特厚煤层综放工作面多参量监测预警分析*

2019-11-06凡聪聪

中国安全生产科学技术 2019年10期

张寅，凡聪聪

(辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新 123000)

0 引言

综放开采技术是厚煤层矿区采煤技术的发展方向[1-3]。自上世纪八十年代以来，我国在综放开采领域的研究取得了丰硕成果，解决了厚及特厚煤层开采面临的诸多问题[4-8]。

目前，国内一些学者就综放工作面的相关问题展开了进一步深入探讨。综放工作面矿压显现规律方面，于斌等[9]采用理论分析方法，对特厚煤层综放回采巷道超前支护段的矿压显现机制进行了研究；史红邈[10]通过对复杂地质条件下的松软厚煤层综放工作面支架阻力进行实测，得到了矿压显现规律；翟新献等[11]采用理论分析和现场支架阻力观测相结合的方法研究了巨厚砾岩层下的综放工作面矿压显现规律。在综放工作面岩层活动监测方面，刘杰[12]利用微震系统对特厚煤层综放工作面的围岩运动规律进行监测分析；于雷等[13]在采用微震监测技术的同时，又结合现场支架阻力观测，对综放工作面顶板活动规律进行了研究；孔令海等[14]采用高精度微地震监测技术，研究了微震事件的动态发展和分布规律，推断得到了特厚煤层综放工作面顶板岩层运动规律；而李春意等[15]则研究了大采深巨厚砾岩条件下的综放开采工作面地表岩移沉陷规律。

上述研究表明，厚煤层综放工作面的开采其矿压显现、岩移活动都具有一定的规律性，而对断层影响下的特厚煤层综放工作面受构造应力和自重应力作用形成的复杂应力场，采用单一监测手段难以把握规律性，会给安全生产带来相当风险。为此，本文基于微震活动、钻屑量、支架阻力和地表变形多种监测手段，分别分析回采过程中的参量变化情况，综合考虑4种监测手段下参数变化规律，为该矿提供预警信息。

1 工作面概况

义马煤田某矿12220工作面位于西二采区西翼，2-3煤轨道下山西侧，该面北临已回采的(2-3)12200工作面下巷(二者相隔8 m煤柱)，西至耿杨矿区边界断层，南部为未开采的2-3煤实体。上巷标高+184～+188 m，下巷标高+144～+155 m，地面标高+614～+648 m，平均采深约500 m。工作面标高+79～+156 m，工作面走向长度846 m，倾斜长度193 m，煤层倾角14°～17°。

该工作面煤层整体呈一向东南倾斜的单斜构造，但煤层结构较复杂，层理紊乱，煤层酥软。F16逆冲断层斜穿工作面，走向近东西，倾向南略偏东，断层位置处煤层底板连续，没有被断层断开。工作面顶板上部为泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩；下部为灰色、深灰色细砂岩。底部夹有薄层黑灰色粉砂岩，近煤处变为灰黑色、黑色泥岩，中夹煤线，含植物化石碎片。底板上部为煤矸互叠层，灰褐色易碎镜面发育，下面为细砂岩粉砂岩互层，灰色灰黑色局部含煤屑。该工作面所采煤层为2-3煤，黑色似层状，主要由亮煤，暗煤组成，下部灰分增高，层面附有丝炭薄层。该面煤厚9～21.6 m，储量利用厚度平均17.5 m，煤层结构复杂，含夹矸4～7层，均为泥岩，不稳定，累厚1.5～2.5 m左右。

2 微震活动监测

利用加拿大ESG公司生产的高精度微震监测系统对西区12220工作面自10月1日至12月27日回采期间发生的微震事件进行统计发现：该工作面共发生微震事件149个，其中5次方事件8个，占5.4%；4次方事件70个，占47%；3次方事件59个，占39.6%；2次方事件12个，占8.1%，其中最大事件能量为6.82×105J，发生在12月19日13∶20∶56。为进一步分析统计周期内微震事件当日总能量的周期性变化规律，绘制了1个不连续时间段内的能量-频次时序变化图，如图1所示。

图1 12220工作面微震事件总能量-频次时序变化Fig.1 Time sequence variation of total energy-frequency for microseismic events in 12220 working face

