板均具有强冲击倾向性，工作面主要受DF24、DF19、F113-9、F113-13等断层(最大落差大部分在1.5～2m以下，F113-13断层最大落差5m)影响，主要危险区位于工作面初次来压、单见方及回风巷侧60m煤柱区域。

根据工作面冲击地压危险性的综合指数法，3下113工作面冲击地压危险等级为强冲击危险性；根据工作面冲击地压发生可能性指数诊断法，诊断该工作面发生冲击地压的可能性指数为1，即能够发生冲击地压。整体来看，该工作面冲击危险性较高。

2.1 CT探测实验

结合开采前的静态危险区评价结果分析，认为原切眼前后为回采的冲击危险关键期，受断层、煤柱及见方综合影响，故围绕原切眼进行了三次探测，探测区域分布如图2所示。

图2 探测区域分布

2.1.1 第一次探测区域及方案

该次探测区域以原切眼为初始位置，向新切眼方向超前原切眼5m开始布置接收端和激发端，接收端共布置8个拾振器，其间距设计为17m，激发端布置28个炮点，间距为5m。

2.1.2 第二次探测区域及方案

该次探测区域仍以原切眼为初始位置，向停采线方向超前原切眼5m开始布置接收端和激发端，接收端共布置8个拾振器，其间距设计为17m，激发端布置28个炮点，间距为5m。

2.1.3 第三次探测区域及方案

该次探测区域以超前原切眼145m为初始位置开始布置接收端和激发端，接收端共布置8个拾振器，间距设计为17m，激发端布置28个炮点，间距为5m。

2.2 探测结果

2.2.1 第一次探测结果分析

该区域波速场总体处于较高水平，其最高波速区域分布在靠近新切眼附近位置，超前新切眼约20m，距回风巷和运输巷煤壁深度约40m，具体如图3中Ⅰ区域所示，该区域与F113-14断层、F113-16断层具有较高的重叠度，判断造成该区域应力集中程度相对较高的原因与断层交汇具有直接的关系。上述区域附近紧邻低波速区，存在较大的波速梯度，即上述区域存在较高的冲击危险性。

在运输巷靠近原切眼位置至回风巷侧原切眼与新切眼中间位置存在波速异常升高的条状区域，如图3中Ⅱ区域所示，该区波速值显著低于其周边，认为该区域内可能存在尚未揭露的断层结构。

图3 第一次探测波速分布云图

2.2.2 第二次探测结果分析

第二次探测波速分布情况如图4所示，由图4可知，高波速区域分布在靠近回风巷一侧超前原切眼50～105m范围左右，该区域受内部断层F113-11与F113-12、周边断层DF19共同作用，DF19断层落差大，且趋近回风巷，造成该区波速较高，应力集中程度较高。

3下113工作面推进度超过原切眼78m左右进入60m煤柱的影响范围，由进入煤柱影响区开始，直至超前原切眼105m范围内，轨道巷的生产帮和非生产帮都将具有较高的应力集中程度，需要提前进行卸压解危处理。

图4 第二次探测波速分布云图

2.2.3 第三次探测结果分析

第三次探测波速分布情况如图5所示，由图5可知，总体波速呈现出较为均匀的分布特征，出现了1条疑似连续的高波速带和1条疑似连续的低波速带，认为其内部存在连续异常结构。同时出现高速和低速的疑似波速带有可能为尚未揭露的断层结构。

图5 第三次探测波速分布云图

2.3 潜在危险区及构造区分布

断层及煤柱是工作面应力显著影响因素，结合三次探测结果分析，得到回采中潜在重点关注危险区3处及可能未揭露断层，如图6所示。

图6 潜在危险区及断层分布图

潜在危险区具体如下：

1)危险区A：该区域受断层交汇影响，有相对较高的应力集中程度，其分布位置为靠近新切眼侧，距离新切眼煤壁20m，距离回风巷和运输巷煤壁深度约为40m。

2)危险区B：该区域为新增工作面部分靠近原切眼部分，新增部分在回采后期将形成四面临空的孤岛煤柱，其范围初步划定为超前新切眼90m范围至原切眼之间的全部煤体，该部分煤体应力集中程度届时将大幅度提升，具有较高的冲击危险性，需要专门的卸压解危措施，实现充分卸载后方可安全回采，该区域危险程度较其他重点关注区域高。

3)危险区C：该区域位于靠近回风巷一侧超前原切眼50～105m范围左右，受其范围内F113-11与F113-12断层及附近的DF19断层影响，具有较高应力集中程度，且南侧为3下107采空区，二者间隔60m煤柱，工作面进入该区域时，回风巷的生产帮和非生产帮都将具有较高的应力集中程度，有必要在工作面接近该区域时提前进行充分的卸压解危。

3 危险区应对措施

针对潜在危险区域，在工作面接近上述区域之前进行充分的卸压解危，采用大直径钻孔卸压、煤层卸压爆破相结合的措施对于上述区域进行充分的卸压解危，卸压范围覆盖危险区域两帮，对于留底煤区域应当进行专项处理。

3.1 回采面大直径钻孔卸压措施

对A、B、C冲击危险区采用大直径钻孔卸压，引起巷道围岩高应力深部转移，使巷道围岩处低应力区。发生冲击时，大直径钻孔可吸收冲出的煤粉，防止煤体冲出；顶底板的闭合产生“楔形”阻力带防止煤体冲出。

