综放工作面冲击危险性评价及监测防治技术研究

苏 越，高健勋

(1.中煤国际工程设计研究总院有限公司，北京 100120；2.中煤科工集团北京华宇工程有限公司，北京 100120；3.华能煤炭技术研究有限公司，北京 100070)

冲击地压已经成为影响矿井安全生产最为严重的动力灾害[1，2]。而冲击危险性评价则是将冲击地压动力灾害能量本质具象化的关键环节，其包含的冲击危险区域识别和冲击危险等级划分等内容对于防控措施科学设计和有效实施都具有无可替代的支撑作用[3-5]。目前用于冲击危险预评价的方法主要有综合指数法、地质动力区划法、多因素耦合法等。其中，《防治煤矿冲击地压细则》中推荐使用综合指数法进行冲击危险性评价，该方法可以从宏观上掌握目标区域的冲击危险程度[6，7]。因此，也成为目前应用最为广泛的冲击地压危险性评估方法。

目前针对冲击地压的监测预警方法主要有微震监测、地音监测、支架压力监测等[8]，其中微震系统由于其可实时监测矿井大范围内煤岩体断裂的震源位置及能量，故被广泛应用于有冲击地压危险的矿井中。已有大量学者针对冲击地压发生前后微震的前兆信息演化规律进行了研究[9-11]。夏永学等[12]为了提高煤矿冲击地压预测预报水平，以天然地震预测预报的研究成果为理论基础，采用R值评分法对选取的5个冲击地压危险预测指标的预测效能进行分析。张传玖等[13]以宽沟煤矿具体综放工作面为研究对象，通过分析不同能级微震事件的空间分布特征及前兆预警指标的时序演化规律，以此提出有针对性的防冲措施。张国华等[14]通过分析微震信号的时频特征得到工作面冲击地压前兆特征，并以此为依据设定了煤矿冲击地压预警指标。同时在冲击地压主动治理解危方面，众多学者也取得了丰硕的成果[15-17]。王正义等[18]以甘肃窑街三矿为工程背景，建立起“顶板深孔预裂爆破—控制动载、巷帮与底煤爆破+大直径钻孔卸静载”的成套冲击地压防治技术。于贵良等[19]以急倾斜特厚煤层水平分段开采工作面为研究对象，采取切顶爆破、煤体爆破等技术手段对顶板及煤体进行卸压措施，保障了强冲击地压工作面的安全生产。王博等[20]针对我国西部深井工作面区段煤柱过宽诱发冲击地压的现象进行研究，提出了大直径斜交卸压孔的防冲技术，保证了工作面安全高效回采。

根据青岗坪煤矿4煤的冲击倾向性鉴定结果，4煤及其顶板具有弱冲击倾向性，底板无冲击倾向性。为保证青岗坪煤矿4煤工作面回采期间安全作业，以青岗坪煤矿42108工作面为工程背景，基于冲击危险综合指数法对工作面冲击危险性进行评价，同时提出相应的监测及防治技术方案。

1 工程概况

1.1 工作面布置及周边位置

青岗坪煤矿采用斜井开拓方式，大巷布置在42煤层中，共划分为2个采区，42108工作面运输巷布置在42煤层中，工作面位于一采区东翼，东为井田边界保护煤柱(东侧无相邻矿井)，南为42106采空区，西为一采区三条大巷保护煤柱，北为未开采区，如图1所示。该工作面回风巷设计长度为1540m，运输巷设计长度为1505m，42108工作面切眼设计从轨道巷开窝，切眼长度150m，沿42煤层底板布置，设计留底煤厚度不大于0.4m，可采长度1360m，倾向长度150m。煤层总厚度平均14.86m，倾角0°～5°。采用综采放顶煤采煤法开采工作面，42108工作面终采线至一采区大巷煤柱净宽度为80m，42108工作面区段煤柱净宽度为20m。在42108工作面回采期间，42106采空区造成的侧向支承压力及顶板未稳定期间的动载扰动，将对42108回风巷的冲击危险性形成较大影响。工作面煤岩情况如图2所示。

图1 青岗坪煤矿42108工作面布置

图2 42108工作面煤岩情况

1.2 冲击倾向性鉴定结果

根据《青岗坪煤矿4煤煤岩冲击倾向性鉴定报告》显示：4煤上分层、中-上分层、中-下分层、下分层冲击倾向性类别为Ⅱ类，即弱冲击倾向性；4煤顶板岩层的冲击倾向性类别为Ⅱ类，即弱冲击倾向性；4煤底板岩层的冲击倾向性类别为Ⅰ类，即无冲击倾向性。煤层及煤层顶底板冲击倾向性鉴定结果见表1、表2。

