“两硬”条件下冲击地压多参量监测预警体系

2020-09-09李莉丽

矿业安全与环保 2020年4期

李莉丽，王宁,2

(1.临沂大学土木工程与建筑学院，山东临沂 276005； 2.中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083)

数据显示，我国煤矿百万吨死亡率由2015年的0.162下降到2018年的0.093，首次降至0.1以下[1]。然而，我国煤矿开采条件复杂，煤炭资源埋藏深，随着开采深度和强度的不断增加，冲击地压的发生机理日趋复杂[2-4]，冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害愈发严重。2018年，贵州梓木戛煤矿“8.6”煤与瓦斯突出事故、山东龙郓煤业公司“10.20”冲击地压事故[5]，都是因为对重大灾害发生机理的研究不够透彻和灾害防治不到位造成的。

据不完全统计，我国发生过冲击地压的矿井数量已达到167对，分布在20多个省份[6]。另外，我国现有采深超千米的煤矿矿井共计47对，平均采深为1 086 m，深部复杂采动应力和高自重应力是诱发冲击地压的根本力源因素。而大同、兖州、新汉、大屯、徐州、淮南、淮北、肥城等矿区，在冲击地压显现深度相对较浅(300 m左右)的情况下，与突然卸载诱发的巷道和工作面表面局部煤体的材料失稳型冲击相比，冲击地压的发生更多是具有明显结构性特点和时空演化特征的整体冲击，复杂采动应力及采场的特殊地质构造条件导致了冲击地压的发生[7-9]，这些浅源冲击地压矿井多具有坚硬的顶底板组合条件即“两硬”条件。基于多参量的监测预警信息，构建时间上连续、空间上立体的监测预警体系，是冲击地压高效监测预警和及时解危的基础[10-12]。

针对大同矿区“两硬”条件下沿空回采巷道冲击地压显现的时空特征，对该矿区忻州窑矿沿空巷道回采期间多参量全方位的监测预警体系，以及冲击地压危险性的评价方法进行了介绍，并通过多参量监测预警体系动态检验冲击危险区域解危效果，可为大同矿区采取有针对性的冲击地压综合防治措施提供依据。

1 “两硬”冲击地压显现特征及影响因素

1.1 近期冲击地压实例分析

以大同矿区具有典型“两硬”条件的忻州窑矿为例，该矿冲击地压多发的井田西北角西二盘区受构造影响相对较小，但在连续采掘和大采高综放开采合并层的情况下，使得后续工作面开采受上部采空区和邻近工作面采空区的影响明显，冲击地压在沿空巷道和其他区域频繁显现。

在顶板和煤层均相对坚硬的条件下，冲击地压多发生在回采期间，显现的位置多集中在受邻近采空区和工作面超前应力影响范围内的沿空回采巷道。忻州窑矿11#煤层8935工作面典型冲击地压发生情况统计见表1。

表1 忻州窑矿8935工作面冲击地压记录

由表1可知，在8935工作面有记录的13起冲击地压中，仅有1起发生在工作面，其余12起均发生在5935巷，5935巷为该工作面的沿空侧巷道，这符合“两硬”条件下冲击地压多发生在沿空巷道的规律。

1.2 冲击地压显现特征

大同矿区比较典型的冲击地压矿井(忻州窑矿、同家梁矿、煤峪口矿等)煤层直接顶单轴抗压强度均在110 MPa以上，直接底单轴抗压强度也均在108 MPa以上。以忻州窑矿为例，其顶板砂岩的平均单轴抗压强度可达157 MPa，煤的抗压强度可达26 MPa。在顶底板坚硬、煤层相对坚硬的“两硬”条件下，相对顶底板，较软的煤体在坚硬顶底板的夹逼作用下积聚了大量的变形能，伴随坚硬顶底板和煤体中积聚的弹性变形能在采动应力影响下急剧释放并在采动空间引起煤岩体剧烈震动、变形和挤出。

大同矿区采深相对较浅，在“两硬”条件下，当坚硬煤层内采动应力集中并积聚了大量的弹性变形能后，常会引起冲击地压的频繁发生。弹性变形能主要以邻空煤体的材料破坏或煤层整体的平动滑移等形式瞬间释放，坚硬顶底板参与冲击但一般不发生明显破坏，多表现为弯曲变形能释放后的顶板下沉、垮落、产生局部裂缝和底鼓等，而破坏主要表现为煤体向采掘空间突出。

2 冲击地压多参量监测预警实践

2.1 监测预警体系

综合监测预警体系包括矿区、采区、工作面，以及超前危险区域多尺度监测体系，各监测措施之间具有各自的精度和针对性，因此，只有在总结不同采掘和解危措施作用下多参量监测数据时空发展规律的基础上，才能合理把握防冲的整个过程，实现时间上连续、空间上立体的不同时空尺度监测预警，如图1所示。

