段文超

(山西晉城煤業(yè)集團 勘察設(shè)計院有限公司， 山西 晉城 048006)

煤炭資源作為我國賴以發(fā)展的主要能源之一，有著不可替代的地位。近年來，機械化作業(yè)水平的快速進步促使煤炭產(chǎn)量有了大幅度的提高，淺部煤炭資源走向枯竭。進入深部開采后，由于煤層埋深加大，上覆巖層所帶來的應(yīng)力也進一步增加，導(dǎo)致深部煤炭開采存在較大安全隱患，其中最為顯著的是礦壓強度增加帶來的一系列安全問題[1-2]. 如何針對這一問題進行監(jiān)測預(yù)警，進而提前采取措施消除隱患，降低礦山事故發(fā)生的可能性，為本文研究的主要側(cè)重點。

1 工程地質(zhì)概況

河南能源義煤集團躍進煤礦坐落于義馬市區(qū)南部2 km位置處，是一座沖擊地壓礦井。躍進煤礦自2010年后每年原煤產(chǎn)量突破170 Mt，井田內(nèi)煤田沿走向長為3.8～6.9 km，沿傾向?qū)挒?.0～3.9 km，井田整體面積大約為21.4 km2. 井田內(nèi)主采2-1#煤層，厚度為7.4～13.8 m，平均厚度為10.6 m，傾角為5°～15°，平均傾角為10°，屬于緩傾斜特厚煤層賦存條件。目前該礦井已經(jīng)進入深部煤層開采階段，本文以典型的25110采煤工作面為工程研究背景，其平面布置情況見圖1.

圖1 25110采煤工作面平面布置圖

由圖1可知，25110采煤工作面一側(cè)為已經(jīng)開采完畢的25090工作面采空區(qū)，另外一側(cè)為實體煤。25110采煤工作面地表標高為+551～+596 m，工作面標高為-390～-452 m，平均埋深接近1 000 m，屬于深井采煤工作面。由于該采煤工作面開采深，上覆巖層自重對于工作面回采的影響較大，且25110工作面回采期間發(fā)生多次強礦壓顯現(xiàn)情況。

主采2-1#煤層的沖擊傾向性為強沖擊傾向性，屬于強沖擊危險工作面。對于25110采煤工作面的安全評價結(jié)論進一步證實了該工作面具有沖擊危險性。因此，為了防止25110工作面后續(xù)開采期間發(fā)生沖擊地壓事故，有必要采用多種監(jiān)測手段對工作面回采期間的礦壓顯現(xiàn)程度進行實時監(jiān)測預(yù)警。

沖擊地壓的誘發(fā)機理大致可分為煤層誘發(fā)型和頂板誘發(fā)型兩類[3-4]，見圖2.

圖2 工作面嚴重礦壓顯現(xiàn)誘發(fā)示意圖

由圖2a)可知，在25110采煤工作面回采期間，煤體內(nèi)因為工作面埋深較大以及開采引起的高應(yīng)力集中將會在煤體內(nèi)積聚較高的彈性應(yīng)變能，進而存在煤體瞬間失穩(wěn)誘發(fā)沖擊破壞的危險性。由圖2b)可知，在25110采煤工作面開采期間，工作面上方厚硬頂板的破斷將會產(chǎn)生較大的動載荷，動載荷以彈性應(yīng)力波的形式傳播至工作面采掘空間周圍煤體內(nèi)時，將會與煤體內(nèi)原本積聚的一定程度的靜載荷疊加作用而導(dǎo)致煤體瞬間失穩(wěn)誘發(fā)沖擊破壞的危險性。針對圖2a)所示的煤層誘發(fā)型礦壓顯現(xiàn)可以通過對煤層預(yù)先施打大直徑卸壓鉆孔、煤層注水等措施轉(zhuǎn)移煤體內(nèi)積聚的高集中靜載荷;而針對圖2b)所示的頂板誘發(fā)型礦壓顯現(xiàn)則需要在采煤工作面的整個回采期間進行實時監(jiān)測，通過一系列相關(guān)參量的監(jiān)測結(jié)果，實現(xiàn)對于頂板來壓的監(jiān)測預(yù)警，進而及時采取相應(yīng)的措施來消除頂板誘發(fā)型礦壓顯現(xiàn)對采煤工作面的安全高效生產(chǎn)帶來的潛在隱患。

2 頂板破斷力學(xué)分析

將25110采煤工作面平面布置圖簡化為三邊固支、一邊簡支的薄板平面結(jié)構(gòu)[5]，關(guān)于其受力情況見圖3.

圖3 工作面薄板平面受力簡化模型圖

根據(jù)圖3所示，工作面薄板平面受彎矩力情況可以通過如下公式計算得到：

(1)

式中:

a—采煤工作面的回采推進距離，m；

b—采煤工作面的寬度，m；

μ—泊松比；

q—工作面薄板上覆軟弱夾層對其施加的均布載荷大小，MPa.

通過對式(1)求導(dǎo)可知,工作面薄板內(nèi)彎矩最大值通常位于工作面寬度的中間位置處，即工作面沿中間位置最易發(fā)生破斷。而工作面寬度中間位置處沿推進方向做剖面，可以對工作面回采期間頂板的破斷運移狀態(tài)進行分析，見圖4.