卸压实施参数：钻孔深度与煤层厚度有关，钻孔间距与钻孔直径有关。若煤层厚度小于5m时，卸压钻孔深度不小于20m；若煤层厚度在5～8m，卸压钻孔深度不小于25m，卸压孔间距均为1m。大直径卸压钻孔倾向剖面图如图7所示。

图7 大直径卸压钻孔倾向剖面示意图

3.2 深孔爆破卸压

深孔爆破卸压引起支承压力峰值向煤岩体深部转移，达到在巷道或工作面附近卸压的目的，主要针对危险区B、C内的断层煤柱区。

爆破卸压参数：巷道爆破卸压中，按照需要设置多个爆破钻孔，爆破钻孔深度8.0～10.0m，孔间距5m，孔径Φ42mm，钻孔斜向上3°～5°，钻孔距离地板1.2m，装药量为1/4～1/2(500mm一个药卷，需要4～10个药卷，正向安装)，一次最多起爆5组爆破孔，巷道爆破卸压钻孔布置如图8所示。

图8 巷道爆破卸压钻孔布置示意图

3.3 开采前断底卸压

对留底煤区域及时实施断底卸压处理，破坏底煤的整体性。对A、B、C危险区的留底煤区进行底煤厚度排查：小于1.0m时，实施底板大直径钻孔卸压；大于1.0m时，实施爆破断底。

4 应用效果检验

对危险区实施卸压解危措施后，必须要进行效果检验。在达到预期效果或冲击危险解除后，才可进行回采。卸压效果检验使用钻屑法，配合应力在线监测系统及微震监测系统。

4.1 微震监测系统

利用微震监测系统，通过分析危险区卸压后围岩微震事件分布特征，判定回采近危险区、经危险区的微震事件分布、集中情况。根据震动活动的扰动影响、频次能量区域密度检验危险区的卸压解危效果。

4.1.1 回采至危险区前后频次、能量分析

2017年7月13日至12月30日微震频次、能量关系曲线如图9所示，由图9可知，新切眼煤壁20m，靠近轨道巷，即初次来压阶段，据初采至距新切眼30m(日期：7月30日—8月10日)的微震分析可知：频次、能量相对较低，呈逐渐上升趋势。

图9 微震频次、能量关系曲线

超前新切眼90m范围至原切眼之间的全部煤体，对应距新切眼80～170m(日期：8月30日—10月20日)的范围。工作面距新切眼40～110m范围(日期：8月10日—9月10日)为事件高发区，频次及能量普遍较高，随后呈下降趋势，危险区B在距新切眼80～110m范围微震频次及能量较高。

近轨道巷距新切眼210～270m范围，距新切眼210～270m(日期：11月10日—12月20日)的微震分析结果：频次、能量较低，变化平稳。

4.1.2 卸压效果的微震事件检验

回采至危险区A、B、C前后微震事件投影如图10所示，由图10可知，初采至距新切眼30m范围，微震事件在危险区A分布较少，事件多分布在靠近运输巷区域，卸压效果较好。

回采至距新切眼80～170m范围，微震事件在危险区B分布相对较多，说明对危险区B的解危措施并不彻底，冲击危险并未解除，因此对B危险区需进行了二次卸压处理。

回采至距新切眼210～270m范围，微震事件在危险区C分布相对较少，卸压效果较好。

图10 回采至危险区A、B、C前后微震事件投影

4.2 应力监测系统

利用应力在线监测系统，得到卸压区域内钻孔应力实时变化情况。选择近危险区的6组深/浅应力计，监测回采至危险区(卸压后)前后应力变化。

A区：回风巷距新切眼25～30m范围应力较高，最高达7.5MPa，但未预警。

B区：回风巷距新切眼135～145m、145～147m范围应力较高，距新切眼140m红色预警，应力值15MPa，距新切眼147m黄色预警，应力值11MPa；运输巷距新切眼90～110m范围应力较高，距新切眼110m黄色预警，应力值9.5MPa。

C区：回风巷距新切眼105～110m范围应力较高，未预警；运输巷应力无变化。

根据应力系统监测结果可知，危险区A和C卸压后应力变化较平稳，危险区B需进一步监测并卸压，保证回采安全。应力监测结果与微震监测结果较一致。

5 结 论

1)对于3下113工作面，断层为应力集中程度主要影响因素。根据冲击危险性评价及三次CT探测结果，得到三个危险区：距新切眼20m且距回风巷和运输巷煤壁深度40m区域(危险区A)、超前新切眼90m至原切眼区域(危险区B)、靠近回风巷一侧超前原切眼50～105m区域(危险区C)。

2)针对CT探测得到的应力异常危险区，采用大直径钻孔卸压、煤层爆破卸压等措施进行解危处理，回采中采用应力、微震等多种监测手段对应力状态及时分析判断，实施针对性的卸压解危措施。监测预警结果表明，危险区A和C卸压解危措施效果较好，危险区B解危措施效果不明显，微震与应力监测结果较一致。

3)通过本次实践认为，在冲击地压危险性评价中，CT探测是静态评价的有力补充，能提供更为详尽的应力异常区信息，对指导现场防冲工作具有重要意义，建议有条件的冲击地压矿井开展该项工作。