梁東輝，李興建，劉廣堯

（濟(jì)寧市金橋煤礦 ，山東 濟(jì)寧 272200）

0 前 言

近年來(lái)井工煤礦受村莊壓煤搬遷影響，多選擇進(jìn)行條帶開(kāi)采，導(dǎo)致孤島工作面數(shù)量逐步增加，受采空區(qū)、遺留煤柱等因素影響，加之開(kāi)采強(qiáng)度的不斷增加，在動(dòng)載、靜載的綜合作用下，煤巖體應(yīng)力集中程度越來(lái)越高，強(qiáng)烈礦壓顯現(xiàn)次數(shù)日趨頻繁，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)。特別是在工作面初次來(lái)壓、周期來(lái)壓期間，工作面頂板壓力和頂板下沉比平時(shí)大30%～40%[1]，微震事件能量、頻次成倍增加，極易發(fā)生沖擊地壓，因此開(kāi)展綜放工作面初次來(lái)壓、周期來(lái)壓步距的研究迫在眉睫，掌握周期來(lái)壓規(guī)律可使沖擊地壓防治工作更有針對(duì)性、時(shí)效性。

1 工作面概況

金橋煤礦1304 工作面位于一采區(qū)北翼，設(shè)計(jì)為分層開(kāi)采，前期受地面村莊壓煤影響，一采區(qū)北翼上分層采用條帶式開(kāi)采，1304 工作面位于一采區(qū)北翼下分層，設(shè)計(jì)為 “刀把” 型工作，切眼長(zhǎng)度為84.3/151.2m，回采工藝為綜放開(kāi)采，1304 工作面上方為 1304上采空區(qū)，東側(cè)為 1302下采空區(qū)（2014 年回采完畢）和1302 上采空區(qū)（2010 年回采完畢），西側(cè)為1316上采空區(qū)，形成一個(gè)孤島工作面。

圖1 1304 工作面平面位置示意圖

圖2 1304 工作面剖面位置示意圖

2 初次來(lái)壓、周期來(lái)壓步距計(jì)算

1304 工作面回采初期，未到初次來(lái)壓時(shí)，隨著工作面推采，老頂未垮落，由切眼煤柱及工作面煤壁支撐，形成固支梁結(jié)構(gòu)，當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)，老頂斷裂垮落，斷裂時(shí)的極限跨距即為工作面初次來(lái)壓步距[2]。根據(jù)理論經(jīng)驗(yàn)，因彎矩形成的極限跨距即為工作面初次來(lái)壓步距。

式中：L 為極限垮落跨距，m；h 為老頂厚度，m；RT為抗拉強(qiáng)度，MPa；q 為老頂巖層所承受載荷，MPa。

結(jié)合1304 工作面頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工作面頂?shù)装鍘r性資料分析推算：當(dāng)允許巖層冒落運(yùn)動(dòng)的空間高度Si（自身厚度與下部空間之和）大于或等于其冒落充填厚度KAmi 時(shí)，則第i 層冒落，逐層向上推斷，直至（Si＜KAmi）不冒為止[3]，其中，KA 為直接頂巖層的碎脹系數(shù)，一般取1.25～1.5，這里取1.35，mi 為第i 層巖層厚度，m;Si 為允許第i 層冒落運(yùn)動(dòng)空間，m。

依據(jù)表1，從下到上的順序直到第5 層，因KAm5＞S5，故第5 巖層不冒落，由此可得出1304 工作面上覆第5 層粉砂巖為老頂，厚度為8.16m，所以h=8.16m。

根據(jù)金橋煤礦3# 煤層頂板沖擊傾向性鑒定，一采區(qū)巖樣測(cè)試結(jié)果如表 2 所示， 抗拉強(qiáng)度為3.64MPa。

老頂巖層承受的載荷一般主要來(lái)自老頂本身載荷的影響，老頂上方巖層由于本身強(qiáng)度較大，對(duì)老頂載荷基本不起作用， 因此 q=q1=r1h1=25 ×8.16=204kMPa=0.2MPa

將數(shù)值代入公式（1）：

況下，采煤工作面老頂初次來(lái)壓步距和老頂初次斷裂的極限垮落跨距相當(dāng)，故1304 工作面初次來(lái)壓步距在49.2m 左右；另外周期來(lái)壓步距一般為老頂極限垮落跨距的0.25～0.5 倍[4]，故1304 工作面周期來(lái)壓步距在12.3～24.6m 之間。

