閆憲磊,吳 瓊,武 振,王向軍,張帥帥,田宇新

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272100）

0 引 言

沖擊地壓是礦山壓力的一種特殊顯現(xiàn)形式，是指礦山井巷和采場(chǎng)周圍煤巖體由于變形能的釋放而產(chǎn)生的以突然、急劇、猛烈的破壞為特征的動(dòng)力現(xiàn)象[1-3]。隨著煤礦開(kāi)采程度的不斷發(fā)展，沖擊地壓的發(fā)生愈演愈烈。沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)是對(duì)沖擊地壓潛在危險(xiǎn)程度的預(yù)先判斷，是沖擊地壓防治工作的關(guān)鍵[4-7]。由于沖擊地壓的隨機(jī)性、突發(fā)性以及破壞形式的多樣性，使得沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作變得十分困難和復(fù)雜，單憑一種方法預(yù)報(bào)是不可靠的，應(yīng)根據(jù)具體的煤層條件，在分析地質(zhì)開(kāi)采條件的基礎(chǔ)上，運(yùn)用多種方法進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。本文通過(guò)對(duì)影響興隆莊煤礦7303（下）工作面沖擊地壓發(fā)生的地質(zhì)因素（采深、頂板巖層結(jié)構(gòu)特征、煤層沖擊傾向性、斷層構(gòu)造等）和開(kāi)采技術(shù)因素（煤柱、停采線位置、工作面長(zhǎng)度變化等）分析，運(yùn)用綜合指數(shù)法和數(shù)值模擬法，劃分出工作面回采期間可能發(fā)生沖擊地壓的危險(xiǎn)區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用微震監(jiān)測(cè)、煤粉鉆屑法監(jiān)測(cè)、圍巖變形量監(jiān)測(cè)、頂板離層值監(jiān)測(cè)、錨桿、錨索應(yīng)力監(jiān)測(cè)等多種方法進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，確保工作面回采過(guò)程中，準(zhǔn)確及時(shí)的對(duì)沖擊地壓的發(fā)生做好預(yù)報(bào)工作。其研究成果，可以為相似條件下的其他礦井提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 工作面概況

1.1 工作面位置

7303（下）綜放工作面位于興隆莊煤礦七采區(qū)中部，南部與七采下部水倉(cāng)回風(fēng)巷相鄰，北部以7304運(yùn)輸順槽與7304采空區(qū)相鄰，切眼為礦井邊界保護(hù)煤柱與東灘礦相鄰，停采線與7303三號(hào)探煤巷相交。工作面屬于7304采空區(qū)與肖家莊三號(hào)及D6斷層、五采采空區(qū)夾持的三角煤柱，開(kāi)切眼自面長(zhǎng)45m開(kāi)始，至距五采采空區(qū)50m處停采。

1.2 煤層及頂?shù)装甯艣r

工作面所采煤層為下二疊系月門溝統(tǒng)山西組底部之3煤，以亮煤為主，含鏡煤條帶，屬半亮型煤，煤層傾角2～9°，平均6°。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在距頂板2.8m發(fā)育一厚0.03m炭質(zhì)細(xì)砂巖夾矸；距底板3.2m發(fā)育一厚0～0.25m，平均0.08m的炭質(zhì)泥巖夾矸。煤層厚度一般在7.30～9.71m，平均8.50m，普氏硬度f(wàn)=2.3。工作面地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，煤層總體為一單斜構(gòu)造，煤層傾角2～9°，平均6°，發(fā)育有次一級(jí)的波狀起伏,兩順槽中發(fā)育多條斷層。

2 沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域劃分

通過(guò)對(duì)影響興隆莊煤礦7303工作面沖擊地壓發(fā)生的地質(zhì)因素（采深、頂板巖層結(jié)構(gòu)特征、煤層沖擊傾向性、斷層構(gòu)造等）和開(kāi)采技術(shù)因素（煤柱、停采線位置、工作面長(zhǎng)度變化等）以及綜合指數(shù)法的分析，7303工作面具備發(fā)生沖擊地壓的條件，工作面沖擊地壓危險(xiǎn)狀態(tài)等級(jí)評(píng)定為中等沖擊危險(xiǎn)性，該面在整個(gè)開(kāi)采過(guò)程中都可能會(huì)受到?jīng)_擊地壓的威脅，回采前和回采過(guò)程中應(yīng)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域采取適當(dāng)?shù)臎_擊地壓監(jiān)測(cè)和防治措施。根據(jù)理論分析、數(shù)值模擬結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐及多因素疊加法，按沖擊地壓危險(xiǎn)程度，工作面沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)槿齻€(gè)等級(jí)，依次為：一般、中等、嚴(yán)重，沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域如圖1所示（由于本文的研究重點(diǎn)是沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)，所以對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域的具體劃分技術(shù)不做過(guò)多說(shuō)明）：

