劉毅濤，王顏亮，曲效成，劉文濤，魏全德，董亞東，張松林，韓 亮

(1.鄂爾多斯伊化礦業(yè)資源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 100083；3.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；4.北京安科興業(yè)礦山安全技術(shù)研究院有限公司，北京 102299；5.華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 101601)

近年來隨著我國(guó)煤炭資源開采向陜西、內(nèi)蒙、新疆等西部省份遷移，這些礦區(qū)的動(dòng)壓顯現(xiàn)和沖擊事故數(shù)量呈明顯增加的趨勢(shì)，鄂爾多斯烏審旗、陜西彬州市和長(zhǎng)武縣境內(nèi)的沖擊地壓礦井具有典型性。其中，烏審旗地區(qū)礦井與東部沖擊地壓礦井相比，開采深度小于800m的條件下便頻繁出現(xiàn)動(dòng)壓顯現(xiàn)[1-3]。分析、總結(jié)其主要原因?yàn)?，礦區(qū)覆巖普遍受到多層硬厚砂巖組的“多關(guān)鍵層”結(jié)構(gòu)影響，開采布局以大煤柱、雙巷掘進(jìn)為主，工作面普遍較長(zhǎng)，推采速度較快[4-7]?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，烏審旗地區(qū)礦井受特殊的監(jiān)管、地質(zhì)及開采技術(shù)條件等因素影響，頻繁出現(xiàn)工作面停采3d及以上后復(fù)產(chǎn)現(xiàn)象。工作面停采將導(dǎo)致工作面應(yīng)力集中，特殊條件下可能出現(xiàn)壓架、冒頂、片幫等礦壓顯現(xiàn)。部分工作面復(fù)采初期出現(xiàn)煤體應(yīng)力快速增高、微震大能量事件頻發(fā)等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅工作面安全生產(chǎn)。

國(guó)內(nèi)諸多專家學(xué)者針對(duì)該地區(qū)類似條件下沖擊地壓發(fā)生機(jī)理、監(jiān)測(cè)預(yù)警方法和防治技術(shù)進(jìn)行了大量研究：姜福興等對(duì)震動(dòng)誘發(fā)型沖擊地壓的預(yù)警機(jī)制和應(yīng)用進(jìn)行了研究，得出依據(jù)礦震發(fā)生前煤巖應(yīng)力突變規(guī)律實(shí)現(xiàn)臨場(chǎng)預(yù)警的機(jī)制[8]，提出了影響采場(chǎng)沖擊地壓應(yīng)力場(chǎng)的“載荷三帶”巖層結(jié)構(gòu)模型，研究了采場(chǎng)沖擊危險(xiǎn)性的評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)和防治方法，為針對(duì)性治理沖擊地壓提供理論依據(jù)[9-10]；竇林名等提出了動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊地壓原理，并分析了煤礦動(dòng)靜載特征，根據(jù)應(yīng)變率對(duì)煤礦載荷狀態(tài)進(jìn)行了界定[11，12]。以上研究成果為該地區(qū)的沖擊地壓防治提供了指導(dǎo)作用，但針對(duì)工作面停復(fù)采期間的防沖技術(shù)領(lǐng)域，尚無(wú)較為系統(tǒng)的研究成果。以母杜柴登礦井30202工作面為背景，開展工作面停復(fù)采期間沖擊地壓監(jiān)測(cè)分析及防治研究工作。

1 工程概況

鄂爾多斯市母杜柴登礦井302盤區(qū)主采3-1煤，30202工作面位于302盤區(qū)東翼，東側(cè)緊鄰30201工作面采空區(qū)，兩工作面平行布置，留設(shè)20m區(qū)段煤柱，西側(cè)為尚未采掘的30203工作面實(shí)煤體，工作面平面位置如圖1所示。工作面走向長(zhǎng)3718m，傾向長(zhǎng)268m，平均采深640m。

圖1 30202工作面位置及周邊開采概況

以30202工作面附近的B22鉆孔為例，煤層上方100m范圍內(nèi)存在厚度超過10m的砂巖層有3層，其中，煤層上方約13m賦存一層厚度為20.76m的細(xì)粒砂巖，煤層上方約37m賦存一層厚度為61.57m的粗粒砂巖，這些硬厚的巖層在工作面大范圍開采后的懸頂及周期性運(yùn)動(dòng)，將對(duì)工作面的沖擊地壓顯現(xiàn)造成較大的影響，見表1。

