馬小輝，呂大釗，王東杰，高 剛

(陜西彬長(zhǎng)孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引言

隨著我國(guó)煤炭淺部資源的逐步枯竭，現(xiàn)有或者新建礦井多已轉(zhuǎn)向深部開(kāi)采，伴隨而來(lái)的便是越來(lái)越頻繁的沖擊地壓災(zāi)害[1-3]。對(duì)于沖擊地壓發(fā)生機(jī)理，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者提出了很多理論[4-6]。目前較為熟知與接受的主要有強(qiáng)度理論、能量理論、剛度理論、沖擊傾向性理論、動(dòng)靜載疊加誘沖等。但對(duì)于沖擊地壓預(yù)警大部分仍停留在各種沖擊地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上，尤其是對(duì)深部礦井復(fù)合構(gòu)造區(qū)的沖擊地壓預(yù)警方面，靠單一監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)很難有效實(shí)現(xiàn)沖擊地壓預(yù)警，并且復(fù)合構(gòu)造區(qū)沖擊地壓往往具有一定的周期性。如何對(duì)復(fù)合構(gòu)造區(qū)沖擊地壓進(jìn)行周期性預(yù)警，已經(jīng)成為深部礦井安全生產(chǎn)所面臨的最嚴(yán)峻的問(wèn)題之一。

1 礦井概況

1.1 礦井地質(zhì)條件

以陜西彬長(zhǎng)礦區(qū)孟村煤礦中央大巷復(fù)合構(gòu)造區(qū)域?yàn)槔?，該礦井煤層為近水平煤層，4號(hào)煤層為唯一可采煤層，埋深約為600～800 m，為典型深部礦井，埋深已超過(guò)當(dāng)?shù)孛禾餂_擊地壓臨界深度，且該煤層經(jīng)鑒定為具有強(qiáng)沖擊傾向性。該礦中央大巷均布置在4號(hào)煤層中，埋藏深度在700 m以上，其中，中央帶式輸送機(jī)大巷、中央一號(hào)輔運(yùn)大巷及中央二號(hào)回風(fēng)大巷均已施工至403盤(pán)區(qū)邊界，各大巷間距35 m，中央大巷附近布置有401101工作面，401101運(yùn)順距離中央二號(hào)回風(fēng)大巷200 m，具體布置如圖1所示。其中，中央大巷附近賦存有DF29大斷層，其延展長(zhǎng)度約3 km，較大的褶曲構(gòu)造為 B2背斜、X1向斜。受該區(qū)域向斜、背斜、斷層組成的復(fù)合構(gòu)造區(qū)影響，該區(qū)域從2014年巷道掘進(jìn)以來(lái)已發(fā)生數(shù)十次沖擊地壓，造成巷道大面積底鼓、漿皮脫落，已嚴(yán)重影響礦井的后續(xù)開(kāi)采計(jì)劃。

圖1 礦井中央大巷布置平面圖

1.2 礦井沖擊地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.2.1 SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

孟村SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)始建于2015年，該系統(tǒng)由記錄儀、分析儀、拾震器和數(shù)字傳輸系統(tǒng)等組成。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為區(qū)域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能監(jiān)測(cè)全礦微震事件，根據(jù)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位原理，在中央大巷構(gòu)造區(qū)及其附近布置有6個(gè)微震探頭，用于監(jiān)測(cè)中央大巷及401101工作面微震頻次及能量。

1.2.2 震波CT

礦井采用EMAG公司的24通道PASAT-M型便攜式微震探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、安裝方便、所需配套工程量小等特點(diǎn)。根據(jù)速度場(chǎng)的大小，可確定工作面范圍內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)的大小，從而劃分出高應(yīng)力區(qū)和高沖擊礦壓危險(xiǎn)區(qū)域。礦井先后在中央大巷構(gòu)造區(qū)及401101工作面進(jìn)行了震波CT探測(cè)，對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行了沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域精準(zhǔn)劃分。

