孤岛回采工作面冲击危险性评价及防治监测

杜孝杰

(山西冀中能源集团隆泰煤业,山西 长治 046500)

冲击地压灾害是煤矿近几年经常发生的灾害之一,冲击地压事故频发,成为亟需煤炭企业解决的一个难题[1]。煤矿生产过程中对冲击地压的预测和防治非常重要,如何评估矿井的冲击危险性等级,国内外学者提出了众多观点。其中,以可能性指数诊断法[2]、地质动力区划法[3]、多因素耦合法和综合指数评价法[4]最为著名。山西金晖隆泰煤业9109工作面南北两侧都是采空区,布置工作面回采后形成三面均是采空区的孤岛工作面[5],受三面采空区应力分布影响,在工作面区域可能会发生冲击地压灾害。本文从9109回采工作面冲击地压危险评估的角度出发,利用综合指数评价方法对工作面冲击地压危险程度进行评估,并依据评估结果提出了孤岛回采工作面冲击地压预警和防治的有关方法,为回采工作面评估冲击危险性等级,预防冲击地压事故提供了思路。

1 工程背景

山西金晖隆泰煤业位于山西省沁源县城西北约60 km处坡底村一带,矿井生产规模为90×104t/a.井田内为宽缓褶曲组合构造,断层较发育。现主采煤层为9+10#煤,煤层厚度1.15～3.90 m,平均2.67 m,全区稳定可采,埋深180～380 m,含夹矸0～2层,煤层直接顶为砂质泥岩、泥岩；基本顶为K2石灰岩；底板为泥岩、砂质泥岩。

9109工作面位置情况如图1所示。北部紧邻9105采空区,南部为9103采空区,布置工作面时会形成两面临空的“孤岛”工作面,且随着工作面推进,形成三面均是采空区的情形,在工作面区域可能会发生应力集中问题。

图1 9109工作面平面位置图Fig.1 Plane position of 9109 working face

9109工作面埋深约348 m,工作面倾斜宽度172 m,计划可推进走向长度约680.4 m,总体呈东北—西南走向,倾向近似正东的向斜构造,煤层倾角平均10°,影响工作面回采的主要构造是断层和陷落柱。9109工作面煤层顶板主要为泥岩、细粒砂岩、石灰岩等,煤层底板主要为粉砂岩、砂质泥岩、泥岩等,9109工作面钻孔柱状图如图2所示。

2 工作面冲击

2.1 工作面冲击倾向性鉴定

本次对9109工作面煤层冲击倾向性进行鉴定工作,包括其煤层和顶、底板冲击倾向性一并开展鉴定。9109 工作面冲击危险性评价将从 9109 工作面附近的煤岩力学实测数据中以及煤岩冲击倾向性鉴定数据中选取所需的评价指标参数。

图2 9109工作面钻孔柱状图Fig.2 Borehole histogram of 9109 working face

煤层的冲击倾向可以分为无冲击倾向性(Ⅰ类)、弱冲击倾向性(Ⅱ类)和强冲击倾向性(Ⅲ类)3类,各个煤层冲击倾向性指标的类别、名称以及评判指数如表1所示。

表1 煤的冲击倾向性类别、名称及指数Table 1 Category, name and index of burst tendency

根据实验测定的4个煤层冲击倾向性指数[6],采用综合判定的方法来确定煤层的冲击倾向性的强弱。实验测定的4个煤层冲击倾向性指数,动态破坏时间tD=747 ms,弹性能量指数WET=1.55,冲击能量指数KE=1.47,均无冲击倾向性,单轴抗压强度ps=9.92 MPa,弱冲击倾向性。综合分析4个实验测定结果得出,山西金晖隆泰煤业9109工作面煤层无冲击倾向性,煤层的冲击倾向性类别为第Ⅰ类。

顶板岩层的冲击倾向性用ERB表示,单位kJ,是指岩层积蓄变形能并发生冲击式破坏的性质,测定方法为岩梁试样在均布载荷作用下,单位宽的岩梁达到极限跨度积蓄的弯曲能量[7]。

