强矿压工作面多参量综合监测预警技术的研究与应用

段文超

(山西晋城煤业集团 勘察设计院有限公司， 山西 晋城 048006)

煤炭资源作为我国赖以发展的主要能源之一，有着不可替代的地位。近年来，机械化作业水平的快速进步促使煤炭产量有了大幅度的提高，浅部煤炭资源走向枯竭。进入深部开采后，由于煤层埋深加大，上覆岩层所带来的应力也进一步增加，导致深部煤炭开采存在较大安全隐患，其中最为显著的是矿压强度增加带来的一系列安全问题[1-2]. 如何针对这一问题进行监测预警，进而提前采取措施消除隐患，降低矿山事故发生的可能性，为本文研究的主要侧重点。

1 工程地质概况

河南能源义煤集团跃进煤矿坐落于义马市区南部2 km位置处，是一座冲击地压矿井。跃进煤矿自2010年后每年原煤产量突破170 Mt，井田内煤田沿走向长为3.8～6.9 km，沿倾向宽为2.0～3.9 km，井田整体面积大约为21.4 km2. 井田内主采2-1#煤层，厚度为7.4～13.8 m，平均厚度为10.6 m，倾角为5°～15°，平均倾角为10°，属于缓倾斜特厚煤层赋存条件。目前该矿井已经进入深部煤层开采阶段，本文以典型的25110采煤工作面为工程研究背景，其平面布置情况见图1.

图1 25110采煤工作面平面布置图

由图1可知，25110采煤工作面一侧为已经开采完毕的25090工作面采空区，另外一侧为实体煤。25110采煤工作面地表标高为+551～+596 m，工作面标高为-390～-452 m，平均埋深接近1 000 m，属于深井采煤工作面。由于该采煤工作面开采深，上覆岩层自重对于工作面回采的影响较大，且25110工作面回采期间发生多次强矿压显现情况。

主采2-1#煤层的冲击倾向性为强冲击倾向性，属于强冲击危险工作面。对于25110采煤工作面的安全评价结论进一步证实了该工作面具有冲击危险性。因此，为了防止25110工作面后续开采期间发生冲击地压事故，有必要采用多种监测手段对工作面回采期间的矿压显现程度进行实时监测预警。

冲击地压的诱发机理大致可分为煤层诱发型和顶板诱发型两类[3-4]，见图2.

图2 工作面严重矿压显现诱发示意图

由图2a)可知，在25110采煤工作面回采期间，煤体内因为工作面埋深较大以及开采引起的高应力集中将会在煤体内积聚较高的弹性应变能，进而存在煤体瞬间失稳诱发冲击破坏的危险性。由图2b)可知，在25110采煤工作面开采期间，工作面上方厚硬顶板的破断将会产生较大的动载荷，动载荷以弹性应力波的形式传播至工作面采掘空间周围煤体内时，将会与煤体内原本积聚的一定程度的静载荷叠加作用而导致煤体瞬间失稳诱发冲击破坏的危险性。针对图2a)所示的煤层诱发型矿压显现可以通过对煤层预先施打大直径卸压钻孔、煤层注水等措施转移煤体内积聚的高集中静载荷;而针对图2b)所示的顶板诱发型矿压显现则需要在采煤工作面的整个回采期间进行实时监测，通过一系列相关参量的监测结果，实现对于顶板来压的监测预警，进而及时采取相应的措施来消除顶板诱发型矿压显现对采煤工作面的安全高效生产带来的潜在隐患。

2 顶板破断力学分析

将25110采煤工作面平面布置图简化为三边固支、一边简支的薄板平面结构[5]，关于其受力情况见图3.

图3 工作面薄板平面受力简化模型图

根据图3所示，工作面薄板平面受弯矩力情况可以通过如下公式计算得到：

(1)

式中:

a—采煤工作面的回采推进距离，m；

b—采煤工作面的宽度，m；

μ—泊松比；

q—工作面薄板上覆软弱夹层对其施加的均布载荷大小，MPa.

通过对式(1)求导可知,工作面薄板内弯矩最大值通常位于工作面宽度的中间位置处，即工作面沿中间位置最易发生破断。而工作面宽度中间位置处沿推进方向做剖面，可以对工作面回采期间顶板的破断运移状态进行分析，见图4.