1.2.3 KJ24煤體應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)

礦井建設(shè)有KJ24應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其核心構(gòu)成有地面監(jiān)測(cè)服務(wù)器、礦用本安型光端機(jī)、礦用本安型壓力監(jiān)測(cè)子站、礦用本安型數(shù)字壓力計(jì)、圍巖移動(dòng)傳感器、錨桿(索)應(yīng)力傳感器、激光測(cè)距儀、礦用隔爆兼本安不間斷電源、本安接線盒、通信電纜等。礦井先后在401101工作面和中央大巷構(gòu)造區(qū)布置有超100個(gè)GZY60W礦用本安型鉆孔應(yīng)力傳感器，這些傳感器為孟村煤礦及時(shí)掌握圍巖集中靜載荷及沖擊地壓危險(xiǎn)性變化情況、采掘擾動(dòng)范圍、檢驗(yàn)煤層卸壓效果起到了重要作用。

2 沖擊地壓周期性預(yù)警方法

2.1 復(fù)合構(gòu)造區(qū)沖擊地壓四要素

根據(jù)竇林名的動(dòng)靜載疊加誘沖原理[7]和潘俊峰的沖擊啟動(dòng)理論[8]，沖擊地壓影響要素為動(dòng)載荷和靜載荷。在深入研究前人理論的基礎(chǔ)上[9-12]，結(jié)合礦井現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、沖擊規(guī)律，在沖擊地壓動(dòng)靜載荷的基礎(chǔ)上擴(kuò)展為沖擊“四要素”，即靜載荷的積聚位置、積聚周期和動(dòng)載荷的來(lái)源、供給時(shí)間。

2.1.1 靜載荷的積聚位置

如圖1所示，該礦中央大巷先后穿越B2背斜、DF29斷層、X1向斜，該構(gòu)造區(qū)在地質(zhì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中就積聚了大量的構(gòu)造應(yīng)力，故區(qū)域是整個(gè)中央大巷靜載荷主要積聚點(diǎn)，這種特點(diǎn)是“與生俱來(lái)”的。根據(jù)損傷力學(xué)的觀點(diǎn)，一個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生過(guò)一次破壞后，將形成不可逆的損傷，該點(diǎn)將成為整個(gè)區(qū)域的薄弱點(diǎn)。該點(diǎn)附近圍巖強(qiáng)度低于其他區(qū)域，抵抗破壞變形的能力下降，再次發(fā)生沖擊地壓時(shí)，極易可能在該點(diǎn)附近顯現(xiàn)，導(dǎo)致復(fù)合構(gòu)造區(qū)一旦發(fā)生過(guò)一次沖擊地壓后可能在該區(qū)域發(fā)生多次后續(xù)沖擊。

2.1.2 靜載荷積聚周期

當(dāng)中央大巷構(gòu)造區(qū)發(fā)生沖擊地壓后，釋放大量能量，造成周?chē)锏赖钠茐?，同時(shí)形成一個(gè)短暫的應(yīng)力降低區(qū)。但隨著地應(yīng)力重新分布，該區(qū)域靜載荷會(huì)逐漸積聚，直至積聚至原水平附近。從靜載荷釋放到重新積聚至原水平附近的時(shí)間稱為靜載荷積聚周期。該周期可通過(guò)煤體應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行靜載荷數(shù)值變化方面的監(jiān)測(cè)。

2.1.3 動(dòng)載荷來(lái)源

通過(guò)圖1和圖2可知，401101工作面的回采擾動(dòng)對(duì)中央大巷構(gòu)造區(qū)沖擊地壓的發(fā)生具有重要的影響。中央大巷動(dòng)載荷來(lái)源經(jīng)過(guò)分析，主要有采空區(qū)頂板斷裂、采空區(qū)頂板活動(dòng)誘發(fā)斷層活化導(dǎo)致附近頂?shù)装鍞嗔?、采空區(qū)震源釋放的動(dòng)載荷導(dǎo)致中央大巷高應(yīng)力區(qū)頂?shù)装鍞嗔选?種動(dòng)載荷互相耦合，為中央大巷沖擊地壓?jiǎn)?dòng)提供動(dòng)載荷，進(jìn)一步誘發(fā)中央大巷構(gòu)造區(qū)沖擊地壓。