根据弯曲能量指标ERB的不同,可以把岩石冲击倾向性分为无冲击倾向性(Ⅰ类弯曲能量指标ERB≤15)、弱冲击倾向性(Ⅱ类15120)三类。根据金晖隆泰煤业的实际情况,取样测定了9109工作面顶板各层位岩石的自然视密度、抗拉强度和弹性模量,再根据上覆岩层各自厚度,分别计算出各岩层的弯曲能量指标。9109工作面煤层顶、底板岩层弯曲能量计算结果见表2。

表2 9109工作面煤层顶底板岩层弯曲能量计算结果Table 2 Roof and floor strata bending energy calculation results of 9109 working face

9109工作面煤层顶板岩层的弯曲能量指数为13.439 kJ,小于15 kJ,可以判定山西金晖隆泰煤业矿井9109工作面煤层顶板岩层的冲击倾向性为Ⅰ类无冲击倾向性。9109工作面煤层底板岩层弯曲能量指数为4.406 kJ,小于15 kJ,可以判定山西金晖隆泰煤业矿井9109工作面煤层底板岩层的冲击倾向性为Ⅰ类无冲击倾向性。

2.2 工作面冲击危险性评价

依据9109工作面煤层和顶、底板冲击倾向性鉴定结果,用综合指数法对金晖隆泰煤矿9109工作面冲击危险进行评价。

综合指数法通过统计矿井范围内已发生的冲击地压现象,分析开采技术因素、地质因素并评估这些因素对冲击地压发生的影响程度,确定各种因素的影响权重。在此基础上,将其综合起来,建立起矿井冲击地压危险性评价和预测方法。

综合指数评价方法分为地质因素确定的冲击矿压危险程度和开采技术因素确定的冲击矿压危险程度。地质因素确定冲击危险主要考虑了同一水平煤层冲击地压发生的次数、开采相关参数等因素。开采技术因素确定冲击危险主要考虑了工作面与临近采空区的关系、区段煤柱宽度和工作面长度等开采因素。

工作面冲击地压危险状态等级评定综合指数用Wt表示,Wt可由式(1)确定:

Wt=max{Wt1,Wt2}

(1)

式中,Wt1为地质因素影响评定指数；Wt2为开采技术因素影响评定指数。Wt应取Wt1、Wt2两者中的大值,Wt1、Wt2可由式(2)确定:

(2)

式中,Wi为第i个地质因素或开采技术因素所确定的评价指数;Wi max为第i个地质因素或开采技术因素所确定的评价指数最大值;n1,n2为地质因素、开采技术因素的数目。

根据Wt可以判定工作面的冲击地压危险状态等级,一般划分为四个等级:A类无冲击危险(Wt≤0.25)、B类弱冲击危险(0.25 0.75)。工作面按划分的冲击危险等级采取相应的冲击地压危险防治对策,开展冲击地压监测工作。

2.3 冲击危险评价

采用综合指数法,根据山西金晖隆泰煤业9109工作面的地质条件和开采技术条件,分别计算出由地质因素和开采技术因素影响的冲击地压危险指数Wt1和Wt2,然后取两者计算结果的最大值代表工作面冲击危险指数。据此判定9109工作面的冲击危险等级。

地质因素确定冲击危险主要依据同一水平煤层冲击地压发生的历史(次数)、开采深度、上覆裂隙带内坚硬厚层岩层距煤层的距离、煤层上方100 m范围顶板岩层厚度特征参数、开采区域内构造引起的应力增量与正常应力值之比、煤的单轴抗压强度、煤的弹性能量指数等7个地质因素。根据工作面具体地质条件对地质因素进行评估并确定其评价指数。

