曹 蓓，張 毅

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)煤炭工業(yè)專業(yè)技術(shù)服務(wù)中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010；2.鄂爾多斯市能源局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

0 引 言

鉆屑法是基于鉆屑量與煤體應(yīng)力之間定量關(guān)系的一種常見的預(yù)測沖擊地壓的方法。通過在煤層中鉆小直徑鉆孔（鉆屑檢測孔），根據(jù)排出的煤粉重量及有關(guān)動力效應(yīng)，對沖擊危險進行預(yù)測。國內(nèi)外不少學(xué)者對此進行了理論研究、室內(nèi)模擬和實測試驗，潘一山、李忠華等考慮煤體損傷特性和瓦斯影響，得出高瓦斯煤層沖擊地壓危險預(yù)測的鉆屑量指標確定方法[1]；姜福興等通過現(xiàn)場實驗和數(shù)值模擬方法，建立了鉆屑量、支承壓力以及煤體應(yīng)力的關(guān)系[2]。

通過眾多學(xué)者的努力，我們可以用鉆屑量的變化表征煤體應(yīng)力的變化。根據(jù)打鉆過程鉆屑量多少、鉆屑粒度值大小和響聲等動力現(xiàn)象來預(yù)測沖擊地壓危險。其中鉆屑量是對沖擊地壓預(yù)測的一個重要指標。

在回采過程中，受到一些因素的限制，鉆孔往往不能達到理想的深度。所得的鉆屑量未達到預(yù)警值，但在鉆孔繼續(xù)深入煤巖體深部則會達到預(yù)警值。而且由于鉆屑法檢測具有時效性，即在鉆孔有效深度內(nèi)，所得每米鉆屑量并未達到擬定的預(yù)警值，當檢測結(jié)束檢測區(qū)域繼續(xù)受回采影響，應(yīng)力集中加劇，仍然存在觸發(fā)預(yù)警值的可能性。

為解決上述問題，本文以利民煤礦1303 工作面為背景，提出一種基于鉆屑量變化的沖擊地壓預(yù)警方法。

1 利民煤礦工程概況

利民煤礦1303 工作面埋深850 m，工作面走向長度2 120 m，傾向長度230 m。煤層平均厚度3.2 m，普氏系數(shù)f=4~6，具有強沖擊傾向性。煤層直接頂為細粉砂巖，直接底為砂巖。煤與老頂組合為強沖擊傾向性。1303 工作面屬于深埋“兩硬”（堅硬頂板，堅硬煤層）開采條件，上覆堅硬巖層的斷裂極易誘發(fā)礦震和沖擊地壓等動力災(zāi)害。

2 受回采影響前后鉆屑量對比分析

在1303 工作面運輸順槽開門口未受采動影響段進行正常鉆屑量檢測。共檢測5 個鉆孔，每鉆深1 m，進行1 次鉆屑量統(tǒng)計，平均鉆屑量變化曲線如圖1 所示。從圖中能夠看出，鉆屑量隨鉆孔深度的增加大致呈上升趨勢。但鉆屑量在鉆孔深度10 m 處時出現(xiàn)一個波峰，說明此處應(yīng)力升高，處于應(yīng)力升高區(qū)。對未受回采影響鉆屑量和鉆孔深度進行函數(shù)擬合，表達式為：

式中：y0為未受采動影響區(qū)域的鉆屑量；x 為鉆孔深度。

圖1 平均鉆屑量及變化趨勢

根據(jù)鉆屑量預(yù)警值的定義[3-4]，鉆屑量預(yù)警值y1可表達為：

式中：y1為鉆屑量預(yù)警值；x為鉆孔深度。

為對比分析工作面回采前后鉆屑量，隨機選擇受工作面回采影響的5 個鉆孔的鉆屑量，對比曲線如圖2 所示。從圖中可以看出，受回采影響的鉆屑量明顯高于正常鉆屑量。受工作面回采影響的鉆屑量在其鉆孔深度范圍內(nèi)并未出現(xiàn)峰值，說明受回采影響，應(yīng)力峰值向巖體深部遷移，在鉆孔深度范圍內(nèi)未檢測到應(yīng)力峰值。

對受回采影響的鉆屑量與鉆孔深度進行函數(shù)擬合，表達式為：

圖2 受回采影響前后鉆屑量對比

3 鉆屑量變化

根據(jù)上述分析能夠得出：受回采影響，鉆孔不能達到理想的深度，所得鉆屑量也未達到預(yù)警值。但隨著鉆孔繼續(xù)深入，鉆屑量逐漸增加，達到預(yù)警值。所以，僅僅依靠鉆屑量預(yù)警值來判斷沖擊危險是不夠的，可以通過鉆屑量變化對沖擊地壓危險性進行預(yù)測。定義鉆屑量變化k為：

