凌志強，趙 森，頓長健

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西煤礦安全監(jiān)察局咸陽監(jiān)察分局，陜西 西安 710054；3.陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500；4.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

沖擊地壓已經(jīng)成為彬長礦區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害，區(qū)段煤柱區(qū)域是沖擊地壓顯現(xiàn)的主要地點。對于沖擊地壓礦井，受采掘影響，煤柱區(qū)域往往受到多個高應(yīng)力的疊加作用，導(dǎo)致煤柱附近易發(fā)生沖擊地壓，而沖擊危險性分析與評價是沖擊地壓預(yù)防的基礎(chǔ)。根據(jù)沖擊地壓啟動理論，微震、地音系統(tǒng)能夠連續(xù)監(jiān)測煤巖體破裂而為沖擊地壓提供的動載荷[1-2]，錨桿索軸力能反映出巷道支護(hù)質(zhì)量[3]，并可進(jìn)一步分析區(qū)段煤柱所受靜載荷的大小。根據(jù)區(qū)段煤柱寬度的不同，從沖擊地壓啟動能量來源方面研究沖擊地壓相關(guān)參量的變化，進(jìn)而確定沖擊危險性并提出合理的沖擊地壓防治措施[4-8]。

1 工程背景

40103回風(fēng)巷為大佛寺煤礦40103工作面回采巷道，其北側(cè)為40103運輸巷，南側(cè)為40104灌漿巷及40104采空區(qū)。40104灌漿巷高3.5 m、寬4.0 m，采用向工作面埋管注黃泥漿的方法對40104采空區(qū)預(yù)防性滅火，當(dāng)前已經(jīng)封閉。40103回風(fēng)巷與40104灌漿巷之間煤柱由20.0 m調(diào)整為8.0 m，與40104采空區(qū)區(qū)段煤柱由44.5 m調(diào)整為32.5 m。工作面煤層埋深平均408 m，平均煤厚15 m，直接頂為泥巖，老頂為粉砂巖，底板為鋁質(zhì)泥巖。40103工作面回風(fēng)巷布置如圖1所示，40103回風(fēng)巷區(qū)段煤柱寬度變化后剖面如圖2所示。

圖1 40103回風(fēng)巷平面布置示意圖

圖2 40103回風(fēng)巷區(qū)段煤柱寬度變化后剖面圖

2 煤柱寬度變化區(qū)沖擊地壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)采用微震臺網(wǎng)進(jìn)行實時監(jiān)測，通過提供震源位置和發(fā)生時間來確定微震事件及其釋放的能量[9-10]，并結(jié)合微震事件分布的位置判斷潛在的礦山動力災(zāi)害(沖擊地壓)活動規(guī)律，通過識別礦山動力災(zāi)害活動規(guī)律進(jìn)行危險性分析和預(yù)警[11-14]。ARES-5/E地音監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測小范圍低位煤巖體破裂所產(chǎn)生的動載荷，能夠?qū)ΡO(jiān)測區(qū)域內(nèi)的地音事件進(jìn)行實時監(jiān)測。

2.1 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)基本規(guī)律分析

對40103回風(fēng)巷掘進(jìn)期間調(diào)向前后微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，40103回風(fēng)巷調(diào)向后相較于調(diào)向前微震平均日頻次和日能量均大幅度升高。

表1 40103回風(fēng)巷調(diào)向前后微震事件統(tǒng)計

40103回風(fēng)巷微震事件平面分布如圖3所示，可見微震事件主要集中在40103回風(fēng)巷掘進(jìn)擾動區(qū)域。巷道調(diào)向前主要為1次方微震事件，占比達(dá)71%；調(diào)向后主要為2次方微震事件且多次出現(xiàn)3次方微震事件，占比達(dá)76%，并且巷道在掘進(jìn)過程中，現(xiàn)場煤炮現(xiàn)象頻繁，頂板較破碎。

圖3 40103回風(fēng)巷微震事件平面分布圖

通過上述分析可知，40103回風(fēng)巷區(qū)段煤柱變化后，40103回風(fēng)巷與40104采空區(qū)之間區(qū)段煤柱為32.5 m，40103回風(fēng)巷與40104灌漿巷之間巷間煤柱寬度為8.0 m，微震事件頻發(fā)，能量大幅度增加，沖擊危險性增大，且8.0 m的巷間煤柱造成巷道圍巖穩(wěn)定性較差，削弱了煤柱的承載能力及穩(wěn)定性。

2.2 微震活動揭示沖擊危險區(qū)域

40103回風(fēng)巷區(qū)段煤柱寬度變化區(qū)域微震能量分布云圖如圖4所示，圖中紅色區(qū)域微震能量較高，藍(lán)色區(qū)域微震能量較低。紅色區(qū)域主要分布在煤柱寬度變化后位置，區(qū)段煤柱寬度變化后微震能量E升高，沖擊危險性增強。