圖1 7303工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分圖

3 工作面沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)

3.1 微震監(jiān)測(cè)

7303（下）工作面自6月27日回采至10月30日止，工作面軌順累計(jì)推進(jìn)371.4m，運(yùn)順累計(jì)推進(jìn)326.5m。根據(jù)SOS微震在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析，7303(下)工作面回采125天的時(shí)間內(nèi)，有效微震次數(shù)達(dá)到354次，平均日震動(dòng)次數(shù)2.8次/d，微震事件震動(dòng)能量分布如下表所示。根據(jù)微震能量頻次分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，低能量事件占微震總事件的絕大多數(shù)，微震能量低于1×103J的事件次數(shù)占震動(dòng)總次數(shù)的88.4%，說(shuō)明該工作面的微震以低能量釋放為主。其中最大微震事件的能量達(dá)到了4.6×104J，里氏震級(jí)為1.51級(jí)。

表1 7303（下）工作面微震事件頻次統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)分析7303（下）工作面微震事件震源點(diǎn)的空間分布，如圖2所示。隨著工作面的不斷的回采，微震事件也隨之向前移動(dòng)。其震源點(diǎn)分布有以下幾點(diǎn)特征：

1）微震事件的分布多集中與靠近回采工作面的斷層處,其中在斷層FS45、DF13、DF9中積聚的微震事件較多,且微震事件的分布主要沿著斷層的走向分布，這在一定程度上說(shuō)明,在工作面回采應(yīng)力擾動(dòng)和構(gòu)造應(yīng)力的共同作用下,致使圍巖發(fā)生斷裂和破壞；

2）微震事件主要發(fā)生在工作面及采空區(qū)，且在實(shí)體煤一側(cè)的微震事件要多于在采空區(qū)附近，這是由于能量的釋放方式主要有煤巖體的蠕性變形和斷裂，而在采空區(qū)內(nèi)主要表現(xiàn)為煤巖體的蠕性變形，而煤巖體的斷裂要少于實(shí)體煤一側(cè)，如圖所示，在7304采空區(qū)一側(cè)的微震事件要遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于在7302（實(shí)體煤）一側(cè)的震動(dòng)次數(shù)。

統(tǒng)計(jì)工作面每日震動(dòng)次數(shù)、震動(dòng)總能量和回采速度，做出三者的時(shí)間變化曲線如圖3所示。微震事件每日總能量的存在著明顯的周期性，7303（下）工作面第一次出現(xiàn)強(qiáng)震時(shí)間為7月22日，此時(shí)工作面回采累計(jì)進(jìn)尺53.2m，這與礦壓觀測(cè)結(jié)果得出的工作面初次來(lái)壓步距十分接近。值得注意的是在8月28日，工作面發(fā)生自回采至今最強(qiáng)震動(dòng)，能量達(dá)到了4.6×104J，里氏震級(jí)為1.51級(jí)。此時(shí)工作面累計(jì)進(jìn)尺172.25m，7303（下）工作面面長(zhǎng)為183.5m，這就說(shuō)明當(dāng)工作面回采至第一次“見(jiàn)方”時(shí)，震源點(diǎn)的垂直坐標(biāo)為-551m，發(fā)生在距3煤頂板20m左右的中粒砂巖層位內(nèi)。上覆巖層的大面積劈裂是這次強(qiáng)震發(fā)生的直接原因，由此可見(jiàn)工作面一次“見(jiàn)方”時(shí)，較易發(fā)生沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害事故。

圖2 微震事件震源點(diǎn)的平面分布

微震事件的周期性與工作面的來(lái)壓周期也十分的接近，為判斷工作面周期來(lái)壓步距提供了一定的理論支持。自9月22日開(kāi)始，工作面的微震次數(shù)明顯增加，但總能量卻變化不大，這是由于此時(shí)工作面回采累計(jì)進(jìn)尺298.3m，距離斷層較近，由于煤巖體受到斷層的構(gòu)造應(yīng)力影響，圍巖較為破碎，無(wú)法大量的存儲(chǔ)彈性變性能，而是以釋放能量的蠕性變形為主。

