成 功，王錫勇，李冬偉，滿 軻，李煒強(qiáng)

(1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029；2.中核集團(tuán)高放廢物地質(zhì)處置評價技術(shù)重點實驗室，北京 100029)

近年來，隨著礦山開采深度增加，煤礦動力災(zāi)害事故頻發(fā)，安全形勢嚴(yán)峻，動力災(zāi)害防治成本越來越高[1-2]。煤礦常用的動力災(zāi)害防治措施包括開采保護(hù)層、煤層注水和大直徑鉆孔卸壓等。其中，大直徑鉆孔卸壓作為防治動力災(zāi)害中沖擊地壓危害最直接也是最有效的手段，在煤礦開采過程中應(yīng)用廣泛。但盲目施工大直徑鉆孔不僅造成資源的極大浪費，而且動力災(zāi)害防治效果不明顯。為了解決這一難題，許多礦山動力災(zāi)害防治措施開始由粗放型向精細(xì)化和經(jīng)濟(jì)化轉(zhuǎn)變。

大直徑鉆孔卸壓指在巷道內(nèi)向待采煤層中施工一定數(shù)量的大直徑的鉆孔，使煤體預(yù)留變形空間。具有沖擊危險性的煤體內(nèi)部發(fā)生破裂，工作面超前支承壓力向深部轉(zhuǎn)移，改變煤體應(yīng)力狀態(tài)，從而保護(hù)巷道不受破壞[3-4]。大直徑卸壓孔隨著工作面回采向前移動，始終與工作面保持一定距離。如何確定大直徑鉆孔卸壓的有效范圍，是動力災(zāi)害防治措施中一項重要的研究課題。

本文通過微震監(jiān)測技術(shù)獲得煤體支承壓力的影響范圍，結(jié)合覆巖空間結(jié)構(gòu)理論，得到了卸壓孔的最優(yōu)布置范圍，重新設(shè)計了合理的卸壓孔布置方案，提高了井下作業(yè)安全性和礦山開采經(jīng)濟(jì)性。

1 工作面概況

方山礦工作面為二1區(qū)首采綜采工作面，平均走向長750 m，平均采長158 m。回采巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，地層傾角13°～20°。二1煤層位于山西組下部，為低透氣性軟煤層，平均煤厚8.0 m，工作面煤層條件復(fù)雜，煤層厚度變化幅度大，頂板有厚層堅硬大占砂巖層，圖1為工作面綜合地質(zhì)柱狀圖。二1煤層屬于動力災(zāi)害易發(fā)煤層，該工作面屬于動力災(zāi)害頻發(fā)工作面。

圖1 工作面地質(zhì)柱狀圖Fig.1 Geological histogram of the working face

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)布置方案

微震監(jiān)測技術(shù)是近二十年來發(fā)展起來的一種地球物理方法，在地下工程領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，解決了許多技術(shù)難題，在國內(nèi)一些礦山取得了較好的應(yīng)用效果[5-7]。方山礦首采工作面在開采過程中使用了高精度多通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了井下生產(chǎn)的安全監(jiān)測。系統(tǒng)性能指標(biāo)見表1。

如圖2(a)所示，工作面風(fēng)巷和機(jī)巷始終各布置6個監(jiān)測點，包括2個底板監(jiān)測點和4個頂板監(jiān)測點，除首個監(jiān)測點距開切眼30 m外，其余相鄰測點水平距離均為20 m。測點采用循環(huán)布置方式，即工作面開采到1#測點和7#測點附近時，將其移動到6#測點和12#測點以外20 m處，依次循環(huán)，直到工作面回采結(jié)束[8]。

如圖2(b)所示，拾震傳感器采用外掛方式安裝在錨桿端部，錨桿單根長度為4.5 m，頂部錨桿與水平方向呈45°夾角，底部錨桿與豎直方向呈30°夾角。如圖3所示，當(dāng)4.5 m錨桿不足以接觸到頂?shù)装鍒杂矌r層時，可采用多根錨桿串聯(lián)連接，為消除錨桿串聯(lián)對檢波器信號傳輸?shù)挠绊?，錨桿采用水泥錨固劑全長錨固。

表1 微震監(jiān)測系統(tǒng)性能指標(biāo)

圖2 微震監(jiān)測系統(tǒng)布置方案Fig.2 Layout plan of micro-seismic monitoring system

圖3 錨桿樣本示意圖Fig.3 Diagram of the anchor sample

3 支承壓力影響范圍

3.1 “固定”工作面原理

“固定”工作面分析是利用微震事件與工作面的相對距離完成定位的分析方法，是微震監(jiān)測非常重要的一種數(shù)據(jù)分析手段。通過這種分析方法可獲得微震事件超前工作面的分布形態(tài)和開挖擾動影響范圍等，為確定采場支承壓力影響范圍提供依據(jù)。

如圖4所示，工作面回采過程先后經(jīng)歷Ⅰ階段、Ⅱ階段、Ⅲ階段，開挖擾動造成巖體破裂，在三個階段內(nèi)分別產(chǎn)生微震事件1、事件2、事件3。采用“固定”工作面投影后，經(jīng)距離換算和平面投影，得到如圖4所示的Ⅳ“固定”工作面投影結(jié)果。

圖4 “固定”工作面原理Fig.4 Principle of fixed working face

3.2 微震監(jiān)測結(jié)果分析

大量研究表明，煤巖體破裂發(fā)生在應(yīng)力差大的區(qū)域，因此，煤巖體破裂區(qū)域與高應(yīng)力差相重合，并與支承壓力區(qū)域想接近。由此可見，只要使用微震監(jiān)測系統(tǒng)得到煤巖體破裂區(qū)域，即可得到支承壓力高應(yīng)力影響區(qū)[9]。

