深部矿井复合构造区冲击地压预警方法

2021-02-22马小辉吕大钊王东杰

陕西煤炭 2021年1期

马小辉，吕大钊，王东杰，高刚

(陕西彬长孟村矿业有限公司，陕西咸阳 712000)

0 引言

随着我国煤炭浅部资源的逐步枯竭，现有或者新建矿井多已转向深部开采，伴随而来的便是越来越频繁的冲击地压灾害[1-3]。对于冲击地压发生机理，国内外很多学者提出了很多理论[4-6]。目前较为熟知与接受的主要有强度理论、能量理论、刚度理论、冲击倾向性理论、动静载叠加诱冲等。但对于冲击地压预警大部分仍停留在各种冲击地压监测系统上，尤其是对深部矿井复合构造区的冲击地压预警方面，靠单一监测预警系统很难有效实现冲击地压预警，并且复合构造区冲击地压往往具有一定的周期性。如何对复合构造区冲击地压进行周期性预警，已经成为深部矿井安全生产所面临的最严峻的问题之一。

1 矿井概况

1.1 矿井地质条件

以陕西彬长矿区孟村煤矿中央大巷复合构造区域为例，该矿井煤层为近水平煤层，4号煤层为唯一可采煤层，埋深约为600～800 m，为典型深部矿井，埋深已超过当地煤田冲击地压临界深度，且该煤层经鉴定为具有强冲击倾向性。该矿中央大巷均布置在4号煤层中，埋藏深度在700 m以上，其中，中央带式输送机大巷、中央一号辅运大巷及中央二号回风大巷均已施工至403盘区边界，各大巷间距35 m，中央大巷附近布置有401101工作面，401101运顺距离中央二号回风大巷200 m，具体布置如图1所示。其中，中央大巷附近赋存有DF29大断层，其延展长度约3 km，较大的褶曲构造为 B2背斜、X1向斜。受该区域向斜、背斜、断层组成的复合构造区影响，该区域从2014年巷道掘进以来已发生数十次冲击地压，造成巷道大面积底鼓、浆皮脱落，已严重影响矿井的后续开采计划。

图1 矿井中央大巷布置平面图

1.2 矿井冲击地压监测系统

1.2.1 SOS微震监测系统

孟村SOS微震监测系统始建于2015年，该系统由记录仪、分析仪、拾震器和数字传输系统等组成。该监测系统为区域监测系统，能监测全矿微震事件，根据微震监测系统定位原理，在中央大巷构造区及其附近布置有6个微震探头，用于监测中央大巷及401101工作面微震频次及能量。

1.2.2 震波CT

矿井采用EMAG公司的24通道PASAT-M型便携式微震探测系统。该系统具有体积小、重量轻、安装方便、所需配套工程量小等特点。根据速度场的大小，可确定工作面范围内应力场的大小，从而划分出高应力区和高冲击矿压危险区域。矿井先后在中央大巷构造区及401101工作面进行了震波CT探测，对这些区域进行了冲击地压危险区域精准划分。

1.2.3 KJ24煤体应力在线监测

矿井建设有KJ24应力在线监测系统，其核心构成有地面监测服务器、矿用本安型光端机、矿用本安型压力监测子站、矿用本安型数字压力计、围岩移动传感器、锚杆(索)应力传感器、激光测距仪、矿用隔爆兼本安不间断电源、本安接线盒、通信电缆等。矿井先后在401101工作面和中央大巷构造区布置有超100个GZY60W矿用本安型钻孔应力传感器，这些传感器为孟村煤矿及时掌握围岩集中静载荷及冲击地压危险性变化情况、采掘扰动范围、检验煤层卸压效果起到了重要作用。

2 冲击地压周期性预警方法

2.1 复合构造区冲击地压四要素

根据窦林名的动静载叠加诱冲原理[7]和潘俊峰的冲击启动理论[8]，冲击地压影响要素为动载荷和静载荷。在深入研究前人理论的基础上[9-12]，结合矿井现场地质条件、冲击规律，在冲击地压动静载荷的基础上扩展为冲击“四要素”，即静载荷的积聚位置、积聚周期和动载荷的来源、供给时间。

2.1.1 静载荷的积聚位置

如图1所示，该矿中央大巷先后穿越B2背斜、DF29断层、X1向斜，该构造区在地质运动过程中就积聚了大量的构造应力，故区域是整个中央大巷静载荷主要积聚点，这种特点是“与生俱来”的。根据损伤力学的观点，一个区域内发生过一次破坏后，将形成不可逆的损伤，该点将成为整个区域的薄弱点。该点附近围岩强度低于其他区域，抵抗破坏变形的能力下降，再次发生冲击地压时，极易可能在该点附近显现，导致复合构造区一旦发生过一次冲击地压后可能在该区域发生多次后续冲击。