圖2 中央大巷構(gòu)造區(qū)動(dòng)載荷來(lái)源示意

2.1.4 動(dòng)載荷供給時(shí)間

通過(guò)分析可知，中央大巷構(gòu)造區(qū)主要受401101工作面回采擾動(dòng)影響。經(jīng)過(guò)初步判斷，主要是采空區(qū)頂板斷裂誘發(fā)的中央大巷斷層附近滑移或者X1向斜軸部等高應(yīng)力區(qū)頂?shù)装鍞嗔岩饹_擊地壓。因此，動(dòng)載荷供給時(shí)間初步定為401101工作面周期來(lái)壓期間。

2.2 周期性預(yù)警方法

基于動(dòng)靜載疊加誘沖原理，當(dāng)煤巖體中靜載荷與礦震形成的動(dòng)載疊之和大于誘發(fā)煤巖體沖擊的臨界載荷，就會(huì)誘發(fā)沖擊災(zāi)害。通過(guò)分析靜載荷積聚位置、積聚周期、動(dòng)載荷的來(lái)源、供給時(shí)間，四者互相耦合，導(dǎo)致中央大巷構(gòu)造區(qū)沖擊地壓周期性發(fā)生。要實(shí)現(xiàn)該區(qū)域沖擊地壓預(yù)警，便要將這“四要素”分析清楚，四者互相耦合時(shí)間便是沖擊地壓發(fā)生時(shí)刻。為此，形成一種基于動(dòng)靜載疊加誘沖原理，綜合分析井巷圍巖靜載荷積聚周期、動(dòng)載荷供給時(shí)間、地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件等因素，實(shí)現(xiàn)沖擊地壓周期性預(yù)警的工作方法。

2.3 中央大巷沖擊地壓預(yù)警過(guò)程

2.3.1 靜載荷積聚位置及周期分析

中央大巷靜載荷積聚位置/沖擊地壓發(fā)生位置為DF29斷層上盤(pán)及X1向斜軸部(中央大巷在斷層上盤(pán)為煤巷、下盤(pán)為巖巷，煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性)。通過(guò)PASAT精確劃分的煤層沖擊危險(xiǎn)區(qū)，在強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域根據(jù)區(qū)域長(zhǎng)度安裝若干組GZY60W礦用本安型鉆孔應(yīng)力傳感器。組間距20 m，每組孔深按淺-深2個(gè)測(cè)點(diǎn)組合，組內(nèi)應(yīng)力計(jì)間距1 m，孔深分別為8 m和12 m，孔徑42 mm。GZY60W礦用本安型鉆孔應(yīng)力傳感器將檢測(cè)到的煤層內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的變化，采用無(wú)線通信的通訊方式，將測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送到KJ24-FW礦用本安型壓力子站，同時(shí)該監(jiān)測(cè)子站與上位基站連接，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到井上KJ24應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，完成對(duì)井下因采動(dòng)影響煤層內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。根據(jù)相鄰礦井應(yīng)力計(jì)危險(xiǎn)閾值或者將該區(qū)域沖擊地壓前最大煤層應(yīng)力的80%作為危險(xiǎn)閾值，建立臺(tái)賬，統(tǒng)計(jì)兩次危險(xiǎn)閾值之間的間隔作為靜載荷積聚周期，探究歷次積聚周期之間的規(guī)律。

