掘进工作面冲击地压监测预警技术的探索与应用

林治国

（汶上义桥煤矿有限责任公司，山东 济宁 272500）

冲击地压监测预警目前仍然是煤矿冲击地压治理的难题，冲击威胁是当前矿井面临的主要问题[1]，合理有效的监测预警成为煤矿安全生产的重中之重。

1 概况

汶上义桥煤矿有限责任公司3307工作面位于三采区，其北侧为3305工作面，南侧为3309规划工作面，东侧为三采区胶带下山，西侧为YF7断层，埋深在390～760m。3307工作面轨道顺槽长1400m，胶带顺槽长1300m，切眼长200m。

1.1 地质情况

3307工作面轨道顺槽沿煤层底板掘进，3煤层顶板为灰色细砂岩，底板为深灰色粉砂岩。3煤层，黑色，玻璃光泽，条带状结构，块状构造，参差状，阶梯状断口，以亮煤、暗煤为主，夹镜煤条带，半亮型煤，本区一般含夹矸1～2层，夹矸为粉砂岩，煤层厚度约3.2～5.7m，平均4.3m。

1.2 煤及顶底板冲击倾向性

2012年10月煤科总院北京开采研究所岩石力学实验室鉴定了义桥煤矿3煤层顶、底板及其煤层的冲击倾向性。

1.2.1 煤层冲击倾向性

动态破坏平均时间值161ms，平均冲击能量指数值1.38，平均弹性能量指数值2.28，单轴抗压强度平均值为14.47MPa。综合判定3煤层具有弱冲击倾向性，具体如表1所示。

表1 3煤层冲击倾向性鉴定表

1.2.2 顶板岩石冲击倾向性鉴定

抗弯强度使用抗拉强度代替。顶板岩层弯曲能量指数为272.23kJ，判定顶板岩层属于Ⅲ类，具有强冲击倾向性。如表2所示。

表2 3号煤层顶板弯曲能量鉴定表

1.2.3 底板岩石冲击倾向性鉴定

抗弯强度使用抗拉强度代替。底板岩层弯曲能量指数4.47kJ，判定底板岩层属于Ⅰ类，无冲击倾向性。如表3所示。

表3 3号煤层底板弯曲能量鉴定表

1.3 冲击地压评价结论

3307工作面掘进发生冲击地压的可能性为“可能”，冲击地压危险状态等级为“中等冲击危险”；冲击类型以煤柱、构造影响耦合诱发冲击为主；表现形式为“炸帮”、煤炮或局部煤体涌出。

2 冲击地压综合防治方案

3307工作面采用钻屑法、KJ615应力在线、SOS微震监测系统相互配合的综合监测预警方式。

2.1 钻屑法监测

钻屑法是通过在煤层中施工小直径钻孔，以每米钻孔排出的煤粉量大于正常量作为鉴定冲击地压危险的一个指标，可在复杂地质条件下大范围采用，具有经济、实用、直观和可靠等优点[2]。

2.1.1 钻屑法监测设计

（1）揭露煤层1m后，先在正迎头施工一个钻孔进行煤粉监测。揭露煤层后煤帮长度达到8m以上时开始在迎头及迎头后8m范围内，对掘进迎头及两帮进行煤粉监测；每天掘进不大于10m时，每天早班进行一次监测；每天掘进大于10m时，每掘进10m进行一次监测。发现动压现象比较明显时，进行加密钻屑法监测，每5m进行一次钻屑法。

（2）巷道揭露煤层长度超过200m，在迎头后煤巷段按间距每帮200m±2m进行监测，两帮交错布置，每半月监测一次，每月两次监测的起始帮必须交替进行，不得两次均位于一帮。

（3）迎头揭露断层等地质构造，迎头上部为岩石顶板，下部为煤时，自见煤厚度达到2m以上时，开始实施钻屑法监测；迎头上部为煤，下部为岩石时，自见煤厚度达到1.5m以上时，开始实施钻屑法监测。

2.1.2 实施方法

（1）每次在正迎头及两帮各施工1个钻孔，孔深不小于12m，孔径42mm。迎头煤粉钻孔垂直于迎头面，帮部煤粉钻孔与巷帮走向（迎头方向）呈45°角布置，监测孔上下方向平行于煤层，左右方向垂直于煤壁，孔口距底板以1.0～1.5m为宜。