根據(jù)圖4所示，隨著工作面的回采，其頂板呈現(xiàn)出圖4a)、b)、c)、d)4個步驟，并且會周而復(fù)始的依次循環(huán)這4個步驟，進而導(dǎo)致工作面回采期間頂板呈現(xiàn)出周期來壓的特點，而正是周期來壓的存在，導(dǎo)致工作面在來壓期間存在因為動靜載荷疊加作用而誘發(fā)嚴重礦壓顯現(xiàn)的危險性。針對頂板隨著工作面回采而呈現(xiàn)出的周期來壓特點，可以通過一系列的參量監(jiān)測來對其進行監(jiān)測預(yù)警。

3 多參量綜合監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

3.1 工作阻力參量監(jiān)測

25110采煤工作面回采期間，通過作業(yè)面內(nèi)液壓支架上所安裝的礦用數(shù)字壓力計可以實時對液壓支架的工作阻力進行監(jiān)測。分別在作業(yè)面上部、中部和下部的液壓支架上各安裝4組、5組和4組礦用數(shù)字壓力計。礦用數(shù)字壓力計布置情況見圖5.

圖5 作業(yè)面內(nèi)礦用數(shù)字壓力計布置示意圖

現(xiàn)場隨著25110采煤工作面的推進而監(jiān)測到的工作阻力數(shù)據(jù)情況見圖6.

圖6 工作阻力參量監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

圖6所示為隨著25110采煤工作面的推進而監(jiān)測到的工作阻力數(shù)據(jù)平均值，可以看到，隨著工作面的回采推進，工作阻力數(shù)據(jù)平均值呈現(xiàn)出周而復(fù)始的峰值—峰谷波動曲線，這也較好地驗證了前面理論分析的正確性?？梢砸罁?jù)工作阻力數(shù)據(jù)平均值相鄰峰值之間的距離計算出頂板的周期破斷步距，進而為工作面后續(xù)的回采提供參考依據(jù)。當工作面的推進距離接近于頂板的周期破斷步距時，就要及時采取措施，保證工作面不受頂板破斷影響，持續(xù)安全高效開采。

3.2 微震參量監(jiān)測

對25110采煤工作面2011年8月9日周期來壓前、中、后期間的微震參量進行監(jiān)測，見圖7.

圖7 微震參量監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

圖7所示為通過SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)對25110采煤工作面某一次周期來壓期間的能量事件的監(jiān)測結(jié)果，圖中所示能量事件的大小由不同的能量球大小來表示，能量球直徑越小，對應(yīng)的能量也越小，反之能量球直徑越大，對應(yīng)的能量也越大。由圖7a)可知，周期來壓前開始出現(xiàn)較大能量事件(能量事件最大值為2.3×105J)；由圖7b)中可見，周期來壓時出現(xiàn)特大能量事件(能量事件最大值為1.9×106J)；而由圖7c)中可見，周期來壓后能量事件中不存在較大能量事件和特大能量事件(能量事件最大值為4.8×104J)，說明頂板周期破斷時為能量釋放的主要時間節(jié)點。綜上分析可知，頂板周期來壓期間存在能量的釋放，且主要集中在周期來壓的前、中期階段，這也表明在頂板發(fā)生周期破斷來壓前就應(yīng)該及時采取措施，保證工作面不受頂板破斷所帶來的動載荷能量影響。

3.3 電磁輻射參量監(jiān)測

為了更好地對25110采煤工作面回采期間的安全性進行評價，及時發(fā)現(xiàn)潛在的危險隱患，可以對頂板來壓期間25110采煤工作面寬度的中間位置進行電磁輻射監(jiān)測[6]，典型電磁輻射參量監(jiān)測結(jié)果見圖8.

圖8 電磁輻射參量監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

圖8所示的3次典型周期來壓期間的電磁輻射參量表明，周期來壓時電磁輻射強度值將顯著增高并達到峰值，這表明頂板周期來壓時25110采煤工作面寬度的中間位置處煤體內(nèi)所積聚的能量值將發(fā)生顯著的增高，存在潛在的誘發(fā)沖擊的危險性，需要及時采取卸壓解危措施。

通過工作阻力參量、微震參量和電磁輻射參量，從不同的角度對25110采煤工作面回采期間頂板發(fā)生周期性破斷時的參量變化進行了分析，均能從某一角度較好地反應(yīng)出頂板周期破斷時參量的顯著變化情況，進而及時采取措施。多參量綜合監(jiān)測預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用能夠更加全面地對25110采煤工作面回采期間的礦壓強度進行實時監(jiān)測。多年來，該工作面未發(fā)生嚴重的沖擊地壓事故。

4 結(jié) 論

1) 采煤工作面回采期間所面臨的比較嚴重的礦壓顯現(xiàn)問題，從誘發(fā)因素分析大致可歸納為兩類，即煤層誘發(fā)型和頂板誘發(fā)型礦壓顯現(xiàn)。其中，頂板誘發(fā)型礦壓顯現(xiàn)則需要通過一系列相關(guān)參量的監(jiān)測結(jié)果，實現(xiàn)對于頂板來壓的監(jiān)測預(yù)警。

2) 鄰近采空區(qū)的接續(xù)工作面開采可以將其頂板視為三邊固支、一邊簡支的薄板平面結(jié)構(gòu)，且工作面薄板內(nèi)彎矩最大值通常位于工作面寬度的中間位置處，即工作面沿中間位置最易發(fā)生破斷。

3) 通過工作阻力參量、微震參量和電磁輻射參量，從不同的角度對采煤工作面回采期間頂板發(fā)生周期性破斷時的參量變化進行了分析，均能從某一角度反應(yīng)出頂板周期破斷時參量的顯著變化情況，進而保證工作面不受頂板破斷影響，持續(xù)安全高效開采。