9潘俊锋--浅部矿井静载荷主导型冲击地压监测方法与实践.pdf

第 ４４ 卷第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ．４４ Ｎｏ．６ ２０１６ 年６ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｎｅ２０１６ 浅部矿井静载荷主导型冲击地压监测方法与实践 潘俊锋１，２，王书文１，２，刘少虹１，２，冯美华１，２，秦子晗１，２ （１􀆱 煤炭科学研究总院 开采设计研究分院，北京 １０００１３； ２􀆱 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 １０００１３） 摘 要针对浅埋强冲击危险区静载荷高度集中、无顶板活动就面临冲击危险的特征，以古山煤矿为 例，确定其冲击地压发生类型为集中静载荷主导型，对集中静载荷采用地震 ＣＴ 技术、数值模拟、现场 实测等方法开展了分步评价，分步驱散，联合检验。 结果表明浅埋厚硬单层岩浆岩顶板提供集中静 载荷，本次冲击地压无动载荷参与，冲击地压监测应以监控静载荷为主；据采前地震 ＣＴ 探测结果揭 示冲击发生后，仍然存在静载荷高度集中区域；开采过程中静载荷实时监测与数值模拟揭示的强冲击 危险区相吻合，微震、地音监测技术提供的动载荷信息检验了静载荷监测结果，表明工作面推进中顶 板未垮断，高集中静载荷导致底板、煤层破裂。 关键词采矿工程；冲击地压；静载荷；冲击地压评价；强冲击危险区 中图分类号ＴＤ３２４ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６（２０１６）０６－００６４－０８ Ｐｒａｃｔｉｃｅｓ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｄｏｍｉｎａｎｔ ｔｙｐｅ ｍｉｎｅ ｓｔｒａｔａ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｕｍｐ ｉｎ ｓｈａｌｌｏｗ ｄｅｐｔｈ ｍｉｎｅ Ｐａｎ Ｊｕｎｆｅｎｇ１，２，Ｗａｎｇ Ｓｈｕｗｅｎ１，２，Ｌｉｕ Ｓｈａｏｈｏｎｇ１，２，Ｆｅｎｇ Ｍｅｉｈｕａ１，２，Ｑｉｎ Ｚｉｈａｎ１，２ （１􀆱 Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｂｒａｎｃｈ，Ｃｈｉｎａ Ｃｏａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３，Ｃｈｉｎａ； ２􀆱 Ｃｏａｌ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｔｉａｎｄｉ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１３，Ｃｈｉｎａ） ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｈａｌｌｏｗ ｄｅｐｔｈ ｍｉｎｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｕｍｐ ｄａｎｇｅｒ ａｒｅａ，ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｈｉｇｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ，ｎｏ ｒｏｏｆ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｕｍｐ ｄａｎｇｅｒ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｇｕｓｈａｎ Ｍｉｎｅ ａｓ ａｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｔｈｅ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｕｍｐ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ａｎｄ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｌｅａｄｉｎｇ ｒｏｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ． Ａ ｓｔｅｐ ｂｙ ｓｔｅｐ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ｓｔｅｐ ｂｙ ｓｔｅｐ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ＣＴ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｓｉｔｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｍｅｔｈｏｄｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｌｏａｄｉｎｇ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｒｏｏｆ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈａｌｌｏｗ ｄｅｐｔｈ ｓｉｎｇｌｅ ｌａｙ⁃ ｅｒ ｍａｇｍａｔｉｃ ｒｏｃｋ，ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｕｍｐ ｃａｓｅ ｗａｓ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｗｉｔｈ ｎｏ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｏｕｒｃｅｓ ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｕｍｐ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｍａｉｎｌｙ． Ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ，ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ＣＴ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ａｆ⁃ ｔｅｒ ｔｈｅ ｍｉｎｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｕｍｐ ｏｃｃｕｒｒｅｄ，ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｗｏｕｌｄ ｂｅ ｅｘｉｓｔｅｄ ｓｔｉｌｌ． Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｍｉｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｆｉｔｔｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｍｉｎｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｕｍｐ ｄａｎｇｅｒ ａｒｅａ ｒｅｖｅａｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａ⁃ ｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ ｓｅｉｓｍｉｃ ａｎｄ ｅａｒｔｈ ｓｏｕｎｄ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｉｎｓｐｅｃｔ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ． Ｔｈｅ ｆｌｏｏｒ ａｎｄ ｓｅａｍ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｗｅｒｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｆａｃｅ ｐｕｓｈｉｎｇ ｆｏｒｗａｒｄ，ｔｈｅ ｄｉｓｃｏｌｌａｐｓｅ ｒｏｏｆ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔ⁃ ｅｄ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｍｉｎｉｎｇ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； ｍｉｎｅ ｓｔｒａｔａ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｕｍｐ； ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ； ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｎ ｍｉｎｅ ｓｔｒａｔａ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｕｍｐ； ｈｉｇｈ ｂｕｍｐ ｄａｎｇｅｒ ａｒｅａ 收稿日期２０１６－０２－０９；责任编辑赵 瑞 ＤＯＩ１０．