综放工作面过单面见方冲击危险性多参量监测预警分析

2021-10-21蒲志强崔广永

煤矿安全 2021年10期

蒲志强，崔广永

（陕西长武亭南煤业有限责任公司，陕西咸阳 713602）

工作面见方垮落一般是指当工作面的推进距离和采空区宽度大致相等时，采空区上覆岩层的初次整体垮落。通常认为，见方垮落时顶板运动剧烈，易导致采掘巷道矿压显现异常，甚至诱发动力灾害。因此，对冲击地压工作面进行冲击危险区域划分时，往往将见方区域划定为潜在危险区[1-4]。

目前很多学者针对见方进行了研究，李国营等[5]分析了坚硬顶板工作面采空区见方阶段动压显现规律；张翔等[6]研究分析了巨厚砂岩层组综采工作面进入见方阶段时矿压显现机理；王朝引等[7]研究了厚煤层综采工作面进入双工作面见方时的矿压分布规律，提出了“四位一体”分区控制超前支护技术；张锋等[8]根据综放工作面过单面见方危险区域优化了“单面见方”区域内坚硬顶板防治冲击的设计；张亮等[9]分析了浅埋长工作面非坚硬顶板见方强来压机理；谭云亮等[10]进行了顶板见方来压发生条件的分析研究；郭晓朋[11]对深井孤岛工作面不同采动阶段如见方段的冲击地压进行了预测并提出了防治措施；王书文等[12]研究了采空区顶板见方垮落的覆岩空间结构特征及形成条件；孔令海等[13]进行了长壁工作面采空区见方形成异常来压的微震监测的研究；张成武等[14]针对西部矿区首采工作面见方期间覆岩破断诱发动压问题，利用理论分析方法，通过分析见方区域主控岩层破断概率及见方破断形成的动压力, 研究了不同宽度工作面见方区域发生动压的风险；王立峰等[15]研究了采空区顶板见方垮落诱发工作面CO 气体异常涌出的原因；李东等[16]研究了深井、厚表土、厚基岩特厚煤层工作面推进至见方位置时的致灾机理与安全开采技术；李帅等[17]采用数值模拟的方法模拟工作面回采至一次“见方”、二次“见方”期间采场和巷道的应力分布情况，分析认为，加强“见方”阶段工作面矿压观测、围岩控制和解危卸压措施，可以大大降低动力事故的危害；宋大钊等[18]研究了基于震动波计算机断层扫描技术等解决煤与瓦斯突出矿井缺乏区域性在线探测预警技术问题；郝宪杰、冯夏庭等[19]基于电镜扫描实验对柱状节理隧洞卸荷破坏机制进行了研究；郝宪杰、袁亮等[20]对于煤巷开挖时瞬间围岩即出现异常的、较大的弹性变形行为,难以用胡克定律解释，通过考虑煤体非线性弹性力学行为的弹塑性本构模型对煤体破坏进行了探究；郝宪杰、袁亮、郭延定等[21]针对现有基于压缩应力－应变曲线峰后跌落斜率指标无法区分直线式、弧线式、台阶式跌落的缺点，提出基于能量非稳态释放理论的硬煤脆性度指标。

综上可以看出，目前对于工作面见方所引起的冲击危险性的研究具有了一定成果，但大多数研究都是基于单一条件或监测手段下进行的。为此基于综放工作面过单面见方冲击危险性进行了包括微震、矿压、应力、CT 等的多参量监测预警研究。

1 综放工作面过见方多参量监测

307 工作面是亭南煤业三盘区第7 个工作面，位于三盘区西翼。其中307 回风巷北侧为305 工作面采空区，南侧和西侧尚未被开采。307 工作面推进长度为1 571 m，工作面长度为200～222 m，煤层厚度为4.7～11.7 m，平均8.2 m，煤层倾角4°，煤层结构简单。