表1 B22鉆孔巖層特性表

30202工作面回采期間多次出現(xiàn)停采3d及以上后復(fù)產(chǎn)情況。為有效防治沖擊地壓，降低事故發(fā)生的可能性，工作面裝配微震、煤層應(yīng)力等監(jiān)測(cè)裝備，對(duì)回采期間沖擊地壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警。

2 工作面停采期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

30202工作面于2018年7月1日早8點(diǎn)停采，并于7月8日凌晨1點(diǎn)復(fù)采，停采前工作面累計(jì)回采454m。工作面停采前一周內(nèi)，推采速度穩(wěn)定在每日7刀，礦壓顯現(xiàn)平穩(wěn)，未發(fā)生能量在105J以上大能量微震事件。

2.1 停采期間微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警及礦壓規(guī)律分析領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[13-15]。對(duì)停采前后工作面微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(6月27日至7月8日)，由于工作面推采強(qiáng)度驟減，頂板運(yùn)動(dòng)的活躍程度明顯降低，7月2日微震日能量及頻次相對(duì)停采之前大幅減少，如圖2所示。為進(jìn)一步分析停采前后工作面震動(dòng)場(chǎng)數(shù)據(jù)變化情況，對(duì)能量在102J及以上的微震事件不同能級(jí)的數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，103J及以上的大能量微震事件平均日頻次由正常推采期間的9次/d，驟減至停采期間的1.59次/d，大能量事件數(shù)量在停采期間占比明顯降低，如圖3所示。

圖2 正常推采與停采期間微震能量及頻次對(duì)比

圖3 停采前后推采速度與不同能級(jí)微震事件統(tǒng)計(jì)曲線

由此可見，工作面停采后，微震事件日能量和日頻次明顯降低，且大能量事件數(shù)量占比明顯降低，表明停采階段工作面頂板活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定。

2.2 停采期間煤層應(yīng)力變化情況分析

工作面停采期間，煤體應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)仍有明顯變化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，停采期間應(yīng)力值發(fā)生“臺(tái)階式”突增的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)有3個(gè)，見表2。

表2 停采期間煤層應(yīng)力監(jiān)測(cè)突增測(cè)點(diǎn)匯總

回風(fēng)20淺測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值在7月1日13點(diǎn)20分發(fā)生一次突增，由10.68MPa升高至13.27MPa，共增加2.59MPa。應(yīng)力發(fā)生突增時(shí)該測(cè)點(diǎn)位置附近無(wú)大直徑卸壓等作業(yè)，排除施工干擾情況影響?；仫L(fēng)20淺測(cè)點(diǎn)應(yīng)力突增的同時(shí)，附近回風(fēng)17淺、回風(fēng)18淺、回風(fēng)19淺應(yīng)力測(cè)點(diǎn)均在此時(shí)段附近發(fā)生應(yīng)力降低，表明集中應(yīng)力由回風(fēng)20淺測(cè)點(diǎn)周邊向測(cè)點(diǎn)中心區(qū)域轉(zhuǎn)移，應(yīng)力曲線如圖4所示?；仫L(fēng)21淺、回風(fēng)21深測(cè)點(diǎn)于7月3日先后發(fā)生應(yīng)力突增(其中回風(fēng)21淺測(cè)點(diǎn)應(yīng)力由9.4MPa突增至約12.4MPa，突增量3.0MPa)，回風(fēng)21深測(cè)點(diǎn)應(yīng)力由4.4MPa突增至11.2MPa，突增量6.8MPa)，如圖5所示。以上數(shù)據(jù)變化表明，停采期間高位頂板尚未穩(wěn)定，但是，頂板斷裂、運(yùn)動(dòng)烈度有所降低。部分煤層應(yīng)力仍有明顯增高情況，應(yīng)警惕局部高應(yīng)力集中情況。

圖4 回風(fēng)20淺測(cè)點(diǎn)應(yīng)力突增曲線

圖5 應(yīng)力21淺、應(yīng)力21深測(cè)點(diǎn)突增曲線

2.3 停采期間支架工作阻力分析

由于高位頂板在停采期間的緩慢下沉運(yùn)動(dòng)，作用在工作面綜采支架的阻力逐漸增高。另外，根據(jù)綜采支架壓力數(shù)據(jù)及井下顯現(xiàn)情況記錄，工作面停采時(shí)處于周期來壓階段，周期來壓期間，工作面老頂處于破斷垮落過程中，綜采支架阻力大面積超限，如圖6所示。