１３１９９／ ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｓｔ．２０１６．０６．０１０ 基金项目国家自然科学基金煤炭联合基金资助项目（Ｕ１２６１２１１）；天地科技开采生产力转化基金资助项目（ＫＪ－２０１５－ＴＤＫＣ－０５） 作者简介潘俊锋（１９７９），男，陕西旬邑人，副研究员，博士。 Ｔｅｌ０１０－８４２６３１２２，Ｅ－ｍａｉｌｐａｎｊｕｎｆｅｎｇ＠ ｙｅａｈ．ｎｅｔ 引用格式潘俊锋，王书文，刘少虹，等．浅部矿井静载荷主导型冲击地压监测方法与实践［Ｊ］．煤炭科学技术，２０１６，４４（６）６４－７０，９８． Ｐａｎ Ｊｕｎｆｅｎｇ，Ｗａｎｇ Ｓｈｕｗｅｎ，Ｌｉｕ Ｓｈａｏｈｏｎｇ，ｅｔ ａｌ．Ｐｒａｃｔｉｃｅｓ ａｎｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｓｔａｔｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ｄｏｍｉｎａｎｔ ｔｙｐｅ ｍｉｎｅ ｓｔｒａｔａ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂｕｍｐ ｉｎ ｓｈａｌｌｏｗ ｄｅｐｔｈ ｍｉｎｅ［Ｊ］．Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６，４４（６）６４－７０，９８． ０ 引 言 冲击地压研究的最终目的是防治［１－２］，然而没 有前期的监测评价，防治的时机，针对性就难以确 定，这一问题国内外学者已经认识到，针对冲击地压 监测的单一方法研究有煤体钻屑法［３］、地音法［４］、 ４６ 潘俊锋等浅部矿井静载荷主导型冲击地压监测方法与实践２０１６ 年第 ６ 期 矿震法［５］、微震法［６－７］、电磁辐射仪［８－９］等，此类研究 均从煤岩冲击前兆的各类信息进行了冲击地压预测 的探索，除此之外，针对某一特定条件如何采用多种 或一种方法进行冲击地压监测也作了许多研 究［１０－１５］。 总之，常规的冲击地压监测思路是在采煤 工作面推进过程中，在采掘活动场所安装 １～２ 种实 时监测设备，根据监测数据的异常变化来预警冲击 地压危险状态，提醒工作人员采取解危措施。 实践 证明，此种思路对于强冲击危险区域的监测预警工 作很难奏效，例如平庄古山矿、义马千秋矿、新汶华 丰矿等巨厚坚硬顶板覆盖的矿井，集中静载荷充足， 巷道开口就面临冲击，长壁采场一旦推进，不但集中 静载荷获得增量，由于顶板的活动造成集中动载荷 源也同时加入，造成冲击地压防治强度与难度剧增， 防治失败概率加大。 基于集中静载荷诱发冲击启动的内因作用，笔 者以古山煤矿强冲击危险区冲击地压灾害防治为工 程背景，在冲击地压发生原理、类型确定基础上，提 出在工作面推进前后都必须以集中静载荷演化规律 评价与监测为主，并对高度集中静载荷采用分步评 价，分步驱散，联合检验的方法。 实践证明该方法主 动、超前、高效，不但降低了后期防治强度，也使得严 重冲击地压灾害防治得以成功，类似条件矿井可借 鉴应用。 １ 工程背景 平庄矿区古山煤矿主采 ６－２ 煤层，煤层倾角平均 为 ２６，厚度平均为 １４ ｍ，单轴抗压强度 １０．５１ ＭＰａ， 具有弱冲击倾向性。 矿井为岩浆岩侵入区，造成煤层 顶板为一层辉绿岩，直通地表，目前开采区下巷顶板 最厚处为 ２３２ ｍ，单轴抗压强度为 １４７ ＭＰａ，具有强冲 击倾向性。 煤层底板为 ６０ ｍ 的砂岩。 ２０１３ 年年初， 矿井开采十采区东翼的 ０６９－２ 工作面，工作面设计走 向长４００ ｍ，倾斜长６１ ｍ，下巷埋深３７０ ｍ。 该工作面 东邻三井边界，南邻上区段 ０６８－２ 采空区，北邻未开 采区，西为采区下山巷道，如图 １ 所示，０６９－２ 工作面 上下巷分别上覆 ０６８－１ 和 ０６９－１ 采空区。 ０６９－２ 工作面两巷掘进贯通后，安装准备设备 时，于 ２０１２ 年 １０ 月 １７ 日，在下巷邻近上覆采空区 位置发生一起冲击地压灾害，瞬间造成 ７０ 余 ｍ 巷 道近似闭合，多处巷道仅有输送带架上 ０．３～０．５ ｍ 高度的空间，此处支护的锚杆（索）脱落，工字钢支 架全部损坏，造成 １３ 人受伤，工作面停产 ３ 个月。 冲击地压造成破坏如图 ２ 所示。 