1.1 307 工作面过见方微震监测结果

微震事件数统计图如图1，微震事件能量统计图如图2，微震事件数与能量对比图如图3。

图1 微震事件数统计图Fig.1 Statistics of microseismic events

图2 微震事件能量统计图Fig.2 Energy statistics of microseismic events

由图1～图3 可以看出，307 工作面在接近见方位置时顶板受到扰动影响，顶板发生微破断，微震监测表现为微震事件数和能量迅速增加；由监测数据得知微震事件数和能量均在3 月21—24 日达到最大值，最大值分别为104 个和3.19×104J，远超于平均事件数46 个和平均能量1.27×104J。工作面在推进至工作面见方位置后，微震事件数和能量恢复到平均水平。根据微震事件数和能量统计情况可以得出微震监测可以在工作面见方前3～6 d 事件数和能量数均增大。

图3 微震事件数与能量对比图Fig.3 Comparison of the number of microseismic events and energy

为方便分析微震事件空间分布情况，现采用每10 d 数据绘制微震事件空间分布图，典型的微震事件空间分布图如图4。

图4 典型的微震事件空间分布图Fig.4 Typical spatial distribution map of microseismic events

由图4 可以看出，3 月1—10 日微震事件数较少并且图中黄色球比例较高，绿色球比例次之，表示在该段时间内微震事件多以小能量事件为主，并且事件数量较少；3 月11—31 日期间，微震事件数分布较为密集，并且绿色球数量比例比较大，黄色球次之，并伴有少量蓝色球，表明在该段时间内工作面接近见方位置微震事件急剧增加，并且大能量事件比例明显提高；4 月1—10 日微震事件数量开始明显减少，并且绿色球所占比例小于3 月所占比例，黄色球所占比例明显增加。由空间分布情况可以看出微震事件沿工作面呈线性分布，并在回风巷处密集分布，并且在工作面靠近见方位置时，大能量事件沿工作面均匀分布，表明工作面见方导致沿工作面方向顶板来压明显，并且305 采空区的存在加剧了回风巷顶板压力的影响。

1.2 307 工作面过见方矿压变化规律

工作面支架压力监测采用分区抽取固定支架监测其压力变化情况，307 工作面支架按照编号顺序分为上、中、下3 部分，在上部采取24#、46#支架数据作为分析数据来源；中部采取56#、96#支架数据作为分析数据来源；下部采取106#、126#支架数据作为分析数据来源。

307 工作面3 月27—29 日推进至单面见方位置，工作面支架的工作阻力呈现比较明显的变化，上部的支架工作阻力在回采邻近见方位置的时间段内，支架工作阻力的平均工作阻力的变化和未在邻近见方位置的区域内有所增大，支架的见方区域内来压期间平均工作阻力在30～36 MPa, 非来压期间平均工作阻力在21～30 MPa，在非见方区域内来压期间的工作阻力在26～33 MPa，非来压期间的工作阻力在回采期间的平均工作阻力在21～24 MPa，在邻近见方位置的时间段内回采时，中部支架的工作阻力同样存在比较明显的增长趋势，支架的见方区域内来压期间平均工作阻力在31～33 MPa, 非来压期间平均工作阻力在21～28 MPa，在非见方区域内来压期间的工作阻力在28～31 MPa，非来压期间的工作阻力在回采期间工作阻力在22～28 MPa，工作面在回采邻近见方位置时，支架的工作阻力呈现比较明显的增大趋势，由于回风巷采用沿空掘巷的方式，致使工作面回采时，下部的支架工作阻力变化会比较大，且变化的形式比较明显，在临近见方时工作面的平均工作阻力在24～29 MPa，非来压期间平均工作阻力大致在22～26 MPa，在非见方区域内来压期间的工作阻力在23～27 MPa，非来压期间的工作阻力在回采期间在21～26 MPa。综上可见，见方期间来压工作阻力和非来压工作阻力均大于非来压期间。在工作面的支架工作阻力显著变化的时候，应该注意监测和防控，在支架工作阻力变化比较明显的区域内回采时要能够及时地预防冲击破坏。

与微震监测相比，矿压监测数据相对滞后一些，微震数据在工作面接近见方位置前3～6 d 微震数据就开始出现显著的增大过程，但矿压监测数据显示当工作面接近见方位置时才开始出现压力增大的情况。