根据图4所示，随着工作面的回采，其顶板呈现出图4a)、b)、c)、d)4个步骤，并且会周而复始的依次循环这4个步骤，进而导致工作面回采期间顶板呈现出周期来压的特点，而正是周期来压的存在，导致工作面在来压期间存在因为动静载荷叠加作用而诱发严重矿压显现的危险性。针对顶板随着工作面回采而呈现出的周期来压特点，可以通过一系列的参量监测来对其进行监测预警。

3 多参量综合监测预警技术

3.1 工作阻力参量监测

25110采煤工作面回采期间，通过作业面内液压支架上所安装的矿用数字压力计可以实时对液压支架的工作阻力进行监测。分别在作业面上部、中部和下部的液压支架上各安装4组、5组和4组矿用数字压力计。矿用数字压力计布置情况见图5.

图5 作业面内矿用数字压力计布置示意图

现场随着25110采煤工作面的推进而监测到的工作阻力数据情况见图6.

图6 工作阻力参量监测数据图

图6所示为随着25110采煤工作面的推进而监测到的工作阻力数据平均值，可以看到，随着工作面的回采推进，工作阻力数据平均值呈现出周而复始的峰值—峰谷波动曲线，这也较好地验证了前面理论分析的正确性。可以依据工作阻力数据平均值相邻峰值之间的距离计算出顶板的周期破断步距，进而为工作面后续的回采提供参考依据。当工作面的推进距离接近于顶板的周期破断步距时，就要及时采取措施，保证工作面不受顶板破断影响，持续安全高效开采。

3.2 微震参量监测

对25110采煤工作面2011年8月9日周期来压前、中、后期间的微震参量进行监测，见图7.

图7 微震参量监测数据图

图7所示为通过SOS微震监测系统对25110采煤工作面某一次周期来压期间的能量事件的监测结果，图中所示能量事件的大小由不同的能量球大小来表示，能量球直径越小，对应的能量也越小，反之能量球直径越大，对应的能量也越大。由图7a)可知，周期来压前开始出现较大能量事件(能量事件最大值为2.3×105J)；由图7b)中可见，周期来压时出现特大能量事件(能量事件最大值为1.9×106J)；而由图7c)中可见，周期来压后能量事件中不存在较大能量事件和特大能量事件(能量事件最大值为4.8×104J)，说明顶板周期破断时为能量释放的主要时间节点。综上分析可知，顶板周期来压期间存在能量的释放，且主要集中在周期来压的前、中期阶段，这也表明在顶板发生周期破断来压前就应该及时采取措施，保证工作面不受顶板破断所带来的动载荷能量影响。

3.3 电磁辐射参量监测

为了更好地对25110采煤工作面回采期间的安全性进行评价，及时发现潜在的危险隐患，可以对顶板来压期间25110采煤工作面宽度的中间位置进行电磁辐射监测[6]，典型电磁辐射参量监测结果见图8.

图8 电磁辐射参量监测数据图

图8所示的3次典型周期来压期间的电磁辐射参量表明，周期来压时电磁辐射强度值将显著增高并达到峰值，这表明顶板周期来压时25110采煤工作面宽度的中间位置处煤体内所积聚的能量值将发生显著的增高，存在潜在的诱发冲击的危险性，需要及时采取卸压解危措施。

通过工作阻力参量、微震参量和电磁辐射参量，从不同的角度对25110采煤工作面回采期间顶板发生周期性破断时的参量变化进行了分析，均能从某一角度较好地反应出顶板周期破断时参量的显著变化情况，进而及时采取措施。多参量综合监测预警技术的应用能够更加全面地对25110采煤工作面回采期间的矿压强度进行实时监测。多年来，该工作面未发生严重的冲击地压事故。

4 结 论

1) 采煤工作面回采期间所面临的比较严重的矿压显现问题，从诱发因素分析大致可归纳为两类，即煤层诱发型和顶板诱发型矿压显现。其中，顶板诱发型矿压显现则需要通过一系列相关参量的监测结果，实现对于顶板来压的监测预警。

2) 邻近采空区的接续工作面开采可以将其顶板视为三边固支、一边简支的薄板平面结构，且工作面薄板内弯矩最大值通常位于工作面宽度的中间位置处，即工作面沿中间位置最易发生破断。

3) 通过工作阻力参量、微震参量和电磁辐射参量，从不同的角度对采煤工作面回采期间顶板发生周期性破断时的参量变化进行了分析，均能从某一角度反应出顶板周期破断时参量的显著变化情况，进而保证工作面不受顶板破断影响，持续安全高效开采。