沈 偉 張運國 韓云增
(1.中國中煤能源集團有限公司,北京 100120;2.山東能源棗礦集團七五生建煤礦,山東 微山 277600)
煤體應(yīng)力監(jiān)測是通過傳感器對煤巖體內(nèi)部應(yīng)力變化進行監(jiān)測,以確定煤巖體中支承壓力相對大小,是測量因采動影響煤層或巖層內(nèi)部應(yīng)力場變化、研究采場動壓作用規(guī)律的重要手段之一。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)整理、繪制煤巖體內(nèi)部應(yīng)力變化曲線,預(yù)測、預(yù)報煤巖體內(nèi)支承壓力變化規(guī)律,為制定動力災(zāi)害防治方案提供科學依據(jù)。但是在工程實踐中,由于煤體應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)量大,趨勢性變化與個性化突變并存,監(jiān)測數(shù)據(jù)分析缺乏系統(tǒng)性,距離指導工程實踐仍有差距?;诿后w應(yīng)力監(jiān)測在回采工作面動力災(zāi)害防治中的重要作用,2018年開展了田陳煤礦3下7123工作面沖擊地壓防治工作研究,以該工作面應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),從工程實踐應(yīng)用的角度,分析了44個應(yīng)力測點150119個監(jiān)測數(shù)據(jù),給出了幾種煤體應(yīng)力監(jiān)測應(yīng)用實例,以供借鑒。
回采工作面超前支承應(yīng)力影響范圍是決策超前支護距離的重要因素,煤體應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠直觀反映煤體應(yīng)力變化趨勢。以田陳煤礦3下7123綜采工作面為例,該面兩巷均安裝了煤體應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng),以工作面推采位置與煤體應(yīng)力傳感器距離為橫坐標,煤體應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)為縱坐標,繪制46個測點對應(yīng)關(guān)系曲線如圖1所示。根據(jù)圖1可以看出,在超前工作面75m位置,部分應(yīng)力計監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)緩慢上升趨勢,89%的應(yīng)力計監(jiān)測數(shù)據(jù)均在超前工作面40m位置附近開始發(fā)生明顯波動,僅有37#、38#、42#、44#、45#測點在超前工作面40m以外出現(xiàn)明顯波動。結(jié)合礦壓理論分析認為,該工作面超前支承應(yīng)力集中范圍主要分布在超前40m范圍內(nèi),因此工作面超前加強支護距離不應(yīng)小于40m。
圖1 超前支承應(yīng)力演變監(jiān)測曲線圖
目前應(yīng)力監(jiān)測預(yù)警指標多選用應(yīng)力值,監(jiān)測數(shù)據(jù)超過某一應(yīng)力值時即進行沖擊危險預(yù)警。但是在實際應(yīng)用中,往往只制定一個預(yù)警指標,沒有將超前支承應(yīng)力影響區(qū)與動壓擾動影響區(qū)區(qū)別。實踐過程中,應(yīng)力監(jiān)測頻繁預(yù)警,人為制造了沖擊地壓災(zāi)害恐慌氣氛,增加了工程量。因此,筆者結(jié)合工程實踐應(yīng)用,將每類指標選取分為兩個區(qū)間,通過不同區(qū)間應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)變化進行綜合預(yù)警。
煤體應(yīng)力最大值統(tǒng)計按照兩個區(qū)間,分為超前支承應(yīng)力影響范圍內(nèi)及超前支撐應(yīng)力影響范圍外。以田陳煤礦3下7123綜采工作面為例,在超前支承應(yīng)力影響范圍內(nèi),以1MPa為區(qū)間,統(tǒng)計44個有效煤體應(yīng)力傳感器最大值在每個區(qū)間內(nèi)個數(shù),以煤體應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)為橫坐標,以統(tǒng)計區(qū)間內(nèi)最大值個數(shù)為縱坐標,繪制對應(yīng)關(guān)系曲線如圖2(a)所示。在超前支承應(yīng)力影響范圍外,動壓擾動影響區(qū)內(nèi)以1MPa為區(qū)間,統(tǒng)計45個有效煤體應(yīng)力傳感器最大值在每個區(qū)間內(nèi)個數(shù),以煤體應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)為橫坐標,以統(tǒng)計區(qū)間內(nèi)最大值個數(shù)為縱坐標,繪制對應(yīng)關(guān)系曲線如圖2(b)所示。結(jié)合不同影響區(qū)內(nèi)最大應(yīng)力監(jiān)測分布圖所示曲線,以明顯非對稱突變點作為主要參考指標,結(jié)合餅狀圖不同區(qū)間最大應(yīng)力占比,超前支承應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)最大應(yīng)力監(jiān)測預(yù)警值取10MPa,動壓擾動影響區(qū)內(nèi)最大應(yīng)力監(jiān)測預(yù)警值取8MPa。由于上述監(jiān)測預(yù)警指標是在數(shù)據(jù)統(tǒng)計基礎(chǔ)上選取的,實際應(yīng)用中還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場動壓顯現(xiàn)情況及應(yīng)力與震動對應(yīng)情況等及時調(diào)整實際預(yù)警值,但調(diào)整后的預(yù)警值不應(yīng)高于數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析預(yù)警值。另外,還可以參考此方法,對應(yīng)確定應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)小時內(nèi)增速預(yù)警值。
圖2 不同影響區(qū)內(nèi)最大應(yīng)力監(jiān)測分布圖
圍繞監(jiān)測數(shù)據(jù)分析成果工程實踐應(yīng)用,田陳煤礦3下7123工作面與3下7118工作面超前支護均設(shè)計采用三排單體液壓支柱,超前支護距離40m,有效維護了回采工作面安全出口,頂?shù)装逡平靠刂圃诹?00mm以內(nèi),取得了較好的效果。同時,根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)變化,分區(qū)域多次進行沖擊危險預(yù)警,指導開展了大孔徑鉆孔預(yù)卸壓措施,在杜絕沖擊地壓事故發(fā)生的前提下,避免了超前支承應(yīng)力集中區(qū)頻繁預(yù)警,大幅減少了沖擊危險預(yù)警次數(shù)。
(1)根據(jù)煤體應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)變化,確定了工作面超前支承應(yīng)力集中區(qū)分布在距離工作面0~40m范圍內(nèi),峰值區(qū)在距離工作面5~15m范圍內(nèi),并根據(jù)分析結(jié)果設(shè)計工作面超前支護距離。
(2)根據(jù)不同位置不同測點煤體應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)最大值分布區(qū)間,確定了不同區(qū)域沖擊危險應(yīng)力預(yù)警值,超前支承應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)最大應(yīng)力監(jiān)測預(yù)警值取10MPa,動壓擾動影響區(qū)內(nèi)最大應(yīng)力監(jiān)測預(yù)警值取8MPa。
由于上述結(jié)論是基于工程實踐應(yīng)用,更多的是集中在工作面,對于類似條件相鄰工作面具有較為顯著的實際意義。但是,對于非臨近區(qū)域及類似地質(zhì)開采條件的回采工作面,其數(shù)據(jù)不具備普適性,讀者可以借鑒本文數(shù)據(jù)分析方法,劃定超前支承應(yīng)力集中范圍,結(jié)合現(xiàn)場動壓顯現(xiàn)及應(yīng)力與震動對應(yīng)情況等,確定不同沖擊危險預(yù)警值。