張 坤，方 海，李邵東，神瑞亮，任 尚

(1.內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；3.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

2019年，我國煤炭總產(chǎn)量達到37.5億t，據(jù)不完全統(tǒng)計，內(nèi)蒙古自治區(qū)、陜西省、新疆維吾爾自治區(qū)等三個省(區(qū))的煤炭產(chǎn)量約占全國煤炭總產(chǎn)量的51%以上，長期大規(guī)模、高強度開采導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)煤礦沖擊地壓事故的發(fā)生頻次和強度逐漸增加[1]。沖擊地壓是指煤巖體劇烈失穩(wěn)導(dǎo)致其內(nèi)部聚集的彈性能瞬間釋放的動力現(xiàn)象，其破壞性極大，往往會造成巷道變形、支架損壞，嚴重時會導(dǎo)致人員傷亡[2]。針對沖擊地壓的發(fā)生機理，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量基礎(chǔ)理論研究。齊慶新等[3-4]、潘一山[5]指出沖擊地壓按照發(fā)生機制的不同可以分為應(yīng)變型沖擊地壓和滑移型沖擊地壓。竇林名等[6-7]通過研究表明沖擊地壓發(fā)生受靜載應(yīng)力場和動載應(yīng)力場疊加的影響較大。姜耀東等[8]指出按照沖擊地壓發(fā)生前煤巖體受力狀態(tài)可以將沖擊地壓劃分為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型和材料失穩(wěn)型。綜合來看，沖擊地壓發(fā)生機理的復(fù)雜性導(dǎo)致其防治和監(jiān)測預(yù)警工作存在一定的困難。因此，針對沖擊地壓如何進行有效防治并建立相應(yīng)的預(yù)警監(jiān)測體系一直是采礦領(lǐng)域的熱點問題之一[9]。

目前，較為成熟的沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警技術(shù)主要包括鉆屑法[10]、微震監(jiān)測法[11-12]、地音監(jiān)測法[13]以及聲發(fā)射/電磁輻射監(jiān)測法[14-15]等。以上監(jiān)測預(yù)警技術(shù)在我國煤礦企業(yè)均得到了很好的應(yīng)用，但由于我國煤炭賦存條件較為復(fù)雜，采用以上單一方法的預(yù)警指標進行沖擊礦壓監(jiān)測預(yù)警時具有一定的局限性[16]。同時，礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)時空演化的多樣性以及不同監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)警值量綱的不同導(dǎo)致多參量間耦合分析較為復(fù)雜，因此，十分有必要開展沖擊地壓不同監(jiān)測系統(tǒng)間聯(lián)合預(yù)警方面的相關(guān)研究，通過多參量預(yù)警指標間的對比和相互印證，從而達到工作面超前區(qū)域沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警的目的。

本文以巴彥高勒煤礦回采期間出現(xiàn)過動力顯現(xiàn)現(xiàn)象的311305工作面為研究背景，開展了大埋深、堅硬頂板、厚煤層條件下的沖擊危險區(qū)聯(lián)合監(jiān)測預(yù)警技術(shù)方面的實踐。通過數(shù)值模擬的方法預(yù)分析了工作面超前區(qū)域應(yīng)力集中段，采用聯(lián)合對比分析的方式研究了不同監(jiān)測系統(tǒng)與沖擊前兆響應(yīng)之間的時空演變規(guī)律，探討了多參量耦合判別沖擊礦壓危險性的可行性，并結(jié)合現(xiàn)場鉆檢和爆破卸壓的方式，為有效保證礦井安全生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

巴彥高勒煤礦位于內(nèi)蒙古呼吉爾特煤田內(nèi)，含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，研究涉及的311305工作面平均埋深650 m，煤層平均厚度為5.38 m，傾角約為3°，工作面一側(cè)為采空區(qū)，另一側(cè)為實體煤，區(qū)段煤柱寬度為6 m，工作面位置如圖1所示。煤質(zhì)f=2～3，實驗室測得煤單軸抗壓強度9.2 MPa，煤層頂板存在10～40 m厚的弱膠結(jié)砂巖層，根據(jù)中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院對該礦煤巖層沖擊傾向性鑒定結(jié)果：3-1煤層及頂?shù)装鍘r層均具有中等沖擊危險性。

圖1 311305工作面位置示意圖Fig.1 Layout diagram of 311305 working face

2 沖擊危險區(qū)域判定方法

圖2為多參量耦合判別沖擊礦壓危險性的流程圖，具體方式為：首先對工作面超前區(qū)域應(yīng)力分布進行預(yù)分析；其次，將超前區(qū)域采集的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、支架應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)以及聲電輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)進行聯(lián)合對比分析，研究沖擊事件發(fā)生前兆與各監(jiān)測手段間的動態(tài)響應(yīng)機制，判定工作面前方?jīng)_擊危險區(qū)域分布；最后，結(jié)合現(xiàn)場鉆檢結(jié)果，有針對性地采取相應(yīng)的卸壓措施。

圖2 多參量耦合判別沖擊礦壓危險性及防治流程圖Fig.2 Flow chart of multi-factor coupling to identifythe risk of strong impact ore pressureand prevention