圖4 40103回風(fēng)巷微震能量分布云圖

2.3 地音監(jiān)測數(shù)據(jù)基本規(guī)律分析

在40103回風(fēng)巷掘進(jìn)過程中使用地音探頭監(jiān)測圍巖微小破裂事件，探頭距工作面30 m，隨著巷道掘進(jìn)，當(dāng)工作面距探頭110 m時，將探頭移至工作面30 m位置，以此方式循環(huán)移動。地音偏差值曲線如圖5所示，由圖5可知，根據(jù)相對應(yīng)的地音預(yù)警規(guī)則，2020-12-08至2020-12-13期間地音頻次和能量偏差值均明顯上升且呈波動狀態(tài)，地音預(yù)警危險等級升高。從時間分布上來看，40103回風(fēng)巷區(qū)段煤柱由44.5 m調(diào)整為32.5 m期間地音頻次和能量偏差值顯著升高。

圖5 40103回風(fēng)巷地音偏差值曲線

通過上述分析可知，區(qū)段煤柱調(diào)整后40103回風(fēng)巷區(qū)段煤柱應(yīng)力升高，在高應(yīng)力區(qū)內(nèi)掘進(jìn)時，應(yīng)力集中所積聚的彈性能在40103回風(fēng)巷與40104采空區(qū)相互擾動條件下釋放，巷道的沖擊危險性增高。

3 煤柱寬度變化區(qū)錨桿索軸力數(shù)據(jù)分析

利用錨桿索無損檢測儀對40103回風(fēng)巷煤柱寬度變化區(qū)內(nèi)的錨桿索進(jìn)行無損檢測，檢測儀可以在沒有損傷的情況下較為便捷地對錨桿索的工作軸力進(jìn)行檢測。

根據(jù)40103回風(fēng)巷工程地質(zhì)、開采條件和巷道支護(hù)等基礎(chǔ)資料及井下施工條件，在巷道掘進(jìn)穩(wěn)定一段時間后，對3個不同區(qū)域開展現(xiàn)場錨桿索無損檢測，40103回風(fēng)巷錨桿索軸力無損檢測位置圖如圖6 所示。為確保錨桿索施工質(zhì)量，錨桿索機(jī)械化施工，質(zhì)量監(jiān)督員全程監(jiān)督。

圖6 40103回風(fēng)巷錨桿索軸力無損檢測位置圖

區(qū)域1：巷道調(diào)向前區(qū)域，在巷道煤柱幫50 m范圍內(nèi)分別抽檢20根錨桿和20根錨索。

區(qū)域2：巷道調(diào)向后區(qū)域，在巷道煤柱幫50 m范圍內(nèi)分別抽檢20根錨桿和20根錨索。

區(qū)域3：采取防沖措施區(qū)域，在巷道煤柱幫50 m范圍內(nèi)抽檢20根錨索。

上述3個區(qū)域地質(zhì)條件基本相同，此次共對 2個區(qū)域40根錨桿和3個區(qū)域60根錨索的軸力進(jìn)行檢測，根據(jù)各個區(qū)域的軸力檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，去除偏差較大數(shù)據(jù)。40103回風(fēng)巷錨桿索平均軸力統(tǒng)計如表2所示。

表2 40103回風(fēng)巷錨桿索平均軸力統(tǒng)計

通過上述分析可知，區(qū)段煤柱調(diào)整后煤柱幫錨桿索軸力均有不同程度的增加，巷道調(diào)向前巷道支護(hù)質(zhì)量最佳，巷道調(diào)向后巷道支護(hù)質(zhì)量最差，32.5 m區(qū)段煤柱相比44.5 m區(qū)段煤柱承受更高的側(cè)向支承壓力，導(dǎo)致巷道應(yīng)力集中，錨桿索長時間高負(fù)荷承載，會造成巷道支護(hù)受損，沖擊危險性增大。

4 煤柱變化區(qū)沖擊危險性升高的原因分析

煤柱寬度變化后，微震、地音監(jiān)測到的事件能量和頻次明顯升高，40103回風(fēng)巷煤柱寬度變化后沖擊危險性增大。44.5 m和32.5 m不同寬度區(qū)段煤柱側(cè)向支承壓力分布情況如圖7所示。

L—巷道與采空區(qū)的距離；σ—煤體應(yīng)力；σ1—44.5 m煤柱區(qū)應(yīng)力峰值；σ2—32.5 m煤柱區(qū)應(yīng)力峰值。