式中：y1為鉆孔深度；x1為實際鉆屑量；y2為鉆孔深度；x2為實際鉆屑量。

假設(shè)鉆屑量變化預(yù)警值為k1，受采動影響的鉆屑量變化為k2，則有：

式中：yx1為鉆孔深度；x1為實際鉆屑量；yx2為鉆孔深度；x2為實際鉆屑量。

當受采動影響的鉆屑量變化k2大于鉆屑量變化預(yù)警值k1時，說明此鉆孔深度范圍內(nèi)應(yīng)力增加異常，應(yīng)力增加速度快；此時需采取措施，降低應(yīng)力增加速度。

值得注意的是，隨著鉆孔至煤壁距離的增加，煤體深處形成沖擊地壓所需能量也加大，相應(yīng)的鉆屑量也增多。既使發(fā)生沖擊地壓，由于距煤壁遠，阻力大，也只是深部沖擊，其動力效應(yīng)僅是深部的聲響和震動，直接危害是有限的[5-7]。

4 應(yīng)用效果監(jiān)測

對1303 工作面回采過程中鉆屑量進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出，在工作面回采過程中鉆屑量波動較大，尤其是在鉆孔深部。其中，工作面推進第 24、53、56、87 d 產(chǎn)生的鉆屑量峰值較大，第56、87d 峰值大于鉆屑量預(yù)警值；工作面推進第8、16、36、47、67、78 和 97 d 出現(xiàn)相對較小的鉆屑量峰值。鉆屑量較大峰值的間隔時間約為30 d，鉆屑量較小峰值的間隔時間約為10 d，兩者均具有一定的周期性。

通過對1303 工作面綜合調(diào)查分析后認為：工作面在推進第24、56、87 d 鉆屑量增加的主要原因是工作面見方（工作面推進距離等于工作面長度）引起應(yīng)力增大。推進第56 d 鉆屑量急劇增加主要是由于1303 工作面與相鄰工作面間形成更大的工作面見方而引起應(yīng)力集中。

圖3 工作面回采過程鉆屑量曲線

圖4 為1303 工作面回采過程中鉆屑量變化的曲線。從圖中能夠看出，在開采過程中，鉆屑量變化也有峰值。鉆屑量變化的峰值主要出現(xiàn)在鉆孔深部。其中，鉆屑量變化在工作面推進第 24、52、53、56、78、87、97d 超過鉆屑量變化預(yù)警值。這表明這些地方的應(yīng)力增長率超過了正常值。其中，工作面在推進第24、56及78d 時產(chǎn)生的鉆屑量變化較大，在推進第52、53、87及97 d 時產(chǎn)生的鉆屑量變化相對較小。

根據(jù)以上分析可知，鉆屑量與鉆屑量變化之間存在一定的差距。如推進至第53 d 時，鉆屑量變化未超過預(yù)警值，但鉆屑量超過預(yù)警值；如工作面推進至第24、56、78、87、97 d 時，鉆屑量未超過預(yù)警值，但鉆屑量變化超過預(yù)警值。但工作面推進至第56 d 和87 d時，鉆屑量和鉆屑變化均超過預(yù)警值。根據(jù)改進的鉆屑法得出：工作面在推進第56 d 和87 d 可能發(fā)生沖擊地壓，即工作面見方時易發(fā)生沖擊地壓。

5 結(jié) 論

1）未受采動影響的鉆屑量隨鉆孔深度的增加大致呈上升趨勢，但鉆屑量在鉆孔深度10 m 處出現(xiàn)一個波峰，說明此處為應(yīng)力升高區(qū)。

2）對比分析受回采影響前后鉆屑量的變化，受回采影響鉆屑量明顯高于未受回采影響鉆屑量。但受工作面回采影響的鉆屑量在其鉆孔深度范圍內(nèi)并未出現(xiàn)峰值，說明受回采影響，應(yīng)力峰值向巖體深部遷移。

3）根據(jù)1303 工作面回采過程中鉆屑量及鉆屑量變化，鉆屑量及鉆屑量變化的峰值間距能夠有效反應(yīng)工作回采過程中的應(yīng)力及應(yīng)力變化，工作面見方時易發(fā)生沖擊地壓。