圖3 微震次數(shù)、總能量及工作面回采速度曲線圖

3.2 鉆屑法監(jiān)測(cè)

在我國(guó)沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)常用技術(shù)中，得以廣泛使用的是電磁輻射監(jiān)測(cè)法和鉆屑法。由于有些礦井的地下水和電磁環(huán)境的復(fù)雜性，對(duì)于電磁輻射監(jiān)測(cè)法的監(jiān)測(cè)結(jié)果有較大的影響，使監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。鉆屑法是通過(guò)在煤層中打直徑φ42～50mm的鉆孔，根據(jù)排出的煤粉量及其變化規(guī)律和有關(guān)動(dòng)力效應(yīng)，鑒別礦壓危險(xiǎn)的一種方法。鉆屑量是包含采用應(yīng)力、煤體性質(zhì)、突出環(huán)境等的綜合指標(biāo)，比較實(shí)用、可靠。7303（下）工作面經(jīng)過(guò)沖擊地壓危險(xiǎn)性鑒定，具備發(fā)生沖擊地壓的條件和可能性。因此在工作面回采至嚴(yán)重危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，采用鉆屑法監(jiān)測(cè)技術(shù)手段。

監(jiān)測(cè)范圍覆蓋工作面的超前支承壓力影響區(qū)，一般為從工作面至前方至少60m的范圍。其中，鉆孔直徑42mm，孔深10m，間距10～20m（根據(jù)沖擊危險(xiǎn)程度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整），孔距底板1.2m左右，鉆孔方向?yàn)槠叫杏诿簩樱怪毕飵?，布置圖如圖4所示。

圖4 鉆孔布置示意圖

興隆莊煤礦每天安排專業(yè)技術(shù)人員對(duì)兩順槽進(jìn)行鉆屑量監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分別做出軌順和運(yùn)順每日平均鉆屑量和最大鉆屑量變化曲線圖，如圖5所示。

圖5 工作面兩順槽鉆屑量變化曲線

根據(jù)近兩個(gè)月的連續(xù)觀測(cè)記錄統(tǒng)計(jì)分析，7303（下）工作面不論是軌順和運(yùn)順，其煤粉鉆屑量指標(biāo)均小于發(fā)生沖擊地壓的最小理論值。運(yùn)順鉆屑量不論是每日平均值還是最大值都要大于軌順一側(cè)，這是因?yàn)檐夗槥檠乜站蛳?，?304采空區(qū)的影響，圍巖較為破碎且變形量大，煤巖體儲(chǔ)存的彈性能較小。

兩順槽平均煤粉鉆屑量最大值距離工作面面口距離一般為25～40m的范圍內(nèi)，但當(dāng)工作面推進(jìn)至FS45斷層距軌順較近時(shí)，軌順一側(cè)的鉆屑量最大值出現(xiàn)的位置離面口距離通常要大于40m，一般在80m至100m。這是由于受斷層構(gòu)造應(yīng)力擾動(dòng)影響，圍巖應(yīng)力峰值向煤體內(nèi)部轉(zhuǎn)移。

做出軌順和運(yùn)順鉆屑量隨鉆孔深度變化曲線，并進(jìn)行線性回歸，如圖6所示。

圖6 兩順槽鉆屑量隨鉆孔深度變化曲線

從上圖我們可以明顯看出，鉆屑量隨著鉆孔深度的增加，其煤粉量成線性增加，根據(jù)兩順槽的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出了興隆莊煤礦典型煤巖條件下鉆孔深度與鉆屑量的關(guān)系方程式。

式中：G為鉆屑量，單位Kg/m；X為鉆孔深度，單位m；其中x的合理取值范圍為[3 12]。式（1）反映了興隆莊煤礦不發(fā)生沖擊地壓時(shí)，鉆孔深度與鉆屑量的關(guān)系，當(dāng)鉆屑量超過(guò)（1）所計(jì)算出的值時(shí)，也不一定發(fā)生沖擊地壓，超出的值要經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)一步檢驗(yàn)后得出。

3.3 圍巖移近量、頂板離層值、錨桿、測(cè)力計(jì)監(jiān)測(cè)