图1 冲击地压多参量监测预警体系示意图

在对采动应力增高区域、煤层赋存异常区域、地质构造影响区域等危险区域进行重点监测的基础上，全面覆盖采动应力影响区域，监测采动应力转移集中的全过程和能量积聚、释放的特征。

钻屑法是较为灵活的现场检测方法，通过钻屑量判别具体点位的应力集中情况，从侧面反映冲击危险性的大小。同时，在冲击危险工作面连续监测的矿压和电磁辐射数据，是冲击地压监测预警的基础数据来源。结合覆盖采区乃至矿区的微震监测，共同构成了“点—面—区域”多参量、全方位的监测预警体系，也可为后续实施解危措施指明方向。

明确了危险区域后，选取高效的解危措施有序释放在煤岩体中特别是煤体中积聚的弹性能，并在解危措施实施完成后结合多参量监测数据的动态变化情况来检验解危效果，在动态的监测预警和解危实践中不断增强监测手段的准确性和解危措施的有效性。综合指数法初步表明，忻州窑矿11#煤层8937工作面具有中等强度冲击危险性，鉴于上一回采工作面即8935工作面的冲击地压发生情况，对该工作面进行了系统的冲击危险性监测和解危效果反馈。

2.2 微震监测数据分析

微震事件的位置和能量大小是积聚在煤岩体中的弹性能剧烈释放的直接反映[13-14]。统计8937工作面回采期间的微震事件共18 377次，震源分布如图2所示。受邻近的8935工作面采空区影响，8937工作面回采期间的微震事件在空间上多发生在沿空的5937巷一侧，在空间上则随着工作面的推进，微震事件频次逐渐增加。

图2 8937工作面微震事件震源分布

2.3 电磁辐射监测数据分析

在8937工作面，主要监测5937沿空巷道超前100 m范围内沿空侧和工作面侧的电磁辐射强度值的变化，监测点间隔10 m布置，连续3 d的电磁辐射强度监测结果如图3所示。结合忻州窑矿现场冲击地压显现情况，电磁辐射强度的临界值大约为 100 mV，沿空侧和工作面侧的电磁辐射数据也都能较好地反映冲击地压危险性的大小。

图3 5937沿空巷超前100 m范围内电磁辐射强度监测结果

2.4 钻屑量分析

钻屑量是煤体应力的综合反映，也是反映冲击地压危险性的可靠指标。钻屑量检测结果表明，8937工作面沿空侧在煤层弱化前应力集中明显，应力峰值距离煤壁较近。但是，忻州窑矿的坚硬煤层钻屑量相对较少，这是由于坚硬煤体对应力条件变化的响应相对迟缓而导致的。

综合多参量监测数据，结合现场反馈，可较为准确地确定采掘动态过程中冲击地压危险区域的分布情况，从而采取合理的解危措施。而多参量监测数据的动态分析则是监测预警体系高效运行的关键。

3 解危效果反馈

3.1 解危措施

针对监测确定的冲击地压危险区域，采取了针对性的系统防治措施，对顶板及时地放顶和断顶是“两硬”条件下冲击地压矿井有效防冲的基础，而将坚硬煤层的强度进行弱化则是防冲的关键。主要采取以下几种措施。

1)煤层注水。煤层高压注水技术已在工作面降尘、防冲和防突实践中得到了广泛应用[15]。忻州窑矿首先在8937工作面11#煤层进行了试验，效果较为理想，表明合理注水可显著降低煤层冲击倾向性，并在后续采掘过程中结合动态监测预警信息不断改进推广。

2)钻孔卸压。在5937巷两帮进行钻孔卸压，现场钻孔窥视结果表明，单纯的钻孔不能较好地破碎煤体，达不到卸压效果，需要配合其他煤层弱化措施联合使用。

3)煤体卸压爆破。为削弱煤层的强度和储存弹性变形能的条件，在5937巷超前局部区域进行卸压爆破，用爆破的方法削弱煤层的强度和破坏储存弹性变形能的条件，是较为直接有效的煤层弱化措施。

3.2 现场效果分析

煤层强度弱化前后钻屑量对比如图4所示。可以看出，采取煤层弱化措施后，煤层钻屑量明显低于不采取弱化措施的煤体，煤粉粒度正常，钻进速度正常，检测显示距煤壁4 m左右范围内钻屑量出现阶段性峰值，之后趋于相对稳定。在不采取煤层弱化措施的情况下，两帮煤体应力较为集中。由图4可知，煤层弱化后应力峰值明显降低，相应的冲击地压危险性也更低。在8937工作面回采期间，并未发生破坏性冲击，证明多参量监测预警体系和动态调控效果良好。