表1 青岗坪煤矿4煤冲击倾向性鉴定结果

表2 青岗坪煤矿4煤顶底板冲击倾向性鉴定结果

2 42108工作面冲击危险综合指数法评价

2.1 冲击危险等级评价方法

在分析已发生的冲击地压灾害的基础上，分析各种地质因素及采矿技术因素对冲击地压事件发生的影响，基于综合指数法，确定各地质及采矿技术子因素的权重。以此更加科学地评判冲击地压对矿井安全生产的影响。

Wt=max{Wt1，Wt2}

式中，Wt为工作面的冲击地压危险状态等级评定综合指数；Wt1为地质因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数，考虑开采深度等7项指标；Wt2为采矿技术因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定的指数，考虑工作面距终采线的垂直距离等11项指标。

采用综合指数法评价冲击危险性等级时，根据工作面实际条件分别确定Wt1、Wt2，具体见式(2)、式(3)。取二者之间较大值作为预测区域的综合指数，然后确定预测区域的冲击危险性等级。

2.2 42108工作面冲击危险性等级评价

根据矿井提供的地质资料及所采煤岩层的冲击倾向性测定结果，确定工作面地质因素评定值，并对其评定结果进行计算，最终确定的42108工作面回采期间地质因素评价结果见表3。根据表3确定的42108回采工作面地质因素评价结果，确定地质因素影响下的冲击地压危险指数Wt1为0.38，从地质因素影响看，42108工作面具有弱冲击危险性。

表3 42108工作面回采期间地质因素评价结果

根据42108工作面开采技术条件，确定开采技术因素影响下的冲击地压危险指数。42108工作面回采技术因素见表4。计算得到工作面开采技术因素影响下的冲击地压危险性指数Wt2为0.28，具有弱冲击危险。

表4 42108工作面回采技术因素评价结果

综合以上地质因素与采矿技术因素对冲击地压的影响程度及冲击地压危险状态等级评定：

Wt=max{Wt1，Wt2}=max{0.38，0.28}=0.38

综合上述评价结果，42108回采工作面为弱冲击地压危险工作面。

3 42108回采工作面冲击地压危险监测方案

3.1 冲击地压危险监测预警体系

由于冲击地压发生力源既有来自顶板的冲击动载，又有煤体内的集中静载，并且两种冲击能量在产生原理及能量分布尺度上各不相同，因此不能通过单一的检测手段进行全面监测，因此必须采用多参量的综合监测方法，建立区域与局部相结合的冲击危险性监测方案，提出对静载与动载同时监测的思路，区域监测采用微震监测系统，局部监测采用钻屑法及电磁辐射监测。以此从时间维度上形成“综合分析—即时监测预警”，从空间维度上形成“区域预测—局部监测—点预测”相结合的监测预警技术方案，从而有效掌握冲击危险区的分布，为采取有针对性的解危防治措施提供依据，冲击地压危险监测预警体系如图3所示。

图3 42108工作面冲击地压危险监测预警体系

3.2 区域监测方案

采用微震监测法对42108工作面进行区域监测，目前青岗坪煤矿已安装运行了覆盖全矿井的KJ648B微震监测系统。在42108工作面回采期间，设计1台6通道微震监测分站及外接6支GZC5型单轴微震传感器。根据观测到的微震能量水平、震动位置变化规律，可捕捉到冲击危险前兆信息，并进行冲击危险预警。

在42108运输巷距切眼50m、150m、250m处巷道工作帮布置3个监测点，在42108轨道巷距切眼80m、180m、280m处巷道工作帮布置3个监测点，共6个监测点，每个监测点布置1个微震传感器，随着工作面推采，当工作面切眼距台网中最近的微震传感器40m时，将该传感器回撤300m，以此类推，始终保证台网中微震传感器距工作面切眼最远距离不大于340m。

3.3 局部监测方案

42108工作面局部监测主要采用电磁辐射法和钻屑法。工作面回采期间电磁辐射法监测点布置如图4所示。布置区域：测点覆盖超前支护100m范围。监测范围及频率：每周至少监测3次，当有应力显现明显时，每天监测一次。

图4 工作面回采期间电磁辐射法监测点布置

针对42108工作面电磁辐射监测存在较高冲击危险的区域，采用钻屑法对该区域进一步进行重点监测。以确定煤体中的应力状态和冲击地压危害的危险程度。42108工作面钻屑监测孔布置如图5所示。

图5 42108工作面钻屑监测孔布置

4 工作面冲击地压防治方案

4.1 工作面超前卸压方案

4.1.1 帮部大直径钻孔卸压

根据相邻工作面理论及实践研究表明，青岗坪煤矿一采区工作面前方200m范围左右的超前支承压力影响区是防治的重点。分别在该区域两巷生产帮煤体实施大直径卸压钻孔。钻孔的具体布置参数为：钻孔布置超前工作面不低于200m，钻孔垂直于实体煤帮，距离底板0.5～1.5m，钻孔孔径不小于150mm，孔深不小于25m，孔间距为2.0～3.0m。