3.3.1 觀測(cè)方法

1）采用“十”字布點(diǎn)法，在順槽內(nèi)設(shè)6組基點(diǎn)，對(duì)回采期間巷道圍巖變形使用測(cè)槍進(jìn)行連續(xù)的觀測(cè)。

2）在巷道內(nèi)按照《錨網(wǎng)支護(hù)技術(shù)規(guī)范》每隔40m，安裝一組頂板離層儀用來(lái)觀測(cè)頂板離層情況。

3）在巷道內(nèi)按裝7組錨桿測(cè)力計(jì)及14組錨索測(cè)力計(jì)用來(lái)監(jiān)測(cè)錨桿錨索受力情況。

3.3.2 觀測(cè)結(jié)果分析

1）巷道圍巖變形量。統(tǒng)計(jì)7303(下)工作面回采期間兩順槽圍巖變形量，分別做出軌順和運(yùn)順的頂?shù)装寮皟蓭鸵平壳€圖，如圖7所示。

圖7 工作面巷道圍巖變形曲線

從圖7可以看出，相對(duì)于運(yùn)順而言，軌順巷道圍巖移近量較大一些，受工作面采動(dòng)影響范圍距離工作面150m范圍，60m范圍內(nèi)圍巖變形量相對(duì)較大。當(dāng)工作面兩順槽揭露斷層期間，工作面機(jī)頭、機(jī)尾0～5m范圍內(nèi)圍巖變形非常大，頂?shù)装逡平?.85m，兩幫移近量3.12m。這是由于受斷層切割作用影響，圍巖本身較為破碎，受采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)進(jìn)一步破碎，圍巖發(fā)生蠕性變形較大，且過(guò)斷層期間，工作面回采速度較低，圍巖發(fā)生蠕性變形充分。

2）頂板離層儀。回采期間兩順槽頂板離層值均變化不大，基本保持巷道在掘進(jìn)期間的離層值，軌順深部離層最大離層量為75mm，平均11.3mm；淺部離層最大離層量最大為70mm，平均為11mm；運(yùn)順深部最大離層量為98mm，平均9.7mm；淺部最大離層量為87mm，平均為8.8mm，頂板離層均不明顯。運(yùn)順離層值要高于軌順。

3）錨桿錨索測(cè)力計(jì)。軌順幫錨桿受力最大5MPa，平均3.7MPa；頂錨桿受力最大6MPa，平均3.8MPa，錨索受力最大18MPa；平均錨索每條受力在10.5MPa；運(yùn)順頂錨桿受力最大9 MPa平均7.2MPa；幫錨桿受力最大18MPa，平均12.75MPa；錨索受力最大25MPa，錨索平均每條受力13 MPa。

4 結(jié) 論

1）微震事件的分布多集中于斷層構(gòu)造應(yīng)力集中處，且微震事件的分布主要沿著斷層的走向分布；實(shí)體煤巷道側(cè)相對(duì)于沿空巷道側(cè)的微震事件要多；微震事件的周期性與工作面的來(lái)壓周期也十分的接近，且工作面一次“見(jiàn)方”時(shí)較易發(fā)生大能量微震事件。

2）實(shí)體煤巷道側(cè)相對(duì)于沿空巷道側(cè)的煤粉鉆屑量要大；平均煤粉鉆屑量最大值距離工作面面口距離一般為25-40m的范圍內(nèi)，若存在斷層影響，鉆屑量最大值出現(xiàn)的位置離面口距離通常要大于40m，一般在80m至100m。鉆屑量隨著鉆孔深度的增加，其煤粉量成線性增加，根據(jù)兩順槽的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出了興隆莊煤礦典型煤巖條件下鉆孔深度與鉆屑量的關(guān)系方程式。

3）實(shí)體煤巷道側(cè)相對(duì)于沿空巷道側(cè)的圍巖移近量要小，受斷層切割及回采速度較慢因素的影響，圍巖發(fā)生變形充分，圍巖變形量較大，不利頂板維護(hù)。

4）回采期間巷道主要發(fā)生蠕性變形，而頂板離層值變化不大，基本保持巷道在掘進(jìn)期間的離層值，實(shí)體煤巷道側(cè)相對(duì)于沿空巷道側(cè)的頂板離層值要大。

5）實(shí)體煤巷道側(cè)相對(duì)于沿空巷道側(cè)的錨桿、錨索測(cè)力計(jì)值均要大。