詹振江，陸菜平

(1.淮北礦業(yè)集團公司生產(chǎn)管理部，安徽淮北 235001;2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

火成巖下工作面開采的沖擊危險性評價與監(jiān)測技術(shù)

詹振江1，陸菜平2

(1.淮北礦業(yè)集團公司生產(chǎn)管理部，安徽淮北 235001;2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇徐州 221116)

針對淮北礦業(yè)集團海孜煤礦762綜采工作面頂板巖層存在巨厚火成巖侵入的特殊覆巖結(jié)構(gòu)，對工作面開采過程中可能存在的沖擊礦壓危險性進行了分析與評價，并利用SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)對工作面開采全過程中火成巖的運移、破斷狀態(tài)進行了監(jiān)測。研究結(jié)果表明:火成巖斷裂釋放的能量較低，沒有對工作面的安全開采構(gòu)成極大威脅。

火成巖;沖擊礦壓;危險性評價;微震監(jiān)測

沖擊礦壓是煤礦開采過程中危害最嚴重的動力災(zāi)害之一，極大地威脅著煤炭企業(yè)和礦工的生命財產(chǎn)安全，目前控制沖擊礦壓的手段主要是以預(yù)防為主。近年來，隨著煤礦井工開采深度的不斷增加和日趨復(fù)雜的地質(zhì)條件，采煤工作面沖擊礦壓的危險性也越來越大［1－4］。如果能在工作面回采之前結(jié)合現(xiàn)場實際條件，進行沖擊危險性的分析與評價，將使得治理措施更具有針對性。

國內(nèi)在沖擊危險性評價方面取得了許多有益成果，目前主要的評價方法有沖擊傾向性評價方法、數(shù)值模擬分析方法、地質(zhì)動力區(qū)劃方法、數(shù)量化理論方法、現(xiàn)場實測方法、綜合指數(shù)法等［1－4］。除此之外，竇林名等［5－7］根據(jù)煤巖破壞時的聲發(fā)射及電磁輻射特征，建立了地音法和電磁輻射法評價體系;尹光志等［8］在地應(yīng)力監(jiān)測的基礎(chǔ)上，引入穩(wěn)定性系數(shù)S，以表征某區(qū)域的危險程度;彭永偉等［9］通過選取煤巖沖擊傾向性、煤層地質(zhì)條件、開采采動應(yīng)力的沖擊危險性動態(tài)評價指標(biāo)，構(gòu)建了沖擊危險性動態(tài)預(yù)評價體系;張志鎮(zhèn)、張開智等［10－11］分別建立了煤礦沖擊地壓危險性預(yù)測評價的集對分析模型和變權(quán)識別模型，從整體上對沖擊危險性進行了評價;潘一山等［12］在考慮時間效應(yīng)的基礎(chǔ)上，提出了沖擊能量速度指標(biāo)、臨界軟化區(qū)域系數(shù)、臨界應(yīng)力系數(shù)3項新的指標(biāo)，對煤層沖擊傾向性與危險性進行了評價。

本文結(jié)合現(xiàn)場實際生產(chǎn)條件和微震監(jiān)測系統(tǒng)的實測研究，并在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，對海孜煤礦堅硬巨厚火成巖下的762綜采工作面開采之前進行了沖擊危險性評價，并利用SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)全程監(jiān)測火成巖在采動過程中的運移、破斷狀態(tài)，保證了工作面的安全高效開采，對于類似條件下的工作面開采具有一定的借鑒意義。

1 工作面概況

海孜煤礦762工作面為86采區(qū)7煤層首采面，工作面跨上山布置，平均面長105m，走向長度430m，采用機、軌、風(fēng)三巷布置。淺部以7煤四含煤柱 (回采上限－275m)為界，東到區(qū)段運輸石門，西至7煤變薄區(qū)，深部至762工作面機巷。圖1所示為762工作面平面布置。

圖1 762工作面平面布置示意

762工作面地質(zhì)構(gòu)造相對簡單，不受其他煤層開采因素的影響，但是該工作面上方有一層平均厚度達40m以上的火成巖，使工作面存在一定的頂板動力破斷誘發(fā)沖擊的威脅?；鸪蓭r在該區(qū)域全區(qū)發(fā)育，其露頭在風(fēng)巷以淺10～20m。根據(jù)鉆孔揭露工作面內(nèi)火成巖下距7煤層約58.2～71.94m，平均65.41m，厚度0～64.02m，平均40.19m。