2.3.2 動(dòng)載荷來(lái)源及供給時(shí)間分析

動(dòng)載荷來(lái)源為401101工作回采擾動(dòng)造成頂板斷裂形成地震波作用于斷層滑移面或向斜軸部頂?shù)装逍纬啥蝿?dòng)載。經(jīng)過(guò)SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)表明工作面周期來(lái)壓期間，大能量微震事件上升20%以上。經(jīng)統(tǒng)計(jì)沖擊地壓臺(tái)賬發(fā)現(xiàn)，中央大巷構(gòu)造區(qū)沖擊地壓間隔多為3～4次工作面周期來(lái)壓時(shí)間。結(jié)合礦井地質(zhì)柱狀圖可知，由于煤層上方存在兩層以上老頂導(dǎo)致采場(chǎng)周期來(lái)壓強(qiáng)度呈現(xiàn)多低一高的周期性變化。聯(lián)系微震數(shù)據(jù)，由圖3可知，工作面約4次工作面采空區(qū)頂板垮落后會(huì)造成垮落層上方巖層斷裂，造成大能量微震事件。該巖層的斷裂為中央大巷構(gòu)造區(qū)受工作面回采擾動(dòng)的主要?jiǎng)虞d源。該動(dòng)載會(huì)造成中央大巷構(gòu)造區(qū)斷層活化或者向斜軸部高應(yīng)力區(qū)頂?shù)装鍞嗔?，誘發(fā)該區(qū)域沖擊地壓。

圖3 工作面微震事件分布

2.3.3 耦合分析

深部礦井沖擊地壓主要因素為靜載荷，發(fā)生沖擊地壓的前提條件是靜載荷必須重新積聚至原水平附近，煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須達(dá)到危險(xiǎn)閾值以上才能滿足預(yù)警要求。靜載荷滿足條件后重點(diǎn)監(jiān)測(cè)動(dòng)載荷，根據(jù)動(dòng)載荷來(lái)源確定動(dòng)、靜載荷疊加時(shí)間后再結(jié)合地音、SOS微震監(jiān)測(cè)等動(dòng)載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確定構(gòu)造區(qū)沖擊地壓危險(xiǎn)性，該段時(shí)間內(nèi)一旦出現(xiàn)一種及一種以上的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)預(yù)警信息后立即發(fā)出沖擊地壓預(yù)警通知。結(jié)合地質(zhì)條件、開(kāi)采因素，同時(shí)利用沖擊地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行輔助確認(rèn)，根據(jù)微震、工作面支架工作阻力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，敏銳捕捉?jīng)_擊地壓發(fā)生前兆信息。

2.3.4 預(yù)警結(jié)果

通過(guò)上述一系列流程，礦井在半年時(shí)間內(nèi)已先后實(shí)現(xiàn)了“6·29”“10·27”“12·24”3次沖擊地壓預(yù)警。成功避免了沖擊地壓對(duì)井下工作人員造成傷害，減少了礦井損失，有效保障了礦井安全生產(chǎn)。

3 結(jié)論

(1)根據(jù)動(dòng)靜載疊加誘沖原理和沖擊啟動(dòng)理論提出了深部礦井復(fù)合構(gòu)造區(qū)沖擊地壓“四要素”—靜載荷的積聚位置、積聚周期和動(dòng)載荷的來(lái)源、供給時(shí)間。

(2)結(jié)合礦井具體情況，進(jìn)一步提出深部礦井沖擊地壓主要因素為靜載荷，發(fā)生沖擊地壓的前提條件是靜載荷必須重新積聚至原水平附近，只有靜載荷滿足條件后才能根據(jù)動(dòng)載荷來(lái)源、供給時(shí)間進(jìn)行沖擊地壓預(yù)警。

(3)根據(jù)“四要素”來(lái)實(shí)現(xiàn)深部礦井復(fù)合構(gòu)造區(qū)沖擊地壓預(yù)警的方法，具有普遍適用性，對(duì)國(guó)內(nèi)類似地質(zhì)條件的煤礦防沖工作具有一定的參考價(jià)值。