综采工作面冲击地压在线监测与防治技术探讨

姜 峰

(中煤西北能源有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

0 引言

随着中国西部矿区厚煤层开采机械化程度的提高，高产高效矿井越来越多，煤矿开采深度也逐渐由浅部向深部过渡。然而，随着矿井开采深度的增加，为安全生产、高效开采等方面带来了一系列问题，尤其是西部地区面临的水害和冲击地压的危害越来越严重。为强化矿井防冲管理，提高现场防灾治理能力，矿井联合北京安科兴业公司和天地科技公司等科研单位，开展对冲击地压的监测和治理等方面的研究。

1 矿井概况

1.1 基本情况

中煤西北能源有限公司某矿井位于东胜煤田纳林河勘查区西部，行政区划隶属于鄂尔多斯市乌审旗。井田走向长17.8 km，倾斜宽13.5 km，面积180.67 km2。矿井设计生产能力8.00 Mt/a，采用立井式开拓，综合机械化开采。井田内含可采煤层5层，其中主采煤层为3-1煤层、配采有3-1上煤，矿井水平开采深度为580 m。

根据矿井地质资料及钻孔，矿区出露的地层由老至新依次为三叠系上统延长组、侏罗系中统延安组、侏罗系中统直罗组、侏罗系中统安定组、白垩系下统志丹群、第三系上新统和第四系中更新统、上更新统和全新统地层。

1.2 工作面概况

矿井31103综采工作面主要开采3-1煤，工作面地面位置位于纳林河西侧，地面标高在+1 139.0～+1 125.8 m之间。地表以风积半流动和半固定沙丘地貌，新月形沙丘，生长零星杨树，地表无建筑物。井下位于纳林河二号矿井一盘区南翼，北临中央一号辅助运输大巷，南临首采区边界，东临31102工作面采空区，西临31104工作面。工作面走向长约3 000 m，倾向长241.25 m。该工作面范围内煤层平均厚度5.5 m，沿顶、沿底进行回采。工作面安装有133台ZY13000/28/62型、2台ZYG13000/28/62D型和7架ZYT13000/26/55D型支架，胶运顺槽超前24 m采用3架ZQ20000/25/45D型超前支架、回风巷超前48 m采用6台ZZ16000/24/44型垛式超前液压支架。

工作面3-1煤层伪顶厚度0～0.4 m，以泥岩为主；直接顶厚度2.0～5.7 m，以粉砂岩为主；基本顶7.6～19.0 m，以细粒砂岩为主；直接底厚度9.65～15.0 m，以粉砂岩为主。矿井可采煤层顶底板岩石力学参数见表1。

表1 可采煤层直接顶及底板岩石力学性质参数Table 1 Rock mechanical parameters of roof and floor of minable coal seam

1.3 工作面冲击地压划分

经鉴定31103工作面冲击危险综合指数0.71、可能性指数0.8，该工作面为中等冲击危险。基于回采工作面的分级划分结果，将 31103工作面划分为强冲击危险区域 16处，中等冲击危险区域 18处，其余为弱冲击危险区域。31103工作面冲击危险区域划分如图1所示，冲击危险区的位置参数见表2。

图1 工作面冲击危险区域划分Fig.1 Division of bursting risk area of working face

表2 工作面回采期间冲击危险区位置参数Table 2 Location parameters of bursting risk area during working face mining

2 冲击地压监测方案

工作面回采期间针对冲击地压危险区域采取综合性的监测措施，区域监测措施采用微震监测法，局部监测采用应力在线监测和钻屑法等。

2.1 微震监测方案

在工作面两顺槽分别按100 m间隔距离布置检波器，微震ARAMIS系统和KJ515系统根据监测情况设置4个预警等级指标，并采取相应卸压解危措施。预警等级指标见表3。

表3 冲击地压的微震分级预警指标Table 3 Microseismic classification and early warning index of rock burst

2.2 在线监测方案

2.2.1 应力监测点的布置

根据该工作面冲击危险区域划分结果，确定KJ615系统应力测点布置方案见表4。设计钻孔深度8 m和14 m，煤层孔距离巷道煤层底板为0.5～1.5 m，平行煤层。组间距1～1.5 m；每组2个应力计，浅孔靠近工作面。

表4 工作面应力测点布置Table 4 Layout of stress measurement points in working face

2.2.2 预警值的设置

工作面初始预警值设置见表5。

表5 工作面初始预警值设置Table 5 Initial early-warning value setting of working face

工作面分级预警及处理措施如下。

A级(严重冲击危险)：一组红色预警+过程判断(一天内明显增加且钻屑量超限或动压明显)——停产、卸压；相邻两组及以上红色预警——停产、卸压。

B级(中等冲击危险)：一组黄色预警+钻屑量不超限(2 d内明显增加或动压明显)——卸压；相邻两组及以上黄色预警+钻屑量不超限(2 d内明显增加或动压明显)——卸压。

C级(一般冲击危险)：一组黄色预警+过程判断(2 d内无明显增加)——加强监测；一组红色预警+过程判断(1 d内无明显增加)——加强监测。

D级(无冲击危险)：全绿色——所有测点均小于预警值。

2.3 钻屑法监测检验方案

针对31103工作面回采过程中出现的应力监测超预警值、微震事件增多、巷道底鼓严重、变形量较大、煤炮增多等异常区域，则需要在危险区域前后各10 m范围内采取一定的治理措施，措施施工后利用钻屑量监测其危险状态，钻孔间距 5～10 m，监测区域为回采工作面前方100 m范围内，具体布置如图2和图3所示。