2 沖擊危險性分析與評價

根據(jù)762工作面的地質(zhì)與開采技術(shù)條件，以及堅硬巨厚火成巖的覆巖結(jié)構(gòu)，可能誘發(fā)沖擊礦壓危險的主要影響因素有3個方面。

(1)上覆火成巖分布的影響 在一定的采深條件下，比較強烈的沖擊礦壓危害一般會出現(xiàn)在煤系地層中具有高強度的頂板巖層條件下，特別是在煤層頂板中存在堅硬厚層頂板。根據(jù)762工作面鉆孔揭露的資料，火成巖在該區(qū)域全區(qū)發(fā)育，其破斷可能會誘發(fā)強烈的礦壓顯現(xiàn)。

(2)開采深度的影響 開采深度越大，沖擊礦壓發(fā)生的可能性也越大?？紤]到安全界限，可以確定，開采深度H≤350m時，沖擊礦壓發(fā)生的概率很低。762工作面采深為302～334m，處于沖擊礦壓危害發(fā)生概率較低的階段。因此，762工作面的采深對沖擊礦壓危害的影響較小。

(3)基本頂活動的影響 頂板發(fā)生初次和周期斷裂期間，頂板活動比較劇烈，特別是堅硬頂板容易積聚大量的彈性能，彈性能的突然釋放，形成強烈震動，可能會導(dǎo)致沖擊礦壓危害的發(fā)生。因此，762工作面頂板劇烈活動時，即基本頂初次破斷及工作面見方破斷階段，沖擊危險性較大，需要對其進行重點監(jiān)測。

綜上，762工作面開采過程中，火成巖頂板的運移、破斷對工作面的礦壓顯現(xiàn)具有一定的影響，是誘發(fā)沖擊礦壓的一個重要因素。

3 火成巖運移與破斷的微震監(jiān)測

3.1 SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)

SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)是從波蘭礦山研究總院引進的，主要用于礦山震動監(jiān)測，確定工作面附近的震動參數(shù)，從而進一步確定礦山動力災(zāi)害的危險。利用微震監(jiān)測系統(tǒng)，實時對測點覆蓋范圍內(nèi)進行監(jiān)測，每天進行震源定位、微震能量計算分析，判別762工作面上覆巖層的活動狀態(tài)，特別是上覆火成巖的破斷狀態(tài)。

3.2 監(jiān)測結(jié)果及其分析

762工作面從開始回采到結(jié)束，共歷時178d。將回采期間有效的礦震信號按照一定影響范圍進行篩選，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。利用處理軟件可將微震信號進行平面和空間定位，如圖2，圖3所示(注:圖中圓點按大小不同能量級別依次為1000～5000J，500～1000J，200～500J、0～200J)。

表1 微震數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖2 微震震源平面分布

統(tǒng)計表明:762工作面在2009年7月1日至12月25日整個回采期間，微震系統(tǒng)共監(jiān)測223次可定位的震動事件，能量較小，沒有監(jiān)測到能量超過5000J的震動，對工作面的回采沒有構(gòu)成頂板動力威脅。結(jié)合震源三維空間分布，經(jīng)過分析可知:0～200J小震動最多，148次占總震動次數(shù)的67%，但分布較為離散，隨著工作面的回采，逐漸沿風(fēng)巷側(cè)遷移演化;200～500J的震動47次，占總震動次數(shù)的21%，分布離散;大于1000J的較大震動12次，占總數(shù)的5%，隨著工作面的回采，這種震動次數(shù)減少，且主要分布在工作面西翼的井田邊界斷層帶附近 (斷層影響區(qū))。

圖3 微震震源空間垂直分布

為進一步分析762工作面回采期間的礦震規(guī)律，以20m為一個推進步距 (由于風(fēng)巷側(cè)前期涉及炮采面，推進速度極不均勻，且巷道彎曲導(dǎo)致進尺記錄誤差較大，因此采用機巷側(cè)的進尺記錄為基準)，分析微震在能量與頻次方面的變化規(guī)律。得到的監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。