圖6 停采前后綜采支架阻力統(tǒng)計(jì)表(105Pa)

因此，高位頂板在停采期間尚未穩(wěn)定，但是，頂板斷裂、運(yùn)動(dòng)烈度有所降低。工作面支架阻力持續(xù)增高，應(yīng)警惕工作面壓架等情況。另外，停采位置處于周期來壓階段時(shí)，支架阻力普遍較高，工作面支架工作狀態(tài)較差。

3 工作面復(fù)采初期微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

由微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，復(fù)采階段工作面震動(dòng)場(chǎng)活動(dòng)強(qiáng)度整體經(jīng)歷“突增—降低—小幅增高”三個(gè)階段，如圖7、圖8所示。

圖7 復(fù)采階段微震能量與日推進(jìn)刀數(shù)關(guān)系

圖8 復(fù)采階段不同能級(jí)個(gè)數(shù)與日推進(jìn)刀數(shù)關(guān)系

由于工作面長(zhǎng)時(shí)間停采，工作面整體應(yīng)力狀態(tài)在頂板斷裂、運(yùn)動(dòng)作用下達(dá)到較高的水平，受復(fù)采初期采動(dòng)擾動(dòng)影響，近煤層頂板穩(wěn)定狀態(tài)破壞，復(fù)采初期能量釋放較為集中，呈現(xiàn)震動(dòng)場(chǎng)活動(dòng)強(qiáng)度“突增”現(xiàn)象；工作面近煤層頂板運(yùn)移能量釋放充分后，覆巖破斷逐漸向高位發(fā)育，能量釋放較少，呈現(xiàn)震動(dòng)場(chǎng)活動(dòng)強(qiáng)度“降低”現(xiàn)象；隨著工作面回采，上覆較高位巖層破斷回轉(zhuǎn)，呈現(xiàn)震動(dòng)場(chǎng)活動(dòng)強(qiáng)度“小幅增高”的反彈現(xiàn)象。7月15日之后，微震能量、頻次整體恢復(fù)工作面停采前水平，復(fù)采效應(yīng)影響結(jié)束。

工作面復(fù)采后約8d，累計(jì)推進(jìn)40刀(約35m)后，工作面震動(dòng)場(chǎng)活動(dòng)強(qiáng)度趨于平穩(wěn)，復(fù)采“三階段”結(jié)束。

4 30202工作面停復(fù)采防治實(shí)踐

4.1 高應(yīng)力集中區(qū)的解危方案

1)預(yù)警區(qū)域的鉆檢驗(yàn)證。2018年7月1日回風(fēng)20組測(cè)點(diǎn)應(yīng)力發(fā)生突增情況(見表2)，7月2日早班對(duì)測(cè)點(diǎn)附近煤體進(jìn)行鉆屑檢驗(yàn)，1#鉆檢孔煤粉量明顯超標(biāo)，表明該預(yù)警區(qū)域具有較高的沖擊風(fēng)險(xiǎn)，如圖9所示。

圖9 局部危險(xiǎn)區(qū)鉆檢曲線

回風(fēng)21組測(cè)點(diǎn)發(fā)生突增時(shí)，該區(qū)域具有大直徑卸壓施工條件，因此未做鉆檢直接開展卸壓解危工作。

2)局部危險(xiǎn)區(qū)卸壓解危。于回風(fēng)巷720～760m(回風(fēng)淺20組、回風(fēng)淺21組兩側(cè))危險(xiǎn)區(qū)巷道回采幫采取二次煤層大直徑鉆孔卸壓，孔深20m，孔徑153mm，孔間距1m。

3)解危效果驗(yàn)證。解危措施完成后，7月4日16點(diǎn)，淺20測(cè)點(diǎn)應(yīng)力明顯降低，由突增時(shí)刻的14MPa下降至12.8MPa，其周圍其他應(yīng)力測(cè)點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)(如圖4所示)；7月7日19點(diǎn)26分，回風(fēng)淺21測(cè)點(diǎn)應(yīng)力降低至7.8MPa(如圖5所示)。