从图1中可知，当日总能量在间隔一定时间周期后均会出现1个明显的波峰，即达到峰值能量之后便会迅速下降。根据监测数据，统计了11个峰值能量的大小、间隔时间和回采间距，得到表1，取平均值，认为12220回采工作面微震事件的峰值能量周期约为3 d，回采间距约为4.5 m。

表1 12220工作面微震事件当日总能量峰值周期性统计Table 1 Periodic statistics of total energy peak on same day of microseismic event in 12220 working face

由此反映出煤岩体中弹性应变能在采动应力、自重应力、F16断层牵引和推覆构造应力叠加作用下的周期性积聚-释放-再积聚-再释放过程。同时，应特别注意持续的能量低位表现特征(如10月16日总能量6.73×102J，10月17日总能量9.77×103J，10月18日总能量0)，这种情况通常预示着较大能量微震事件的发生，原因是煤岩体中的弹性应变能没有得到有效释放，当局部达到煤岩体强度极限时，就会发生准脆性断裂破坏，同时释放出较大能量。

此外，为分析统计周期内微震事件的平面投影分布位置和大能量积聚区域，分别绘制了投影分布位置和大能量积聚区域图(见图2和图3)。

图2 12220工作面微震事件平面投影分布Fig.2 Plane projection distribution of microseismic events in 12220 working face

图3 12220工作面微震事件能量分布影像-能量范围(1.52×102～1.00×105 J)Fig.3 Plane projection distribution of microseismic events in 12220 working face (1.52×102J～1.00×105J)

图2及图3中的斜线填充区域为10月1日至12月27日的回采区域，走向长度约114 m，后部不规则多边形填充区域为采空区。以巨厚煤层影响带为界，F16断层上盘总计发生微震事件43个，5次方事件3个；F16断层下盘总计发生微震事件96个，5次方事件5个；巨厚煤层影响带内发生微震事件总计10个。

根据微震事件的能量大小，利用线性三角插值法，以微震事件1.0×105J作为判定高能量区的界限，绘制出整个工作面的高能量积聚区域，并将图3中的数字1，2，3指定区域标定为3个重点高能量异常区。

具体而言，1区位于原切眼向外173～316 m，上巷下帮40 m～上帮46 m范围内；2区位于原切眼向外240～376 m，下巷上帮31 m～下帮30 m范围内；3区位于原切眼向外160～220 m，工作面中部。分析原因：1区所处位置特殊，一方面包含了上部已采12200工作面遗留的8 m宽条形煤柱带，另一方面F16断层影响下的巨厚煤层带斜穿工作面和上巷，切割该煤柱，形成1个小三角区域。该区域在工作面回采推进过程中受超前支承压力、煤柱侧砌体梁结构支承端压力、断层推覆挤压构造应力以及自重应力共同作用下，使得应力集中程度不断加剧，导致4个5次方大能量微震事件发生；2区基本处在12月27日回采工作面下巷超前130 m位置，主要是受超前支承压力和断层构造应力以及自重应力三者叠加影响，共发生2个5次方事件；3区位于工作面中部，仅发生过1个5次方大能量事件，初步判断是倾斜工作面中部受自重应力影响，导致上部岩体在煤层回采后发生了较大的挠曲变形，同时积聚了大量弯曲应变能，当该应变能超过弹性极限时，就会发生准脆性断裂，以大能量微震事件的形式突然释放出来。

3 钻屑量监测

利用井下防爆慢速电钻(功率1.5 kw、转速430 r/min)，按照钻屑法监测施工技术要求，采用42 mm麻花钻杆，每节长1 m，插接式连接方式对上巷下帮和下巷上帮12 m范围内的煤体称取钻屑量进行统计。具体而言，在上巷下帮不同位置累计施工钻孔33个称取钻屑量，平均每米钻屑量为2.71 kg。下巷上帮不同位置累计施工钻孔12个称取钻屑量，平均每米钻屑量为2.94 kg。并分别绘制了单孔内最大钻屑量对应孔深位置的百分比饼状，如图4和图5所示。

图5 下巷上帮钻屑量最大值对应孔深位置Fig.5 Hole depth corresponding to maximum drilling cuttings weight at rise side of lower roadway

从图4，图5中可以看出，上巷下帮和下巷上帮所占百分比份额最大的连续孔深范围均为7～11 m。

根据现场监测，通过上、下巷共计45个钻孔，累计540 m长度的钻屑量统计数据，得出钻孔深度与平均钻屑量的关系近似为

V=0.17x+0.69

(1)