由圖7可知，44.5 m區(qū)段煤柱應(yīng)力峰值σ1小于32.5 m區(qū)段煤柱應(yīng)力峰值σ2;巷道調(diào)向后，煤柱兩側(cè)的應(yīng)力進(jìn)一步疊加，煤柱應(yīng)力集中程度升高。由于44.5 m區(qū)段煤柱由44.5 m調(diào)整為32.5 m導(dǎo)致煤柱應(yīng)力集中程度增加是40103回風(fēng)巷沖擊危險性升高的主要原因，并且由于20.0 m的巷間煤柱變?yōu)?.0 m，在近場圍巖擾動的情況下，圍巖體更加易破碎，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖支護(hù)質(zhì)量下降。

5 沖擊地壓防治實踐

根據(jù)煤柱寬度變化后沖擊地壓相關(guān)參量變化情況，采取了巷道局部分源防治的技術(shù)措施，使巷道四周形成卸壓區(qū)[15-20]，轉(zhuǎn)移巷道四周的高靜載荷，并有效防止動載荷誘發(fā)沖擊地壓，從而保證巷道圍巖的穩(wěn)定性。

1)弱化靜載荷源

為了消除40103回風(fēng)巷圍巖掘進(jìn)過程中積聚的靜載荷源，在工作面、回采幫和底板采取卸壓措施，卸壓參數(shù)如圖8所示。

圖8 大直徑鉆孔參數(shù)設(shè)計

采用?32 mm×200 g型炸藥對工作面和回采幫爆破卸壓，采用?153 mm鉆孔對底板卸壓，轉(zhuǎn)移和釋放圍巖靜載荷源。

2)增強煤柱穩(wěn)定性

40103回風(fēng)巷煤柱幫采用注漿錨索，將錨索錨固段固定在深部圍巖中，為張拉錨索產(chǎn)生預(yù)緊力提供可靠的錨根。注漿能封閉錨索孔，擠出孔內(nèi)空氣和水，防治錨索腐蝕，增強錨索的耐久性；漿液通過裂隙滲透到圍巖體內(nèi)部，固結(jié)圍巖以增強圍巖穩(wěn)定性。

3)提高支護(hù)強度

將40103回風(fēng)巷的兩幫螺紋鋼錨桿(長2.5 m、?22 mm)更換成錨索(長3.5 m、?21.8 mm)，通過錨索施加的預(yù)緊力可抵抗深部圍巖變形和破壞，提高巷幫的支護(hù)強度。

6 防沖效果檢驗

采取上述沖擊地壓防治措施后，采用ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)和煤柱幫錨桿索軸力無損檢測儀對40103回風(fēng)巷沖擊危險性進(jìn)行效果檢驗。

對調(diào)向后的40103回風(fēng)巷采取防沖措施前后的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表3所示。

表3 40103回風(fēng)巷采取防沖措施前后微震事件統(tǒng)計

相比兩個時間段微震平均日頻次和平均日能量，采取防沖措施后微震頻次和能量均明顯降低。

40103回風(fēng)巷調(diào)向后，采取防沖措施后錨索軸力統(tǒng)計見表4，可以看出，巷道采取防沖措施后相比巷道調(diào)向后平均錨索軸力降低了30%，且處于合理區(qū)間。

表4 40103回風(fēng)巷調(diào)向后、采取防沖措施后錨索軸力統(tǒng)計

通過上述分析可知，卸壓措施有效降低了圍巖內(nèi)的靜載荷，降低了巷道支護(hù)體的受力水平。通過采取針對性的防沖措施，實現(xiàn)了巷道的安全掘進(jìn)。

7 結(jié)論

以大佛寺煤礦40103回風(fēng)巷為例，根據(jù)沖擊地壓相關(guān)參量的變化情況，分析了沖擊危險性的變化原因，并提出針對性的防沖措施。

1)采用微震、地音監(jiān)測系統(tǒng)對特厚煤層區(qū)段煤柱寬度變化區(qū)進(jìn)行了沖擊危險性分析，并指出煤柱的變化是造成沖擊危險性增大的主要原因。

2)以實測錨桿索軸力為參數(shù)，對40103回風(fēng)巷支護(hù)質(zhì)量進(jìn)行了評價，巷道調(diào)向后支護(hù)質(zhì)量最差。

3)經(jīng)過分析，區(qū)段煤柱由44.5 m調(diào)整為32.5 m，導(dǎo)致采空區(qū)側(cè)支承壓力集中程度增加，20.0 m巷間煤柱變?yōu)?.0 m巷間煤柱導(dǎo)致2條巷道的側(cè)向支承壓力疊加且圍巖體破碎，進(jìn)而導(dǎo)致沖擊危險性增強。

4)實施弱化靜載荷源、增強煤柱穩(wěn)定性和提高支護(hù)強度等防治措施，并通過微震事件相關(guān)參量的變化趨勢和實測錨索軸力進(jìn)行對比分析，對沖擊地壓防治措施效果加以驗證，實現(xiàn)了40103回風(fēng)巷安全掘進(jìn)。