7月7日中班，對(duì)回風(fēng)巷超前270m正幫(回風(fēng)淺20組、回風(fēng)淺21組危險(xiǎn)區(qū)內(nèi))進(jìn)行解危效果鉆檢驗(yàn)證，施工的2#、3#兩個(gè)鉆屑檢驗(yàn)孔均未出現(xiàn)煤粉超標(biāo)情況，如圖9所示。

綜上，針對(duì)停采期間應(yīng)力監(jiān)測(cè)出現(xiàn)預(yù)警的情況，采用了“應(yīng)力預(yù)警—險(xiǎn)情鉆檢確認(rèn)—卸壓解危—解危效果驗(yàn)證”流程，成功完成局部危險(xiǎn)區(qū)的處理。

4.2 停復(fù)采防沖關(guān)鍵措施總結(jié)

1)局部應(yīng)力集中區(qū)排查預(yù)處理。依賴煤層應(yīng)力監(jiān)測(cè)及鉆屑量數(shù)據(jù)分析，主動(dòng)排查工作面整體應(yīng)力集中水平，針對(duì)局部應(yīng)力集中區(qū)域，采取針對(duì)性卸壓解危處理措施。

2)超前支護(hù)體系排查。保證工作面綜采支架、超前支架等具有良好的支護(hù)性能，出現(xiàn)支撐力不足，支架歪斜等情況及時(shí)處理。

3)復(fù)采前的工作面危險(xiǎn)性評(píng)估。復(fù)采前對(duì)鉆屑量、應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行單參量及多參量聯(lián)合分析，對(duì)工作面沖擊地壓危險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4)控制復(fù)采初期的回采速度?；夭伤俣冗^大，可能直接誘發(fā)沖擊地壓[16]，復(fù)采初期采用“以壓定產(chǎn)”的理念，根據(jù)復(fù)采后震動(dòng)場(chǎng)活動(dòng)強(qiáng)度的“突增—降低—小幅增高”規(guī)律，復(fù)采初期2～3d內(nèi)的突增階段應(yīng)保證較低的推采速度，之后根據(jù)實(shí)際顯現(xiàn)情況逐漸遞增至正?；夭伤俣取?/p>

5)復(fù)采期間的沖擊危險(xiǎn)區(qū)管理。比如需嚴(yán)格執(zhí)行限員措施，對(duì)工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域懸掛警示牌等。

以上關(guān)鍵措施的保質(zhì)保量落實(shí)，是現(xiàn)場(chǎng)安全復(fù)采的關(guān)鍵因素。

5 結(jié) 論

1)工作面停采期間，微震監(jiān)測(cè)能量及頻次明顯降低，煤層應(yīng)力及支架阻力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯增大。因此，停采期間煤層應(yīng)力監(jiān)測(cè)對(duì)于局部高應(yīng)力集中有著較好預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)效果。

2)停采位置處于周期來壓階段時(shí)，對(duì)工作面支架正常工作狀態(tài)不利，條件允許時(shí)停采位置應(yīng)盡量避開周期來壓階段。

3)復(fù)采初期工作面震動(dòng)場(chǎng)活動(dòng)強(qiáng)度整體經(jīng)歷“突增—降低—小幅增高”三個(gè)階段。工作面復(fù)采后約8天，累計(jì)推進(jìn)40刀(約35m)后，工作面礦壓顯現(xiàn)趨于平穩(wěn)，受復(fù)采效應(yīng)影響結(jié)束。因此，復(fù)采初期工作面推進(jìn)前35m區(qū)間內(nèi)為防沖關(guān)鍵區(qū)域。

4)采用“應(yīng)力預(yù)警-險(xiǎn)情鉆檢確認(rèn)-卸壓解危-解危效果驗(yàn)證”流程對(duì)停采期間局部危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行處理，解危效果良好，可以降低復(fù)采初期的沖擊危險(xiǎn)性。

5)以30202工作面典型的停復(fù)采期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，分析總結(jié)了停復(fù)采過程中的局部危險(xiǎn)區(qū)排查處理、復(fù)采推采速度控制等沖擊地壓防治關(guān)鍵措施，可以為條件相似工作面停復(fù)采期間的沖擊地壓防治提供借鑒。