图2 钻屑法施工位置示意Fig.2 Schematic diagram of construction position of drilling cuttings method

图3 钻孔布置的剖面示意Fig.3 Section diagram of borehole layout

3 工作面监测与实施

基于煤矿灾害监测预警平台(2.0)，依托煤矿灾害防治“分类分治”理念，以“灾害监测实时化，预测预报自动化，解危检验标准化”为目标，基于“多参量综合预警算法+实时数据采集+综合数据分析”技术，综合KJ551系统、ARAMIS系统和KJ615系统等多系统联合功能，利用多种软硬件接口，构建全矿井统一、稳定和高效的灾害集控综合平台，以煤矿灾害预测预报和防治为主线，对煤矿灾害“分类、评价、解危、预警、检验、支护、管理”等主要环节，进行多因素全流程的数据采集、智能分析、措施优化，将煤矿灾害事故预防向事先预警与预控方向发展，实现煤矿灾害智能化决策。

3.1 微震监测系统监控

自煤矿灾害监测预警平台运行以来，监测系统运行正常，起到了有效监测预防作用，为矿井预防冲击地压提供了良好指导。微震监测系统运行期间某1周内数据统计分析如图4所示。

图4 一周数据统计表Fig.4 Data statistics of one week

通过对图4涉及的KJ551系统和ARAMIS系统1周内数据分析得出：

25日KJ551系统共监测到有效微震事件99个；ARAMIS系统共监测有效微震数据239个。本日工作面微震事件：2次方事件9个，3次方事件90个，4次方事件0个。总能量较昨日降低6%，总频次较昨日上升17.8%。

26日KJ551系统共监测到有效微震事件105个；ARAMIS系统共监测有效微震数据305个。本日工作面微震事件：2次方事件18个，3次方事件86个，4次方事件1个。总能量较昨日升高9.3%，总频次较昨日上升25%。

27日KJ551系统共监测到有效微震事件138个；ARAMIS系统共监测有效微震数据278个。本日工作面微震事件：2次方事件31个，3次方事件104个，4次方事件3个。总能量较昨日升高26.9%，总频次较昨日升高16.9%。

28日KJ551系统共监测到有效微震事件134个；ARAMIS系统共监测有效微震数据313个。本日工作面微震事件：2次方事件10个，3次方事件122个，4次方事件2个。总能量较昨日升高8.6%，总频次较昨日降低2.9%。

29日KJ551系统共监测到有效微震事件163个；ARAMIS系统共监测有效微震数据259个。本日工作面微震事件：2次方事件15个，3次方事件148个，4次方事件0个。总能量较昨日升高5%，总频次较昨日上升21%。

30日KJ551系统共监测到有效微震事件142个；ARAMIS系统共监测有效微震数据333个。本日工作面微震事件：2次方事件9个，3次方事件131个，4次方事件2个。总能量较昨日升高5%，总频次较昨日降低12%。

31日KJ551系统共监测到有效微震事件86个；ARAMIS系统共监测有效微震数据406个。本日工作面微震事件：2次方事件7个，3次方事件75个，4次方事件4个。总能量较昨日降低33%，总频次较昨日降低39%。

3.2 在线应力监测

通过图5分析得出：41#测点红色预警，应力值13.08 MPa，较昨日降低0.65 MPa(距离工作面45.4 m)，45#测点黄色预警，应力值10.67 MPa，较昨日增加0.04 MPa(距离工作面120.4 m)，其余测点保持稳定。

图5 某日工作面应力在线监测Fig.5 Online monitoring chart of working face stress in a day

3.3 钻屑法监测

通过图6分析得出：在工作面回风巷正巷进行钻孔后，4～6 m颗粒变大，9 m开始煤粉湿润，无动力现象。

图6 某日工作面回风巷钻屑检验对比Fig.6 Comparison chart of drilling cuttings inspection in return roadway of working face in a day

4 讨论与分析

通过对图4～6进行综合分析得出：回风巷超前0～100 m范围内静载压力经过多轮卸压孔施工，目前仍需加强施工强排粉卸压孔，继续保持在回风巷高应力测点处施工卸压孔；回风巷正帮41#、45#测点应力值较高，该处位置还需继续进行卸压。

工作面微震事件较前日有大幅增长，4次方事件的高度也在逐渐升高，微震事件日总频次及日总能量处于稳定上升阶段，但总体来说，矿井冲击地压危害程序处于可控制的范围。需要控制采煤机速度，避免出现大能量事件；工作面受相邻采空区、超前应力集中的影响，回风巷回采帮侧实体煤应力集中程度高，加快回风巷高应力点的卸压解危工作进度；工作面严格执行限员管理，生产期间回风巷严禁进人，工作面停产后，至少4 h以后才可进人。工作面如遇发生大能量事件或应力突增情况，要求降低回采速度。

5 结论

(1)工作面受相邻采空区、超前应力集中的影响，回风巷回采帮侧实体煤应力集中程度高，加快回风巷高应力点的卸压解危工作进度。

(2)工作面微震事件较前日有大幅增长，微震事件日总频次及日总能量处于稳定上升阶段，需要控制采煤机速度，避免出现大能量事件。

(3)工作面严格执行限员管理，生产期间回风巷严禁进人，工作面停产后，至少4 h以后才可进人。如遇发生大能量事件或应力突增情况，要求降低回采速度。总体来说，矿井冲击地压危害程度处于可控范围。