圖5是“固定”工作面顯示的微震事件平面投影。圈定巖體破裂包絡(luò)線，得到工作面回采支承壓力影響范圍為工作面前方90 m，后方30 m。這一分布特征反映了正常推進(jìn)過程中頂?shù)装鍘r層在工作面回采方向的活動范圍。工作面前方0～40 m范圍內(nèi)微震事件占總事件數(shù)量60%以上，巖體活動頻繁且劇烈，應(yīng)作為動力災(zāi)害防治關(guān)鍵區(qū)域，該區(qū)域應(yīng)加密卸壓孔施工。

微震監(jiān)測剖面顯示(圖6)，煤層頂板破裂事件數(shù)量占總微震數(shù)量的80%～90%，工作面回采對頂板擾動較大，頂板較底板破壞嚴(yán)重，微震事件剖面得到頂板最大破裂高度為80 m，底板最大破裂深度為20 m。頂板0～20 m范圍內(nèi)微震事件數(shù)量較多，即大占砂巖層巖體頻繁發(fā)生破裂，厚層大占砂巖斷裂是造成工作面來壓的首要原因，應(yīng)作為動力災(zāi)害控制的關(guān)鍵巖層。

微震事件沿著整個工作面傾向長度分布比較均勻，頂板斷裂位置能夠貫穿整個工作面的范圍。工作面?zhèn)认蛭⒄鹗录植己苌伲_采對兩側(cè)實體煤頂?shù)装鍘r層影響很小，支承壓力主要影響方向與工作面開采方向一致。

圖5 “固定”工作面顯示的微震事件投影Fig.5 A projection of a micro-seismic event displayed on a fixed work surface

圖6 微震事件投影剖面圖Fig.6 Profile of micro-seismic event

圖7 支承壓力影響范圍Fig.7 Abutment pressure range

工作面回采過程中，頂板巖層形成“O”型覆巖空間結(jié)構(gòu)[10]，巖體破裂范圍在平面上形成沿煤層傾向方向拉長的“O”型結(jié)構(gòu)，如圖7所示。工作面開采到一定程度后，“O”型結(jié)構(gòu)隨著工作面推進(jìn)向前移動，峰值位置與工作面水平距離始終保持不變。對于該工作面，支承壓力峰值位置與工作面水平距離始終保持在30 m左右。

4 工程應(yīng)用

4.1 大直徑鉆孔卸壓參數(shù)確定

方山礦首采工作面防沖設(shè)計中，采用108 mm直徑鉆孔，孔間距3 m，孔深15 m，距底板1.5 m，超前工作面100 m范圍內(nèi)施工，單排孔平行煤層布置。事實證明，該設(shè)計卸壓效果不明顯且防沖成本偏高。

防沖設(shè)計更改后，卸壓孔施工范圍為工作面前方0～40 m，鉆孔直徑108 mm，鉆孔間距2 m，鉆孔深度10 m，單排孔布置，鉆孔角度平行于煤層，距底板1.5 m。工作面前方40～90 m，施工與0～40 m參數(shù)相同的大直徑鉆孔，但鉆孔間距增加至4 m，鉆孔布置與支承壓力關(guān)系見圖8。通過微震監(jiān)測技術(shù)，分析“固定”工作面微震事件分布規(guī)律，獲得該礦首采工作面支承壓力影響范圍，有效指導(dǎo)了工作面大直徑卸壓鉆孔施工。

圖8 大直徑鉆孔卸壓設(shè)計Fig.8 Design of large diameter pressure relief drilling

4.2 防沖效果對比分析

采用預(yù)先安裝的應(yīng)力在線監(jiān)測系統(tǒng)對卸壓前后各測點應(yīng)力值進(jìn)行對比分析。工作面風(fēng)巷和機(jī)巷各布置10組應(yīng)力監(jiān)測點，其中機(jī)巷內(nèi)監(jiān)測點分別標(biāo)記為1#～10#，風(fēng)巷內(nèi)監(jiān)測點分別標(biāo)記為11#～20#?？臻g相鄰每組監(jiān)測點平面距離均為15 m，如圖9所示。本文選取機(jī)巷側(cè)1#～10#測點進(jìn)行研究，如圖10所示，大直徑鉆孔卸壓前應(yīng)力峰值為22 MPa，位于工作面前方30 m處，與微震監(jiān)測得到的支承壓力峰值位置相同。卸壓后應(yīng)力峰值減小至18 MPa，位置移動到工作面前方60 m處。鉆孔卸壓前后工作面超前支承壓力峰值減小，峰值距工作面水平距離增大，表現(xiàn)為危險區(qū)向工作面前方延伸，危險程度變小，大直徑鉆孔卸壓參數(shù)調(diào)整后卸壓效果明顯，防沖成本降低。

圖9 應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)布置Fig.9 Layout of pressure monitoring system

圖10 卸壓前后應(yīng)力曲線對比Fig.10 Comparison of stress curves before and after pressure relief

5 結(jié) 論

1) 采用微震監(jiān)測技術(shù)確定支承壓力影響范圍，從而指導(dǎo)大直徑鉆孔卸壓施工，該方法切實可行。

2) 方山礦首采工作面支承壓力空間影響范圍為工作面前方為90 m，后方30 m，頂板影響范圍80 m，底板影響范圍20 m，支承壓力峰值為超前工作面30 m位置。

3) 大直徑鉆孔卸壓前后工作面超前支承壓力峰值減小，峰值距工作面水平距離增大，卸壓效果明顯。