1.3 307 工作面过见方应力监测结果

工作面见方会造成应力集中，增加发生冲击地压灾害的可能性。在亭南煤矿307 工作面回风巷和运输巷均布置应力监测点，307 工作面应力监测布置情况如图5。

图5 307 工作面应力监测布置图Fig.5 307 working face stress monitoring layout drawing

采集工作面见方位置附近7#、113#、114#监测点应力数据，构建应力曲线，对比分析见方前后应力变化规律。307 工作面过见方前后应力曲线对比图如图6。

图6 307 工作面过见方前后应力曲线对比图Fig.6 Comparison of stress curves before and after 307 working face

由图6 可以看出，各测点应力在非采动期内均处于缓慢上升的状态，应力值处于4.5～7 MPa，差值不大；随工作面推进，巷道矿压会经历应力反复扰动，呈现结果为观测点应力值周期性增大及减小；当工作面推进至观测点后方15 m 左右时应力值会达到峰值，然后随工作面继续推进而快速减小；见方位置矿压显现程度明显强于非见方位置，前者观测点的应力峰值约为14 MPa，峰值周期持续时间约为13 d；后者观测点的应力峰值约为8 MPa，峰值周期持续时间约为7 d。可见超前支承应力在见方前也会增大，并且其值大于一般采动影响，可作为监测预警指标之一。

1.4 307 工作面过见方CT 监测结果

采用波兰EMAG 公司PASAT-M 型便携式微震探测系统，对307 工作面见方位置附近进行CT 扫描，由于CT 探测为超前探测，若要对比分析见方对于307 工作面发生冲击危险事故所造成的影响可以将见方前后的CT 探测图拿来进行对比。见方位置处的冲击地压危险性指数C 的值为0～0.25。当工作面接近一次见方位置后，冲击危险程度上升。冲击地压危险性指数C 的值为0.5～0.75。

对比2 次的探测结果可以发现，见方对于工作面的冲击危险性具有较大影响。经过一次见方后，由于受到见方影响，一次见方位置附近的冲击地压危险性指数C 的值为见方前的2～3 倍，冲击危险程度也由显著上升。因此，当工作面推进到见方位置时要注意工作面的来压情况，进行及时的支护和卸压措施，避免发生冲击地压事故。

2工作面见方“力—震动—能量”监测体系

一次见方阶段微震监测、矿压监测、应力监测对比图如图7。

由图7 可以看出，矿压监测数据于接近见方工作面时，工作面上部支架工作阻力连续2～3 d 出现明显的增长趋势，随后恢复正常水平，即说明第1 次见方时间在3 月27—29 日；测点7#应力监测结果显示在接近工作面见方处8 d 时，测点7#应力开始出明显上升，在随后的2 d 内达到峰值后迅速开始下降，整个过程约持续8 d；微震事件和微震能量统计图于接近见方位置前6 d 开始出现明显的增加趋势，持续6 d 后下降到正常水平。

图7 一次见方阶段微震监测、矿压监测、应力监测对比图Fig.7 Comparison diagrams of microseismic monitoring, mine pressure monitoring and stress monitoring in the first square stage

在逐渐接近工作面见方位置的过程中，由于力的传导最快且最容易被检测到，应力监测最先出现明显的增长趋势且持续时间最长；在应力集中、传导以及围岩冲击倾向性的共同作用下，岩体开始出现微破裂，微震监测出现增长变化；最终当工作面接近见方位置时，工作面矿压监测开始出现增长变化，且持续时间最短。由此可以看出工作面见方事件是连续性事件，由开挖到发生见方的过程可以被监测。

综上所述，为进行工作面过单面见方探测，可以同时采取以上3 种监测手段，重点监视应力监测和微震监测，同时结合工作面矿压检测，为工作面过单面见方事件进行预测，综合以上方法，形成工作面见方“力—震动—能量”监测体系，对工作面过单面见方事件进行预测、分析、评估，规避可能发生的危险，保障工作面开挖安全。