圖4 微震能量與頻次隨工作面推進距離關(guān)系

從圖4可以看出，762工作面初采期間，在進尺20m時，震動能量大規(guī)模釋放，結(jié)合震源空間位置分布，主要位于切眼西側(cè)斷層帶附近;從進尺20m到見方階段，無論是震動能量還是震動頻次都較高，大規(guī)模釋放能量;進尺200m時，工作面上覆巖層可能已經(jīng)相對比較穩(wěn)定，震動不活躍;推進到300m至380m時，能量又開始小規(guī)模釋放，頻次也較高，小震動較多。監(jiān)測結(jié)果顯示，火成巖的侵入沒有對工作面的安全開采構(gòu)成威脅。

4 結(jié)論

(1)762工作面回采期間，微震監(jiān)測系統(tǒng)沒有監(jiān)測到能量超過5000J的震動，且大能量的震動都發(fā)生在斷層帶附近，表明762工作面上覆頂板巖層破斷來壓的強度較弱，對工作面回采不構(gòu)成頂板動力威脅。

(2)762工作面回采期間，兩巷及工作面沒有發(fā)生一起強礦壓顯現(xiàn)，頂板動力災(zāi)害的危險性分析以及微震系統(tǒng)監(jiān)測起到了一定的指導(dǎo)作用，確保了工作面的安全回采。

(3)火成巖的侵入沒有對762工作面的安全開采構(gòu)成較大威脅。

［1］錢鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制［M］．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．

［2］竇林名，何學(xué)秋．沖擊礦壓防治理論與技術(shù) ［M］．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001．

［3］竇林名，趙從國，等．煤礦開采沖擊礦壓災(zāi)害防治 ［M］．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2006．

［4］齊慶新，竇林名．沖擊地壓理論與技術(shù)［M］．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001．

［5］竇林名，何學(xué)秋．沖擊礦壓危險性評價的地音法 ［J］．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，29(1):85－88．

［6］竇林名，何學(xué)秋．沖擊礦壓危險預(yù)測的電磁輻射原理［J］．地球物理學(xué)進展，2005，20(2):427－431．

［7］賀 虎，竇林名，等．沖擊礦壓的聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)研究［J］．巖石力學(xué)，2011，32(4)．

［8］尹光志，鮮學(xué)富，金立平，等．地應(yīng)力對沖擊地壓的影響及沖擊危險區(qū)域評價的研究 ［J］．煤炭學(xué)報，1997，22(2)．

［9］彭永偉，藍 航，等．基于地質(zhì)條件的沖擊危險性動態(tài)預(yù)評價體系 ［J］．煤炭學(xué)報，2010，35(12):1997－2001．

［10］張志鎮(zhèn)，高 峰，等．沖擊地壓危險性的集對分析評價模型［J］．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，40(3):379－384．

［11］張開智，夏均民，等．沖擊危險性綜合評價的變權(quán)識別模型［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004，23(20):3480－3483．

［12］潘一山，耿 琳，李忠華．煤層沖擊傾向性與危險性評價指標(biāo)研究 ［J］．煤炭學(xué)報，2010，35(12):1975－1978．

Rock-burst Danger Evaluation and Monitoring Technology of Mining under Igneous Rock

ZHAN Zhen-jiang1，LU Cai-ping2
(1.Mining Management Department，Huaibei Mining Group Corporation，Huaibei 235001，China;2.Mining Engineering School，China University of Mining ＆ Technology，Xuzhou 221116，China)

A special overlying strata structure，extremely thick igneous rock lie over 762 full-mechanized mining face in Haizi Colliery of Huaibei Mining Group.Rock-burst danger in mining was analyzed and evaluated.Displacement，failure state of igneous rock was monitored by SOS micro-seismic system.Results showed that energy released from igneous rock was low and didn＇t pose a large threat to safe mining.

igneous rock;rock-burst;danger evaluation;micro-seismic monitoring

TD324

A

1006-6225(2012)03-0083-03

2012－01－09

全國優(yōu)秀博士論文作者專項基金資助項目 (2010044);教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目 (NCET－10－0769);江蘇省“333”高層次人才培養(yǎng)工程資助項目 (BRA2011183)

詹振江 (1971－)，男，安徽泗縣人，高級工程師，淮北礦業(yè)集團公司生產(chǎn)管理部采煤科科長。

［責(zé)任編輯李宏艷］