3 基于多因素耦合判別法的工程應(yīng)用

3.1 工作面前方應(yīng)力場分布

基于巴彥高勒煤礦3#煤層的實際情況，以311305工作面為研究背景，利用FLAC3D軟件構(gòu)建了尺寸為1 000 m×800 m×160 m的幾何模型，在311305工作面和311306采空區(qū)兩側(cè)分別留設(shè)100 m的煤柱以抵消邊界效應(yīng)，如圖3所示。設(shè)定模型的四周以及底部邊界位移及加速度為0，采用固定約束，在模型上部根據(jù)實際埋深施加12.8 MPa的等效垂直應(yīng)力載荷，根據(jù)煤層的力學(xué)參數(shù)，采用摩爾-庫倫破壞準則進行迭代計算，跨落帶采用雙屈服模型處理。3#煤層的埋深為650 m，平均厚度為5.4 m，在311305工作面和311306采空區(qū)之間留設(shè)6 m小煤柱，模擬過程中，回采工作面的開采順序依照現(xiàn)場工作面開挖順序進行設(shè)置，首先將模型左側(cè)311306工作面開挖形成采空區(qū)，采空區(qū)處理時采用model null命令；模擬311305工作面在不同回采距離時工作面前方煤巖體超前支承應(yīng)力分布范圍以及應(yīng)力集中特征。

圖3 311305回采工作面開采模型Fig.3 Mining model of 311305 working face

圖4為工作面回采至20 m、50 m、100 m、150 m、200 m、300 m時沿走向應(yīng)力分布云圖。由圖4(a)～圖4(f)可知，隨著工作面的推進，在煤層走向方向上，采動應(yīng)力的超前影響距離約為270 m，采動應(yīng)力增長區(qū)超前工作面10～80 m，采動應(yīng)力集中區(qū)在工作面前方10～50 m；在工作面回采至300 m時，超前支承應(yīng)力峰值為22.63 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為2.2。相鄰采空區(qū)以及未開采煤體對工作面前方應(yīng)力分布影響略有差異，兩者疊加應(yīng)力峰值區(qū)域大致集中在工作面前方5～30 m處的煤體中；由圖4還可以看出，在切眼后方30～50 m范圍內(nèi)存在一個應(yīng)力較高區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)應(yīng)力峰值約為20 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.0；在工作面開采擾動的復(fù)合作用下，回風順槽的生產(chǎn)幫以及運輸順槽的生產(chǎn)幫出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，會引起巷道產(chǎn)生底鼓和變形等。

圖4 工作面回采過程中走向應(yīng)力分布變化圖Fig.4 Strike stress distribution diagram of mining process in working face

圖5為工作面回采至20 m、50 m、100 m、150 m、200 m、300 m時工作面傾向方向上的應(yīng)力分布云圖。由圖5可知，工作面傾向方向上超前應(yīng)力的分布范圍約為245 m，側(cè)向采動應(yīng)力增長區(qū)域超前工作面10～60 m，側(cè)向采動應(yīng)力集中區(qū)在工作面前方10～50 m區(qū)域，峰值應(yīng)力為22.63 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)約為2.2。綜合分析圖5(a)～圖5(f)可知，隨著工作面的推進，工作面臨空順槽側(cè)面向?qū)嶓w煤約25 m處存在一個應(yīng)力集中區(qū)，傾向采動應(yīng)力的分布呈現(xiàn)先逐步增大后逐步減小的趨勢；當工作面推進至300 m處時，傾向采動應(yīng)力的峰值顯著增加，此時的應(yīng)力值為24.34 MPa，集中系數(shù)為2.4。開采至該區(qū)域時臨空順槽側(cè)具有很強的沖擊危險性，應(yīng)加強支護。

圖5 工作面回采過程中傾向應(yīng)力分布變化圖Fig.5 Propensity stress distribution diagram of mining process in working face

3.2 工作面支架阻力數(shù)據(jù)對比分析

圖6為311305工作面支架工作阻力圖。由圖6可知，311305工作面支架阻力的變化趨勢能夠很好地反映工作面周期來壓情況，并且在工作面推進至275 m附近時，靠近“初次見方”位置(工作面寬度為300 m)，支架阻力持續(xù)上升，結(jié)合現(xiàn)場可以判定工作面前方超前支承應(yīng)力集中程度較高，與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，因此需要聯(lián)系現(xiàn)場采取卸壓措施。

圖6 311305工作面推進至300 m附近時礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)圖Fig.6 Mine pressure monitoring data map of 311305 working face pushed to 300 m

3.3 聲發(fā)射、電磁輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖7為311305工作面推至300 m位置附近時的聲發(fā)射電磁輻射監(jiān)測圖。由圖7可知，在3月份的監(jiān)測數(shù)據(jù)中共出現(xiàn)了3次明顯的峰值，在峰值處電磁輻射的強度在60 mV附近波動，聲發(fā)射幅值在55 mV附近波動，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)可以判定這幾次峰值均是由于周期來壓導(dǎo)致的。在3月23日前后，工作面推進至距“初次見方”30 m位置，此時聲發(fā)射幅值以及電磁輻射強度持續(xù)上升，并超過虛線警戒線，說明此時工作面前方應(yīng)力集中程度較高，發(fā)生沖擊地壓的傾向性顯著增加，需要聯(lián)系現(xiàn)場工人進行卸壓鉆孔解危措施。

