小庄煤矿40309工作面诱冲规律及解危措施

2022-12-06李鹏

现代矿业 2022年11期

李鹏

（陕西彬长小庄矿业有限公司）

冲击地压是煤矿开采中发生的煤岩动力灾害之一［1-2］，表现为在井巷中围岩发生突然性的破坏事故，造成人员伤亡及设备和财产损失，并伴有巨大声响和岩体震动，最大震级达4.3级［3］，破坏范围可达数米或数百米。近年来，煤矿冲击地压破坏巷道最大长度达600 m以上［4］。

对于冲击地压发生前兆的监测，大多数矿井尤其是新出现冲击地压灾害的矿井基本都用岩石力学的方法进行监测［5-8］。这些方法的监测结果往往难以满足指导冲击地压防治的要求，一是基于采用岩石力学方法监测到的围岩变形等特征很难判断出是常规矿压显现还是冲击地压前兆；二是冲击地压发生共经历3个阶段，上述岩石力学方法监测半径相对较小，只能监测到冲击地压的显现阶段；三是采动围岩的应力调整以及变形本身是一种能量释放，单就这些因素不能预测冲击地压的发生。

为此，探索冲击地压前兆信息，辨识冲击地压危险源分布特征，在此基础上探索远程的、全方位立体式冲击地压危险源辨识技术是冲击地压预测预报的基础。实际上，煤岩体在载荷高度集中的条件下，会产生裂隙，发生破坏时向外发射出微震、地音等地球物理信号，通过对这些地球物理信号的远程响应分析，可以间接地辨识到冲击地压危险源及其发展趋势，从而在此基础上对矿井冲击地压进行启动前的预警尝试［9-11］。

1 工程概况

小庄煤矿是陕煤集团的主力矿井之一，井田面积约46.2 km2。目前主采4#煤层40309综放工作面，其平均埋深为600 m，该煤层及其顶底板均具有弱冲击倾向性，且经过实测表明井田地应力场以水平构造应力为主导。因此，随着小庄煤矿采深逐渐增加，不可避免地会受到冲击地压的威胁，应提前开展相关研究。

小庄煤矿在掘进期间采用的冲击地压监测方法有微震监测、钻屑监测、应力在线监测等，本研究将根据矿井微震和钻屑法监测数据以及应力在线监测系统，结合矿井动力显现的历史记录，充分挖掘可对现场冲击地压防治起到指导作用的信息及规律。通过分析多源信号，对巷道冲击地压诱发机制和防治技术的研究具有重要意义，这既是该矿建设和生产的需要，也为类似条件矿井安全高效生产提供借鉴。

2 基于动静组合的工作面监测布置

对冲击地压进行有效监控及风险规避，首先需要弄清冲击地压发生的能量源头［12-15］。结合相关文献可以得知，冲击地压启动有两大类能量来源，第一类能量来源是采动围岩近场系统内集中静载荷，第二类是采动围岩远场系统外集中动载荷。

2.1 40309工作面动静载荷辨识

结合40309工作面实际赋存情况，冲击地压动静组合诱冲机制仍适应于小庄煤矿冲击地压防治措施分析。利用冲击地压动静组合叠加理论，从理论层面有效区分与拾取40309工作面冲击地压动载荷以及静载荷影响特征；同时考虑到动静载荷监测方法的差异性，有必要开展分源监测。

采掘爆破产生的冲击波不只是采动围岩系统外集中动载荷的产生原因之一，厚硬岩层活动产生的冲击波也会造成集中动载荷现象。采动围岩系统外动载荷来源主要有4个：采场大面积的直接坚硬顶板断裂，上覆高位坚硬顶板断裂，上覆高位坚硬底板断裂，井下爆破。这4种现象发生的同时都能产生压缩弹性能，而压缩弹性能就是外动载荷最主要的原因。

采动围岩系统内集中静载荷产生的原因主要有2个：①近场区域分布视角下，采掘扰动过程中，同步发生的应力转移以支承压力的演化方式显现，因此在工作面前方出现了明显的高应力集中区；②远场区域分布视角下，由于关键层控制着整个高位岩层的变形与运移规律，其在静力学环境中聚集了大量的弯曲弹性能，一旦关键层失稳，岩层运动将发生整体失稳。具体分布如图1所示。

2.2 集中动载荷监测方法

用于监测动载荷的系统主要有地音法以及微震监测2种。采用微震和地音法相结合的监测手段可使监测信息更丰富和完整，能实现对整个频率范围的完整监测，并在空间上达到了相互补充。

通过在工作面附近布置拾震器，收集微震监测数据（图2）。一般震动情况较为剧烈、且频率低于150 Hz的事件属于微震（即MS）类型，通常表现为范围较大的裂隙连通同时出现破坏的情况；地音型系统通常对能量较微弱的事件进行监测，一般表现为煤岩裂缝程度加大或者是出现部分破坏；和微震事件相比较，地音法主要对范围较小的区间中煤岩体出现破坏的事前监测。综合以上，地音系统适用于关键区域精细化监测，微震系统适用于区域大范围远场监测。