图 １ 工作面及冲击地压显现位置 Ｆｉｇ􀆱 １ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｂｕｒｓｔ ｏｃｃｕｒｅｄ 图 ２ 冲击地压造成的巷道破坏示意 Ｆｉｇ􀆱 ２ Ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｒｏａｄｗａｙ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｒｏｃｋｂｕｒｓｔ ２ 浅埋厚硬单层顶板冲击地压监测理论基础 如图 ３ 所示，依据 ０６９－２ 工作面实际开采条件 建立下巷煤岩承载模型，根据现场实测，下巷顶底板 存在 ２５ ＭＰａ 的水平应力，在垂直方向，主要关注两 帮极限平衡区承载函数 ＴＭ（Ｇ，ＦＣ，Ｎ，ＦＱ，Ｆｈ），其中， Ｇ 为巷道覆岩的自重，ＦＣ为巷道两帮侧向支承压 力，Ｎ 为上区段采空区顶板弯曲弹性能，ＦＱ为工作 面自身的超前支承压力，Ｆｈ为上覆采空区开切眼后 方支承压力，则从理论上讲 ＴＭ为上述参量的正相 关函数。 这些参量代表的载荷源主要提供弯曲弹性 能或压缩弹性能，因而属于集中静载荷。 依据冲击地压的冲击启动理论［１６］，该工作面下 巷冲击启动与否，取决于 ＴＭ（Ｇ，ＦＣ，Ｎ，ＦＱ，Ｆｈ）函数值 是否达到极限。 ０６９－２ 工作面下巷所处埋深折算应 力为 ９．２５ ＭＰａ，该区实测应力集中系数平均为 １．７，故 计算得该处的平均应力为 １５．７３ ＭＰａ，已经超过了煤 层的单轴强度 １０．５１ ＭＰａ。 并且，“１０１７”冲击显现 点弹性能由胡克定律估算为４５ ｋＪ／ ｍ３，参考文献［１７］ 给出的计算公式，计算动力破坏需要的最小能量 Ｅｃ＝ σ２ ｃ／ （２Ｅ）＝ １５．３４ ｋＪ／ ｍ ３，因此 Ｅ ｊ －Ｅ ｃ＞０，根据冲击启动 理论，单纯集中静载荷 Ｅｊ就能够诱发冲击启动。 因此，从理论上分析，“１０１７”冲击地压发生 原理如下巨厚难垮岩浆岩顶板悬顶导致短壁工作 面的下巷仍然处于弯曲弹性能 Ｎ 覆盖区中，上覆采 空区 ０６９－１ 后侧高的支承压力 Ｆｈ与本段巷道两帮 ５６ ２０１６ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４４ 卷 图 ３ 工作面下巷承载示意 Ｆｉｇ􀆱 ３ Ｂｅａｒｉｎｇ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ｒｏａｄｗａｙ 侧向支承压力 ＦＣ叠加，３ 种力源在巷道掘进扰动下 与时间 ｔ 呈正相关关系，而巷道两帮的围岩，其长期 强度与时间 ｔ 呈负相关关系，因此，此时集中静载荷 大函数 ＴＭ（Ｇ，ＦＣ（ｔ），Ｎ（ｔ），Ｆｈ（ｔ））在缺失 ＦＱ的情 况下仍满足冲击启动条件，故为集中静载荷型冲击 地压，因此，课题组决定后期冲击地压的监测预警以 集中静载荷演化规律研究为主。 ３ 主导冲击启动的集中静载荷演化规律分析 ３􀆱 １ 开采前集中静载荷超前预探测 ０６９－２ 工作面在两巷掘进刚贯通，工作面尚未 推进，就发生“１０１７”冲击地压，并且发生在两侧 都为实体煤的下巷，表明该条巷道静载荷集中程 度高，为了充分了解该区域静载荷分布状态，提前 采取载荷疏导，降低后期卸压工作强度，采用地震 ＣＴ 技术进行了开采区域静载荷预探测，从工作面 卸压爆破前煤体应力分布图（图 ４）可知，静载荷 探测到的震动波速异常系数依次增大，其中波速 正异常系数最大为 ０．８５，负异常系数最小达到 －０．３５。 总体来说，绝大部分区域的正异常系数小 于 ０．７５，但经过本次冲击地压后，仍然有近 ２０％的 面积，其波速探测正异常系数为 ０．５０ ～ ０．７５，根据 煤岩 体 中 震 动 波 速 大 小 与 应 力 呈 正 相 关 关 系［１８－１９］，说明该区域内静载荷集中程度仍然较高。 依据探测结果，对工作面高应力区卸压顺序进行 了编排，当卸压工程结束 １５ ｄ 后，采用同样的探测 方案进行静载荷分布状态复评，如图 ５ 所示。 由 图 ５ 可知，原来探测为高应力区，且波速正异常系 数为 ０．５０ ～ ０．７５ 的区域变为零散分布，无显著的 云状集中区域，并且这些零散分布的高应力区累 计面积降至 １２％左右，说明通过爆破卸压，显著驱 散了高应力的集中，强冲危险状态得到缓解，工作 面具备安装和生产条件。 图 ４ 工作面卸压爆破前煤体应力分布 Ｆｉｇ􀆱 ４ Ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ ｂｏｄｙ ｂｅｆｏｒｅ ｒｅｌｉｅｆ ｂｌａｓｔｉｎｇ 图 ５ 工作面爆破卸压后煤体应力分布 Ｆｉｇ􀆱 ５ Ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ ｂｏｄｙ ａｆｔｅｒ ｒｅｌｉｅｆ ｂｌａｓｔｉｎｇ ６６ 潘俊锋等浅部矿井静载荷主导型冲击地压监测方法与实践２０１６ 年第 ６ 期 ３􀆱 ２ 工作面推进时静载荷数值模拟预评价 为预先了解当工作面推进时，采场、巷道围岩载 荷演化规律，同时也为实际推采时围岩应力实时监 测传感器布置提供指导。 采用 ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟技 术，提前模拟了工作面应力演化特征。 