综掘面过断层冲击地压监测及解危卸压技术分析

王万里

（山东能源集团鲁西矿业公司郭屯煤矿，山东 临沂 276000）

冲击地压作为井工煤矿重大灾害之一，往往具有突发破坏强、影响范围大、诱发机制复杂等特点。根据统计分析表明，冲击地压的发生不仅与煤层埋深、地应力等因素密切有关，同时在地质构造发育区域内更易诱发冲击地压，特别是受采掘扰动激发活化的断层构造附近。受冲击地压影响的矿井，在采掘活动过断层期间尤其需要加强对冲击地压的监测和防治措施。本文以郭屯煤矿 3305轨道顺槽掘进工作面过DF55 断层构造区为工程背景，探讨冲击地压矿井掘进巷道过断层期间的监测和解危技术[1-6]。

1 工程概况

郭屯煤矿3305 工作面位于三采区西部，其北部为3309 工作面（未采），南部为3301 采空区，东部邻三采区进风巷，其中3305 轨道顺槽紧邻3301 采空区，为沿空留窄煤柱掘进巷道，巷道尺寸5.2 m×3.7 m。3 煤层厚度2.6～3.6 m，平均厚度3.11 m，煤层呈黑色，条带状结构，具玻璃光泽，镜煤、亮煤为主，内外生裂隙复杂，呈层状构造，为半亮型。轨顺煤层顶底板岩性及物理力学参数见表1。根据地质预测及相邻3301 胶带顺槽揭露情况，DF55 断层为正断层，走向121°，倾向211°，倾角70°，落差约为6.8 m。工作面过断层示意图如图1。

图1 3305 轨道顺槽过断层示意图

表1 煤层顶底板岩性特征

2 过断层期间冲击危险性分析

2019 年6 月经中国安全生产科学研究院鉴定，郭屯煤矿3 煤层及其顶底板均属于Ⅱ类，具有弱冲击倾向性。在揭露DF55 断层期间，掘巷采取下盘破底托顶煤，上盘破顶留底煤方式通过断层，根据顶底板岩性及留底煤情况，冲击倾向性理论上稍强。同时结合冲击地压发生统计资料，在断层等构造造成的煤岩转换区域，断层上盘发生冲击的频次和强度要明显高于断层下盘，而3305 轨道顺槽掘进过DF55 断层是从下盘进入上盘掘进，因此理论预测掘巷期间动力显现趋势增强。

同时，在断层影响区域内，煤岩体的原岩应力重新分布，使得断层附近围岩应力集中明显，因而在掘巷期间，随着掘进面与断层距离接近，掘进扰动造成的断层活化程度加剧，应力集中程度增加，进一步增加了冲击动力的诱发概率。

3 冲击地压监测预警技术

针对过断层期间易发的冲击风险，为实现掘进工作面对冲击地压的科学高效监测预警，建立以ARAMIS M/E 微震监测法为主，应力监测法和钻屑法为辅的冲击地压综合监测体系。

1）ARAMIS M/E 微震监测法

ARAMIS M/E 微震监测系统主要由地面基站、井下分站、记录服务器等硬件设施和内置软件基础组成，可实现实时振动波形监测、微震事件记录等功能，并对其进行定位和能量计算，结合现场施工工序等，对可能的冲击地压灾害进行预评价分析，进而指导现场施工的防冲工作。此外，基于对发生微震事件的震源位置、发生时间、释放的能量进行统计分析，结合地质特点及构造分布情况，可划定潜在的冲击灾害危险区。

ARAMIS M/E 微震监测系统对掘进工作面的冲击地压预警指标为：掘进工作面发生单个能量达到或超过1.0×104J的微震事件，即预测为有冲击危险。

2）应力在线监测法

掘进工作面安装有KJ615型冲击地压监测系统，可实时监测受掘进扰动影响下的围岩应力场变化情况，解析高应力区和应力异常区分布位置，基于围岩应力状态与冲击危险性关系，实现防冲危险性监测预警，指导现场掘进速度和支护方式优化。监测测站布置间距50 m，每个测站内设置有2 个埋深分别为8 m、14 m 的应力测点，实现对巷道迎头后方50～300 m 区域内的围岩应力变化监测。掘进工作面应力在线预警指标见表2。

表2 应力在线监测指标

3）钻屑法

钻屑法是一种复测验证区域冲击危险性方法，通常微震监测法和应力在线监测法解析出冲击危险区后，采用钻屑法进行验证检测。此法通过在煤体中施工Φ42 mm 钻孔，根据每米钻屑量和施工中存在的动力现象判断煤体的应力集中程度和冲击危险程度。根据验证结果和如表3 所示的3 煤层钻屑量指标，若实测钻屑量超过临界钻屑量，或在钻孔过程中出现卡钻、吸钻及煤炮声响等异常动力现象，则表明该区域存在冲击危险。临界钻屑量指标见表3。

表3 煤层钻屑量临界值

4 冲击危险解危措施

4.1 钻孔卸压

掘巷过断层期间，为预防冲击灾害，现场采取施工大钻孔卸压的防冲措施，在形成卸压保护带的前方进行掘进。即在迎头进入距离前方断层50 m范围时，对迎头方向进行孔深30 m、孔径150 mm的大直径钻孔施工卸压，每次至少2 个，始终确保工作面超前卸压保护带不小于10 m。同时，针对过断层期间留底煤情况，若底煤厚度小于0.5 m 时利用综掘机对底煤进行破坏后回填，确保底煤失去完整性，达到断底效果。若底煤大于0.5 m 小于2 m时则可采取大底煤钻孔方式进行底板预卸压，保证孔间排距不大于1 m。钻孔深度以见煤层底板为准。

4.2 爆破卸压

采用ARAMIS M/E 微震监测法和应力监测法检测出具有冲击危险的区域后，经钻屑法验证后，可采取松动爆破方式，改变围岩应力状态，释放断层构造附近应力高集中区或应力异常区的集聚应力，达到消除或减缓形成冲击危险的目的。此方法需反复检验、爆破卸压，直至解除危险。此外，在掘巷过断层留底煤期间，若底煤厚度大于2 m，则需采取底煤爆破卸压措施，按照孔径Φ42 mm、每排不少于3 个孔、排距不大于3 m、孔深至煤层底板的施工方式，对底板进行超前预卸压。

5 结论

本文理论分析了3305 轨道顺槽过DF55 断层期间的冲击危险程度，提出了建立以ARAMIS M/E 微震监测法为主，应力监测法和钻屑法为辅的冲击地压综合监测体系，实现掘进工作面全时段冲击地压监测预警，并采取大钻孔卸压和爆破卸压相结合方式，针对迎头和底煤进行超前预卸压，通过钻屑复测验证区域冲击危险性明显趋于平稳，部分实测钻屑量指标见表4。

表4 DF55 断层前后钻屑复测验证实测钻屑量

通过实测数据及现场实际状况，无应力集中区显现，现场无明显冲击震动，通过钻屑取样，无钻屑量超指标，工作面安全顺利通过DF55 断层，进一步印证了该方法的可行性。