式中：V为钻屑量，kg/m；x为钻孔深度，m，其合理取值范围x=1～12 m。

式(1)表示了该矿不发生冲击时的钻孔深度与平均钻屑量的关系，低于式(1)计算的结果一般不会发生冲击地压，高于式(1)计算的结果，也不一定发生冲击地压，需要现场监测后再做定论。钻孔深度与平均钻屑量的关系如图6所示。

图6 预警冲击地压的指标确定Fig.6 Determination of indicators for early-warning of rockburst

所以由以上分析知，为防止该矿冲击地压的发生，现将平均钻屑量3 kg/m作为黄色预警临界值，3.5 kg/m作为红色预警临界值，并依据孔深位置所占百分比份额，定性认为上巷下帮7～11 m和下巷上帮9～11 m为较高应力集中区。

4 支架阻力监测

12220综放工作面共安装液压支架136架，自下拐头到上拐头，支架号从1号依次到136号。根据现场支架实时压力数据，选择10号、20号、30号、……、130号架的前柱工作阻力数据绘制了10月3日至12月15日的综采支架前柱阻力云图(见图7)。

图7 工作面支架前柱阻力Fig.7 Nephogram for resistance of front pillar in support of working face

图7中，分别用黑色多边形圈定了2个相对连续变化的高压力区。10月3日至10月15日期间，工作面中下部10架～70架范围内前柱压力普遍在20 MPa以上；10月15日至11月6日期间，工作面高压力区范围明显缩小，仅体现在中下部40～70架之间；11月21日至12月12日，工作面高压力区范围转移至工作面上部90～120架之间。

分析原因，主要是受放顶煤开采工艺影响，支架前、后柱初撑力偏低，存在不接顶、虚顶现象，导致整个支架梁上部煤体处于卸荷带影响范围内，较低的初撑力使煤体在自重和构造应力作用下发生挠曲变形。接近无约束状态下的煤体底部受拉，发生准脆性断裂破坏，因而可以在现场观察到多数支架顶梁上部煤体呈现大小不一的块状破碎情况。

5 地表变形监测

5.1 走向测点地表变形量

根据9月13日至12月6日，为期84 d的地表走向变形量数据，以12月6日工作面回采位置为界(上巷219.6 m，下巷212 m)，绘制了走向各测点的累计下沉量曲线图(见图8)。

图8 走向测点地表累计下沉量曲线Fig.8 Curves for cumulative surface subsidence of strike survey points

再结合12220工作面地表变形测点分布图(见图9)可以发现，截至12月6日，走向最大下沉量为0.762 m(N19测点，位于回采工作面后84.9 m)，最小下沉量为0.016 m(N4测点，位于回采工作面后612.3 m)。特别注意图9中N4～N13测点，9月13日～11月29日下沉量曲线较9月13日～11月22日的下沉量曲线有向上偏移现象，说明该走向范围内地表已发生隆起，隆起最大处为N4测点(位于回采工作面后612.3 m)，隆起0.038 m；隆起最小处为N13测点(位于回采面后273 m)，隆起0.007 m。总体而言，走向各测点依然维持了漏斗状下沉趋势。但从曲线的下凸斜率上看，面后N4～N12测点走向长度斜率最小，下沉角度为0.033°；N12～N19测点走向长度斜率最大，下沉角度为0.159°；面前N21～N23测点走向长度斜率居中，下沉角度为0.112°

图9 12220工作面地表变形量测点分布Fig.9 Distribution of survey points for surface deformation in 12220 working face

另外，通过绘制6个时间段内的走向测点日平均下沉速率曲线图(见图10)，可以进一步观察其动态变化过程。

图10 走向测点地表日均下沉速率曲线Fig.10 Curves for daily average surface subsidence rate of strike survey points

由图10可以看出，11月29日～12月6日7 d时间内各测点的日平均下沉速率，其变化较11月22日～11月29日7 d时间内的日平均下沉速率曲线发生明显上凸偏离，其中N19测点偏离程度最大，为17.285 mm/d。总体而言，面后N6～N19测点较之前1个周期下沉速率明显增大，反映出距回采工作面越近，高位岩层变形下沉活动越强烈；但N20～N23测点下沉速率曲线与之前1个周期基本重合，说明下沉速率维持恒定，面前高位岩层变形活动相对稳定。