根据表影响9109回采工作面冲击地压危险的7个地质因素评价指数,9109工作面地质因素对应的冲击地压危险状态等级评定指数可按式(3)计算,7个地质因素的评价指数最大值均为3,所以Wi max=21,实际危险指数之和为2,故Wt1=2/21≈0.10。计算得出9109工作面内地质因素影响的冲击地压危险状态等级评定指数为0.10。

(3)

综合指数法包含的开采技术因素主要分析因开采方法引起的应力集中对煤岩冲击危险影响程度。影响煤岩冲击地压危险的生产技术因素一般主要考虑保护层对本开采煤层的卸压保护效果、本煤层开采工作面与保护层遗留煤柱水平距离、工作面周边采空区分布、工作面长度、区段煤柱留设宽度、留底煤厚度、掘进或开采工作面与采空区距离、掘进或开采工作面与断层构造距离、掘进或开采工作面与褶曲轴部的距离、掘进或开采工作面与煤层厚度剧烈变化区的距离等11个开采技术因素,根据工作面具体开采技术条件对开采技术因素进行评估并确定其评价指数。

9109工作面不涉及保护层开采,也没有煤柱影响,所以不涉及保护层的卸压程度这一因素评价指数的确定;工作面没有保护层遗留煤柱的影响,所以不涉及工作面距上保护层开采遗留的煤柱的水平距离这一因素评价指数的确定;由于回采工作面巷道布置已完成,回采期间不涉及向采空区掘进的巷道,所以不涉及掘进或开采工作面与采空区距离这一因素评价指数确定。因此只需要确定其他8个开采技术因素的评价指数。9109工作面开采技术因素对应的冲击地压危险状态等级评定指数可按式(4)计算:

(4)

由于9109工作面在进行开采技术因素影响的评价指数确定的过程中只评估了8个因素,且这8个开采技术因素的评价指数最大值均为3,所以Wi max=24,实际危险指数之和为2,故Wt2=6/24=0.25。所以9109工作面内开采技术因素影响的冲击地压危险状态等级评定指数为0.25。

根据金晖隆泰煤矿9109工作面地质因素影响的冲击地压危险状态等级评定指数Wt1,生产技术因素影响的冲击地压危险状态等级评定指数Wt2,采用综合指数法确定9109工作面整体冲击地压危险指数及危险等级,见表3所示。

由表3分析可知,9109工作面冲击地压危险状态等级评定综合指数Wt为0.25,工作面的冲击地压危险状态等级,A类无冲击危险(Wt≤0.25),据此判断山西金晖隆泰煤矿9109工作面整体冲击危险等级为A类,无冲击地压危险。

表3 冲击地压危险指数及等级评估Table 3 Index and grade evaluation of rock burst risk

2.4 工作面冲击地压预警技术与防治措施

2.4.1工作面冲击地压预警技术

山西金晖隆泰煤业9109工作面经综合指数法方法评价,判定其冲击危险性等级为无冲击危险性,但无冲击危险性并不意味着整个9109工作面区域不会发生冲击地压[8]。因此，9109工作面在正常回采过程中,应主动加强矿压日常监测。工作面冲击地压危险监测预警技术包括以下几点。

1)应力在线监测预测。应力在线监测预警系统的应力计布置在工作面两侧顺槽内,井下数据传输采用无线传输,两巷分别布置约2～3个无线接收器,其布置示意图见图3。

图3 应力测点布置示意图Fig.3 Layout of stress measuring points

根据冲击地压危险区评价结果,对危险区进行煤体应力实时监测。常规监测方案设计原则为:弱、中等冲击地压危险区测站间距20～40 m,强冲击地压危险区测站间距≤20 m。弱冲击危险区域可采用单点布置，中等及以上冲击危险区域正帮应力测点采用深浅孔布置,2个测点为一组,副帮采用单孔布置。故9109工作面设置测站间距为30 m,单点布置。由工程类比法,设定系统初装后的初始预警值。在之后的系统运行中,需要在给定的初始预警阈值的基础上结合钻屑法检验和现场的矿压显现情况,对预警值进行适当的修改。日常维护时主要进行油管、应力采集仪、压力变送器、线路及中继器检测。