2.1.2 静载荷积聚周期

当中央大巷构造区发生冲击地压后，释放大量能量，造成周围巷道的破坏，同时形成一个短暂的应力降低区。但随着地应力重新分布，该区域静载荷会逐渐积聚，直至积聚至原水平附近。从静载荷释放到重新积聚至原水平附近的时间称为静载荷积聚周期。该周期可通过煤体应力在线监测系统进行静载荷数值变化方面的监测。

2.1.3 动载荷来源

通过图1和图2可知，401101工作面的回采扰动对中央大巷构造区冲击地压的发生具有重要的影响。中央大巷动载荷来源经过分析，主要有采空区顶板断裂、采空区顶板活动诱发断层活化导致附近顶底板断裂、采空区震源释放的动载荷导致中央大巷高应力区顶底板断裂。3种动载荷互相耦合，为中央大巷冲击地压启动提供动载荷，进一步诱发中央大巷构造区冲击地压。

图2 中央大巷构造区动载荷来源示意

2.1.4 动载荷供给时间

通过分析可知，中央大巷构造区主要受401101工作面回采扰动影响。经过初步判断，主要是采空区顶板断裂诱发的中央大巷断层附近滑移或者X1向斜轴部等高应力区顶底板断裂引起冲击地压。因此，动载荷供给时间初步定为401101工作面周期来压期间。

2.2 周期性预警方法

基于动静载叠加诱冲原理，当煤岩体中静载荷与矿震形成的动载叠之和大于诱发煤岩体冲击的临界载荷，就会诱发冲击灾害。通过分析静载荷积聚位置、积聚周期、动载荷的来源、供给时间，四者互相耦合，导致中央大巷构造区冲击地压周期性发生。要实现该区域冲击地压预警，便要将这“四要素”分析清楚，四者互相耦合时间便是冲击地压发生时刻。为此，形成一种基于动静载叠加诱冲原理，综合分析井巷围岩静载荷积聚周期、动载荷供给时间、地质及开采技术条件等因素，实现冲击地压周期性预警的工作方法。

2.3 中央大巷冲击地压预警过程

2.3.1 静载荷积聚位置及周期分析

中央大巷静载荷积聚位置/冲击地压发生位置为DF29断层上盘及X1向斜轴部(中央大巷在断层上盘为煤巷、下盘为岩巷，煤层具有强冲击倾向性)。通过PASAT精确划分的煤层冲击危险区，在强冲击危险区域根据区域长度安装若干组GZY60W矿用本安型钻孔应力传感器。组间距20 m，每组孔深按浅-深2个测点组合，组内应力计间距1 m，孔深分别为8 m和12 m，孔径42 mm。GZY60W矿用本安型钻孔应力传感器将检测到的煤层内部应力场的变化，采用无线通信的通讯方式，将测量数据发送到KJ24-FW矿用本安型压力子站，同时该监测子站与上位基站连接，将监测数据传送到井上KJ24应力在线监测系统，完成对井下因采动影响煤层内部应力场变化的实时监测。根据相邻矿井应力计危险阈值或者将该区域冲击地压前最大煤层应力的80%作为危险阈值，建立台账，统计两次危险阈值之间的间隔作为静载荷积聚周期，探究历次积聚周期之间的规律。

2.3.2 动载荷来源及供给时间分析

动载荷来源为401101工作回采扰动造成顶板断裂形成地震波作用于断层滑移面或向斜轴部顶底板形成二次动载。经过SOS微震监测系统监测，数据表明工作面周期来压期间，大能量微震事件上升20%以上。经统计冲击地压台账发现，中央大巷构造区冲击地压间隔多为3～4次工作面周期来压时间。结合矿井地质柱状图可知，由于煤层上方存在两层以上老顶导致采场周期来压强度呈现多低一高的周期性变化。联系微震数据，由图3可知，工作面约4次工作面采空区顶板垮落后会造成垮落层上方岩层断裂，造成大能量微震事件。该岩层的断裂为中央大巷构造区受工作面回采扰动的主要动载源。该动载会造成中央大巷构造区断层活化或者向斜轴部高应力区顶底板断裂，诱发该区域冲击地压。

图3 工作面微震事件分布

2.3.3 耦合分析

深部矿井冲击地压主要因素为静载荷，发生冲击地压的前提条件是静载荷必须重新积聚至原水平附近，煤体应力监测系统必须达到危险阈值以上才能满足预警要求。静载荷满足条件后重点监测动载荷，根据动载荷来源确定动、静载荷叠加时间后再结合地音、SOS微震监测等动载荷监测系统确定构造区冲击地压危险性，该段时间内一旦出现一种及一种以上的监测系统出现预警信息后立即发出冲击地压预警通知。结合地质条件、开采因素，同时利用冲击地压监测系统进行辅助确认，根据微震、工作面支架工作阻力监测数据，敏锐捕捉冲击地压发生前兆信息。

2.3.4 预警结果

通过上述一系列流程，矿井在半年时间内已先后实现了“6·29”“10·27”“12·24”3次冲击地压预警。成功避免了冲击地压对井下工作人员造成伤害，减少了矿井损失，有效保障了矿井安全生产。