圖7 311305工作面推進至300 m位置附近時聲電監(jiān)測數(shù)據(jù)圖Fig.7 Acoustic monitoring data map of 311305 working face pushed to 300 m

3.4 微震數(shù)據(jù)對比分析

圖8為311305工作面微震監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析圖。由圖8可知，3月1日—3月3日，微震監(jiān)測數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)，3月6日微震監(jiān)測能量值陡升為13 580 J，現(xiàn)場頂板發(fā)生斷裂后，微震監(jiān)測能量值急劇下降，重新回歸沉寂期；3月12日，微震監(jiān)測能量值升至15 374 J，現(xiàn)場監(jiān)測到周期來壓后，微震監(jiān)測能量值顯著下降，與聲電監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢具有較好的一致性；3月23日，現(xiàn)場監(jiān)測到的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)持續(xù)上升，這一過程在3月23日—3月26日期間一直持續(xù)，因此判定前方為沖擊危險區(qū)域。

圖8 311305工作面推至“初次見方”附近微震監(jiān)測數(shù)據(jù)變化圖Fig.8 Microseismic monitoring data diagram of 311305 working face pushed to “first sight” position

3.5 現(xiàn)場防治措施

3.5.1 現(xiàn)場鉆檢結(jié)果

在根據(jù)數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實時監(jiān)測確定沖擊危險區(qū)域之后，巴彥高勒煤礦在311305工作面回采至距切眼260 m處，工作面超前30～70 m區(qū)域施工了5組鉆屑檢驗孔，鉆檢間距為10 m，應(yīng)力集中區(qū)的鉆屑量曲線如圖9所示。由圖9可知，5組鉆孔中有2組的鉆屑量已經(jīng)超過預(yù)警值，并且超前30 m鉆孔、40 m鉆孔和50 m鉆孔均出現(xiàn)動力顯現(xiàn)現(xiàn)象，表現(xiàn)為吸鉆或者卡鉆，因此該位置采集的煤屑量為0，吸鉆位置主要集中在鉆孔深度8～12 m區(qū)域，根據(jù)鉆檢結(jié)果，工作面前方存在較強的沖擊地壓危險。

圖9 應(yīng)力集中區(qū)鉆屑量曲線Fig.9 Amount of drill chips curve in stress concentration area

3.5.2 現(xiàn)場防治措施

根據(jù)多參量耦合判別沖擊礦壓危險性方法，判定311305工作面前方存在較強的沖擊危險性后，現(xiàn)場采用大直徑鉆孔(Φ110～150 mm)卸壓措施對危險區(qū)域進行卸壓作業(yè)，鉆孔布置在距底板1.2～1.5 m處，鉆孔深度為15.0 m，危險區(qū)域鉆孔間距定為2.0 m，兩幫卸壓孔距工作面距離為3 m。采取措施后，次日早班時，測得的聲電監(jiān)測數(shù)據(jù)降至40 mV，微震監(jiān)測數(shù)據(jù)降至522 J，鉆屑量亦未超標，證明了多參量耦合判別沖擊礦壓危險性方法的現(xiàn)場適用性，該方法可以很好地對工作面前方超前應(yīng)力集中去進行判別，從而達到顯著降低工作面沖擊地壓事故發(fā)生幾率的目的。

4 結(jié) 論

1) 針對大埋深、堅硬頂板、厚煤層復(fù)雜條件下易發(fā)生沖擊地壓危險的工作面，單一沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警方式難以準確對現(xiàn)場進行預(yù)警的技術(shù)難題，提出了多參量耦合判別工作面前方?jīng)_擊地壓危險區(qū)域判別方法，采用此方法顯著提高了該類地質(zhì)條件下沖擊地壓預(yù)測的準確性，為現(xiàn)場實施卸壓解危提供了依據(jù)。

2) 以內(nèi)蒙古巴彥高勒煤礦311305工作面為評價對象，開展了多參量耦合判別沖擊礦壓危險性方法的現(xiàn)場實踐。通過數(shù)值模擬預(yù)分析工作面超前應(yīng)力集中區(qū)，結(jié)合現(xiàn)場微震監(jiān)測數(shù)據(jù)、支架阻力監(jiān)測數(shù)據(jù)以及聲發(fā)射、電磁輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)，準確判別了應(yīng)力異常區(qū)，并進行了爆破卸壓，有效避免了沖擊事件的發(fā)生。

3) 如何將不同預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)得到的沖擊地壓發(fā)生臨界值進行歸一化處理，從而形成沖擊地壓聯(lián)合監(jiān)測預(yù)警技術(shù)體系，進一步提高沖擊地壓多因素耦合監(jiān)測預(yù)警的效率仍需進一步深入研究。