煤岩体动力破坏存在一个由量变到质变的过程，在煤岩破坏的初始和发展阶段，大量微裂隙的形成将不断释放高频地音信号，可由地音系统进行监测，实现动力破坏的临场预警；当破坏发展到最终阶段，即断裂形成，则释放低频微震信号，可由微震系统进行监测，实现长期危险趋势预测。

2.3 集中静载荷监测方法

使用岩石力学方法来辨别围岩系统中关于静载荷的相关危险来源，具体包含采动应力监测方法以及钻屑法。

钻屑法的主要步骤是在煤层中钻直径为42～50 mm的孔洞，依据钻出的煤粉数量以及相关的动力反应，来对冲击产生的危害性作出判断。这一方法所依据的理论是排出的煤粉数量和煤体的具体应力情况之间存在一定程度的定量关联性，即条件相近的煤体处于不同的应力环境时，会有不同程度的排粉量。如果钻孔过程中的排粉率出现增加或高出特定数值，就意味着冲击带来的危险等级以及应力集中水平有着一定的提高。这个方法可定点监测危险区域，并且操作较简便，但较容易受到外部因素影响。

采动应力监测方法主要是对煤体中存在的垂直应力进行监测。伴随工作面的不断推动，采空范围内的顶板岩层部分存在松动、掉落等问题，破坏区域形成应力集中，支承压力所涉及的区间范围以及最高值会不断增加。在顺槽两帮的煤体中设置监测点实施监测，对比分析不同测点在各个时段中垂直应力的波动情况，此变动量称为应力梯度。通过对照既定标准的相关应力梯度等值线，就可以对冲击造成的危险范围以及危险程度作出判断。该方法可以实现在线监测，准确度较高，但对数据的分析需要一定的专业水平。

采动应力法可实现连续在线监测，后期施工工程量小，数据量丰富，不易受人为干扰。钻屑法实施位置更加灵活，可布置在采动应力法未监测到的区域，如掘进迎头煤体，或用来验证采动应力法的监测效果，两者优势互补，联合使用效果更佳。

3 工作面冲击解危措施方案设计

通过现场监测，40309工作面采掘扰动期间冲击危险源以静载荷为主，所以，以煤体卸压爆破为主进行解危泄压。相对而言，爆破法是一种快速的卸压方法，爆破可迅速改变周围煤岩体结构，卸压程度较高。但爆破震动波对巷道围岩及支护体将造成一定的损伤，从而影响巷道的支护质量。

在40309工作面煤层倾向方向布置2排扇形爆破孔，10孔/排，孔径为113 mm，孔深39～79 m，封孔长度为15～20 m，实现沿煤层走向方向140 m、垂直方向40 m的岩体爆破预裂范围，具体施工参数见表1。

4 工作面冲击解危措施效果评价

40309胶带顺槽开展爆破卸压防冲试验，于2020年1月29日—2021年2月16日施工，调取并整理微震监测数据对压裂区域进行效果分析。

4.1 爆破前后微震数据对比

40309胶带顺施工前（2021年1月2—28日）微震监测总能量为5.9×106J，日均释放微震能量为2.18×105J，平均微震事件能量为2.0×103J，频次为2 955次，日均微震频次为109次。其中“2次方”事件频次为1 285次，“3次方”事件频次为1 640次，“4次方”事件频次为30次。上述区域在40309胶带顺槽水力压裂施工期间（2021年1月29日—2月16日）微震监测总能量为6.6×106J，日均释放微震能量为3.57×105J，平均微震事件能量为2.9×103J，频次为2 247次，日均微震频次118次，其中“2次方”事件频次670次，“3次方”事件频次为1 519次，“4次方”事件频次为57次；上述区域在40309胶带顺槽水力压裂施工后（2021年2月17日—3月24日）微震监测总能量为6.3×106J，日均释放微震能量为1.75×105J，平均微震事件能量为1.4×103J，频次为5 145次，日均微震频次为143次，其中“2次方”事件频次为2 159次，“3次方”事件频次为2 940次，“4次方”事件频次为25次。

4.2 爆破解危措施效果评价

根据现场数据分析，微震频次分布分3个阶段：①卸压前微震活动总体较活跃，在该区域受到工作面开采扰动影响较为明显，主要为“2次方”“3次方”微震事件，“4次方”微震事件平均4～5次/d；②卸压期间微震活动急剧增多，“3次方”“4次方”微震事件明显增多，1月30日—2月3日、2月14日微震频次呈明显的双波峰状态；③在卸压完成后前期（2月17—27日）微震活动仍较为活跃。在刚卸压施工完成后，随着工作面推进距卸压区域越来越近，在工作面开采影响和卸压形成的顶板岩层微裂隙的促进下，微震事件频次仍较为集中。卸压施工结束后前期顶板岩层活动仍较为活跃，在后期（2月28日—3月24日）虽然随着工作面推进，停采线距卸压区域越来越近，但微震频次逐渐降低且趋于稳定。相较卸压前和卸压期间，微震活跃程度明显降低，“4次方”微震事件明显减少，局部时期无“4次方”事件。由此说明，40309工作面冲击解危措施十分有效。