表1 1304 工作面頂板巖性參數(shù)表

表2 金橋煤礦一采區(qū)巖樣測(cè)試結(jié)果表

3 基于微震系統(tǒng)初次來(lái)壓、周期來(lái)壓研究

3.1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井包括沖擊地壓在內(nèi)的礦震信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)，給出沖擊地壓等礦震信號(hào)的完全波形，通過(guò)分析研究，可準(zhǔn)確計(jì)算出震動(dòng)及沖擊地壓發(fā)生的時(shí)間、能量及空間三維坐標(biāo)，確定出每次震動(dòng)的震動(dòng)類(lèi)型，判斷出沖擊地發(fā)生力源，并且能分析出礦井上覆巖層的斷裂信息，實(shí)現(xiàn)描述空間巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力場(chǎng)的遷移演化規(guī)律[5]。

初次來(lái)壓、周期來(lái)壓期間，老頂斷裂垮落，誘發(fā)大能量微震事件，因此通過(guò)發(fā)生的微震事件進(jìn)行反推，可掌握上覆巖層斷裂的信息，進(jìn)而可確定工作面初次來(lái)壓、周期來(lái)壓的時(shí)間及步距。

3.2 1304 工作面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

1304 工作面回采期間在軌道順槽、皮帶順槽各布置2 個(gè)微震傳感器，間距150m，工作面共計(jì)安裝4個(gè)微震傳感器，呈“菱形”布置，微震傳感器隨著工作面推進(jìn)前移，具體布置如圖3 所示。

圖3 1304 工作面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖

3.3 1304 工作面微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

1304 工作面自2 月28 日開(kāi)始推采，截至10 月31 日累計(jì)推進(jìn)555.1m，本文主要對(duì)2 月28 日至10月31 日之間的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，初次來(lái)壓、周期來(lái)壓期間老頂折斷或垮落引發(fā)礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，因此初次來(lái)壓、周期來(lái)壓期間受老頂斷裂影響，微震事件頻次、能量較正常推采期間明顯增加，微震事件頻次、能量基本位于臨近幾日的峰值[6]，由圖4 工作面微震事件、能量走勢(shì)圖，可初步確定工作面周期來(lái)壓發(fā)生的時(shí)間，其中“CK”表示初次放頂，“CL”表示初次來(lái)壓，“ZL”表示周期來(lái)壓，并且結(jié)合工作面推進(jìn)度，可確定初次來(lái)壓、周期來(lái)壓步距。

圖4 1304 工作面微震事件頻次、能量走勢(shì)圖

由表 3 可知，2 月 28 日至 10 月 31 日 1304 工作面共經(jīng)歷38 次周期來(lái)壓，周期來(lái)壓步距平均值為13.2m，初次來(lái)壓步距為44.9m。

表3 1304 工作面初次來(lái)壓、周期來(lái)壓統(tǒng)計(jì)表

4 總 結(jié)

1）根究固支梁理論計(jì)算老頂斷裂的極限跨距為49.2m， 因此確定 1304 工作面初次來(lái)壓步距為49.2m，周期來(lái)壓步距在12.3～24.6m 之間；根據(jù)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，確定1304 工作面初次來(lái)壓步距為44.9m，周期來(lái)壓步距為13.2m。二者得出的數(shù)據(jù)基本吻合，因此可以通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確定工作面的初次來(lái)壓、周期來(lái)壓時(shí)間及步距。

2）1304 工作面為“刀把”型工作面，切眼對(duì)接前周期來(lái)壓步距平均值為13.5m，切眼對(duì)接后周期來(lái)壓步距平均值為13.2m，二者相差不大，因此工作面寬度的變化對(duì)老頂斷裂、垮落影響不大，因此初步確定工作面寬度對(duì)周期來(lái)壓步距影響較小。

3）通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確定周期來(lái)壓步距，可提前采取相應(yīng)的防沖措施，提高了防沖管理水平，降低了老頂垮落誘發(fā)沖擊地壓的風(fēng)險(xiǎn)。

4）利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確定回采工作面初次來(lái)壓、周期來(lái)壓時(shí)間、步距可推廣應(yīng)用至所有安設(shè)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的沖擊地壓礦井，該方法確定初次來(lái)壓、周期來(lái)壓簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確，可切實(shí)提高礦井頂板管理、沖擊地壓防治水平。