2)钻屑法。对于处在一定条件和正常应力作用下的煤体,如若设置不同的钻孔深度进行钻孔,那么煤体所处的应力状态和不同深度钻孔所产生的煤粉量也是不同的。随着煤层应力状态的不同,或煤层应力状态突然发生改变,钻孔的煤粉量也将随之发生改变。由此,可以根据钻孔煤粉量的差异性,预测煤体的受力状态,判断煤体受力情况是否突然改变,并进一步预测冲击危险发生的可能性。在不受采动影响的附近煤层巷道中,布置5个钻孔,钻孔的直径为42 mm,钻孔深度为3.5倍的采高,且每相邻两个钻孔的间距不小于10 m。在施工过程中,记录好每个钻孔每米掘进产生的钻屑量,并据此绘制每个钻孔的钻屑量曲线,再将用加权平均法处理的结果作为标准钻屑量。由此确定工作面的钻屑量临界值。

3)矿压监测法。矿压监测方法是指利用工作面矿压数据和矿压显现等指标对冲击矿压进行预测。对于回采工作面,主要以巷道围岩变形情况作为矿压监测的指标。经研究分析,巷道两帮位移、锚杆受力等可作为与巷道两帮围岩稳定有关的监控指标;顶板下沉量、锚固区内外的离层值等可作为与巷道顶板稳定有关的监控指标。此外,在进行矿压监测时,要注意尽量选取便于进行现场实地监测的指标[9]。

2.4.2工作面局部冲击地压防治措施

1)煤体大直径钻孔卸压。煤体大直径钻孔卸压是指在煤体内应力集中区域或潜在的应力集中区域实施钻孔,通过排出钻孔内的大量煤粉,使钻孔周围煤体破坏区扩大,从而使钻孔周围一定应力区域煤岩体的应力集中程度下降,并使高应力转移到煤岩体的深处,实现对局部煤体的预卸压和解危[10]。工作面回采期间主要用煤体大直径卸压钻孔对煤体进行卸压。工作面常规区域大直径钻孔卸压参数的选取如下:孔深20 m,钻孔直径150 mm,钻孔顺煤层单排布置,钻孔距底板1～1.2 m,工作面冲击危险程度为弱冲击危险时,钻孔间距设置为3 m;工作面冲击危险程度为中等冲击危险时,钻孔间距设置为2 m;工作面冲击危险程度为强冲击危险时,钻孔间距设置为1 m。当监测到工作面开采区域存在冲击危险或出现冲击显现特征时,应在危险区及其附近15 m实施大直径钻孔解危措施,采取巷道两侧同参数卸压,保证实体煤侧巷道的稳定性。同时,应加强效果检验,确认预警指标小于临界值后方可继续作业。

2)煤层顶板超高压注水压裂卸压。厚层坚硬顶板在工作面推过后,采空区侧可能形成大面积悬顶不垮落,在巷道掘进工程中可能会造成隐患。对此,可以采取人工强制断顶的手段对坚硬顶板进行预裂,目前主要采用顶板水力切顶、爆破断顶等方式。

3 结论

通过分析山西金晖隆泰煤业9109工作面开采区域内现有的生产地质资料,得出如下结论:

1)经过实验实测9109工作面冲击倾向性鉴定结果为:工作面煤层无冲击倾向性,工作面煤层顶、底板岩层均无冲击倾向性。

2)采用综合指数法评价山西金晖隆泰煤业9109孤岛回采工作面冲击地压危险评定指数等级为0.25,判断工作面冲击危险等级为A类,无冲击危险。

3)提出了采用应力在线监测法、钻屑法或者矿压监测法对9109工作面冲击地压危险进行预警和采用煤体大直径钻孔卸压法、工作面煤层顶板超高压注水压裂卸压法进行解危的冲击地压监测防治体系,确保矿井安全生产。