（2）使用ZQS-50/1.6S气动手持式钻机及与其配套的1m插接式麻花钻杆和Φ42mm钻头施工钻孔，钻进速度要均匀，推力和钻孔成一条直线，每1～2min钻进1m，每钻进1m测量1次煤屑重量。钻进到指定深度时，手持式钻机空转确保钻屑全部排出。收集钻出的煤粉（见表4），每钻进1m测量1次煤粉的体积或重量。将取钻屑地点、时间、煤粉量，以及钻进过程中出现的声响、卡钻、吸钻、钻孔冲击等异常动力现象记录在钻屑法检查记录表中。

表4 煤粉量的临界值

2.2 微震监测系统（SOS）

SOS微震监测系统能实时监测煤炮事件并科学定位，预测冲击地压高应力区准确率高[3]。因此3307工作面采用SOS微震监测系统对工作面24h冲击地压危险区域进行预测预报。

随着巷道掘进，实时捕捉微震事件，按微震事件的分布划分高应力区开展区域预警。微震监测处理方法：

（1）监测到大能量震动事件（掘进工作面能量达到或超过1×104J），应及时询问震源点附近区域并记录现场矿压显现、煤炮以及震动破坏情况。

（2）强化微震监测过程分析，监测到掘进工作面内两小时发生3次及以上能量大于1.0×103J的微震事件，或一小时发生1次及以上能量大于1.0×104J的微震事件时应立即安排钻屑法验证，确认超标时应及时进行冲击危险预警。

区域微震监测系统主要由井下检波器、地面采集仪、记录仪及分析系统组成。井下检波器分为探头式与拾震器，探头式监测半径500～800m，拾震器监测半径2.0km。根据三采区规划，拟采取“区间分布—区内集中”的监测方式。3307工作面掘进期间拟在三采区下山布置一个测点，在轨道顺槽掘进到1/3处、胶带顺槽掘进到2/3处时分别布置一个测点。

2.3 KJ615应力在线监测

KJ615掘进工作面冲击地压监测系统实现了对工作面围岩应力变化情况的连续监测，提高了冲击地压预警的及时性[4]。揭露煤层50m后，在距迎头25～30m巷道两帮煤体内安设一组应力传感器，然后每掘进25～30m时在巷道两帮安设一组应力传感器，最里侧一组测点滞后迎头不大于50m；钻孔应力计安装深度分别为6m和12m，间隔2～3m；初始油压为5MPa。根据揭煤情况可以增加传感器的安装数量。当应力传感器监测范围达到200m时，将最外面的一组应力传感器前移。应力在线预警值设置如表5所示。

表5 应力在线预警值设置

2.3.1 处理绿色预警的方法

当监测区段内的所有测点的压力值都是绿色预警值时，说明在该区段内无发生冲击地压的可能性或者卸压措施在监测区域内起到了卸压作用。

这时只需进行常规的钻屑法效果检验，如果煤粉量超标，或动力显现明显、煤炮频繁时及时修订预警值，否则表明该区段无冲击危险性。

2.3.2 黄色预警处理方法

当监测区段内任一组测点达到黄色预警（或当应力监测系统测点应力持续上升时，2h内增量超过1.0MPa），则在预警点两侧各5m范围内将卸压钻孔加密，由原3m缩小为1m。施工完后，在预警测点附近施工（距测点1m左右）进行钻屑法效果检验，若煤粉超标或矿压明显，则加密卸压钻孔，若煤粉量正常且无明显动压则只需加强观测。

当监测区段内有两组及以上测点达到黄色预警时，必须立即停止生产，生产人员先撤到安全地点，然后由防冲技术人员进行初步分析。经煤粉检测有冲击危险时在预警测点附近进行大直径钻孔卸压进行解危处理。

2.3.3 处理红色预警的方法

当监测区域内一组测点达到红色预警，则在预警测点附近进行大直径钻孔卸压，并进行钻屑法检验。同时分析预警产生的原因，以采取对应措施。

当监测区域内有两组以上测点达到红色预警，则需要进行停产，分析应力增加的原因，采取解危措施，直至危险解除后方可继续作业。

3 结 语

汶上义桥煤矿有限责任公司坚持“区域先行、局部跟进、分区管理、分类防治”的原则，采用钻屑法监测、应力在线监测和微震系统监测相配合的综合预警技术，以冲击地压实时监测预警系统为主，以钻屑法煤粉检验为辅，为监测预警和实施卸压措施提供了技术支撑，有效地遏制了冲击地压事故的发生。