钻孔施工完毕后，根据现场实际情况使用“水泥+煤泥”或黄泥进行封孔，封孔长度为3m。如应力集中明显或卸压不充分可加密卸压孔再次卸压，直到冲击危险明显降低，煤体大直径钻孔布置方案如图6所示。

图6 煤体大直径钻孔布置方案

4.1.2 底板大直径钻孔卸压

在42108工作面巷道超前30m范围内，每隔3.0m在工作面底板施工大直径卸压钻孔，钻孔直径不小于150mm，施工深度为入岩0.5m，巷道底角垂直于煤帮斜向下45°施工。钻孔施工完毕后，根据现场实际情况使用“水泥+煤泥”或黄泥进行封孔，封孔长度为1m。当预卸压效果不够明显时，可在原钻孔之间进一步加大卸压密度。现场可根据实际情况优化钻孔布置参数，以保证卸压效果。钻孔布置如图7所示。

图7 工作面底板大孔径卸压钻孔布置

4.2 工作面回采期间解危方案

4.2.1 煤层-底板钻孔解危卸压方案

解危钻孔施工区域应为现场监测分析有冲击危险区域或现场观测有冲击显现的区域。钻孔参数为：钻孔直径不大于125mm；钻孔深度大于预卸压钻孔深度5～10m；解危钻孔间距采用由大到小的步骤确定，首先以钻孔间距为1.0m进行施工，若施工完第一轮钻孔后没有消除冲击危险，在第一轮钻孔中间补打钻孔，进行第二轮钻孔施工，若三轮以上施工后仍未消除冲击危险，可采取其他解危办法。

4.2.2 顶板水力致裂解危卸压方案

在42108工作面回采期间，对监测有冲击危险性的区域，应优先采取钻孔解危卸压方案，若采取相关卸压措施后，经监测仍有冲击危险，可视情况对顶板采取水力致裂方案。

根据42108工作面综合钻孔柱状图，煤层上覆有8.5m的粉砂岩，致密不易垮落，因此可对此区域岩层组采取水力致裂，降低工作面的冲击危险性。根据青岗坪煤矿现场实际施工经验，初步设定顶板水力致裂参数如下：工作面两回采巷道回采帮侧顶板每组布置两个钻孔；钻孔倾角分别为30°、45°；深度分别为40m、30m；致裂压力为30MPa；钻孔间距11m。水力致裂钻孔施工方案如图8所示。

图8 水力致裂钻孔施工方案

4.3 冲击地压效果检验

冲击地压危险工作面实施解危措施后必须进行效果检验，确认检验结果小于临界值后，方可进行采掘作业。由于冲击地压的复杂性以及冲击危险区域的相对隐蔽性，冲击地压危险区域实施解危措施后，冲击危险区域可能未完全消除，或由于应力转移使得邻近区域冲击危险性升高，因此必须及时对解危效果进行检验。防冲措施的效果检验方法和指标可参照冲击地压危险的监测预警方法和指标。效果检验的方法主要有钻屑法、微震法等，中等或强冲击危险区域解危效果检验方法应不少于2种。采用综合检验时，如果所有检验方法均判定无冲击危险，则解危区域的冲击危险性得到消除；当其中一种检验方法仍具有冲击地压危险时，需继续采取解危措施，直到经检验冲击地压危险解除为止。

在42108工作面回采前，采用钻屑法对工作面切眼前方200m回风巷煤柱帮的冲击危险性进行检验，由钻屑法实验数据可知，卸压前平均煤粉量3.2kg/m，最大煤粉量3.3kg/m，卸压后煤粉量平均值降至2.7kg/m，说明42108工作面解危措施效果良好，可以满足工作面安全生产需要。

5 结 论

1)进行了42108回采工作面冲击地压危险的综合评价，采用综合指数法对42108回采工作面冲击危险性进行了评价。得到42108回采工作面冲击地压危险指数Wt=0.38，具有弱冲击危险。

2)42108回采工作面冲击危险监测采用静载、动载同时监测的设计思路，以此从时间维度上形成了“综合分析—即时监测预警”，从空间维度上形成了“区域预测—局部监测—点预测”相结合的监测预警技术方案，从而有效掌握冲击危险区的分布，为采取有针对性的解危防治措施提供依据。

3)42108回采工作面冲击地压危险防治方案根据不同危险区域划分并结合现场实时应力观测情况，提出了42108回采工作面包括帮部大直径钻孔卸压和底板大直径钻孔卸压在内的预卸压以及主动解危方案，并进行了现场解危检验。