由图 ６ 可知， ０６９－２ 工作面下巷两侧应力较高，尤其在上覆 ０６９－１ 采空区后方区域应力集中明显，达 １２ ＭＰａ，随着 ０６９－２ 工作面向前推进，本工作面超前支承压力不 断前移，并且逐渐与上覆 ０６９－１ 采空区后方区域集 中应力相遇，产生叠加，因此该区域应力迅速升高， 最高可达 １６．７ ＭＰａ，表明随着工作面推进上覆 ０６９－１ 采空区覆盖的 ０６９－２ 下巷仍然是强冲击危险区。 图 ６ 工作面推进时下巷煤岩应力变化 Ｆｉｇ􀆱 ６ Ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ｒｏａｄｗａｙ ｄｕｒｉｎｇ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ａｄｖａｎｃｉｎｇ ０６９－２ 工作面推进过程中，记录的煤体内应力 变化情况如图 ７ 所示，与图 ６ 相同，也反映出 ０６９－２ 工作面推进过程中下巷两侧应力明显高于上巷，并 且随着工作面向上覆采空区推进，两巷应力均表现 为先增大，推进至采空区正下方后再变小的趋势，说 明工作面推进至上覆 ０６９－１ 采空区后方时，下巷仍 然面临较强的冲击危险，而进入采空区下方后，工作 面整体处于低应力区开采。 图 ７ 工作面不同推进距离倾向应力分布曲线 Ｆｉｇ􀆱 ７ Ｄｉｐ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｓｔｒｅｓｓ ｃｕｒｖｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｄｖａｎｃｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ３􀆱 ３ 开采中集中静载荷实时监测 ３􀆱 ３􀆱 １ 工作面超前应力集中范围实测 在“１０１７”冲击地压发生后，经过工作面静载 荷预探测预卸压，区域静载荷得到一定的驱散，但数 值模拟表明，随着采场推进，本工作面超前支承压力 逐渐向上覆采空区后侧迁移，冲击危险性不断增强， 为了验证这一认识，同时做到实时监测预警，实时采 取解危措施，保障安全开采。 在 ０６９－２ 工作面下巷 全长布置了自主研发的 ＫＪ２１ 冲击地压应力在线监 测系统，系统结构如图 ８ 所示。 图 ８ 冲击地压应力在线监测系统结构 Ｆｉｇ􀆱 ８ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｏｎ－ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｒｏｃｋｂｕｒｓｔ ｓｔｒｅｓｓ 如图 ９ 所示，共布置测站 ２５ 个，每个测站包括 ３ 个测点，测点的测深分别为 ７、１０、１５ ｍ，总计 ７５ 个测点。 第 １ 个测站距离下山巷巷口 １０ ｍ，各测 点间距均为 ５ ｍ。 传感器埋深依次为 ７、１０、１５、７、 １０、１５ ｍ。 选择第 １４ 测站 １５ ｍ 测点，第 １７ 测站 １０ ｍ 测点、１５ ｍ 测点，第 １９ 测站 １０ ｍ 测点，将其 分别编号为 １、２、３ 和 ４ 号。 主要观测随着工作面 推进，煤体超前支承压力及应力集中系数，选择 ２０１３ 年 １ 月 １ 日至各自测点监测结束时间段数据 进行分析，如图 １０ 所示。 由图 １０ 可知，随着工作 面推进，邻近 ０６９－１ 上覆采空区时，煤体实测应力 显著增大，达到 １８ ＭＰａ 左右，各测点表明，超前支 承压力峰值位于煤壁前方 １３ ｍ 左右。 具体实测 数据见表 １。 ７６ ２０１６ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４４ 卷 图 ９ 下巷应力在线监测系统布置 Ｆｉｇ􀆱９ Ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ－ｌｉｎｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ｒｏａｄｗａｙ 图 １０ 工作面下巷煤体应力变化曲线 Ｆｉｇ．１０ Ｓｔｒｅｓｓ ｃｈａｎｇｅ ｃｕｒｖｅｓ ｏｆ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ｌｏｗｅｒ ｒｏａｄｗａｙ 表 １ 各观测点数据统计 Ｔａｂｌｅ １ Ｄａｔａ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ 钻孔 编号 超前支承压力 影响范围／ ｍ 应力峰值距 工作面距离／ ｍ 应力集中 系数 １ 号１００１２２．２ ２ 号８０１６１．５ ３ 号５５１２１．４ ４ 号８２１４２．０ 平均值７９．３１３．５１．７ 由表 １ 可知，超前支承压力影响范围约为 ７９．３ ｍ，应力峰值距离工作面煤壁约为 １３．５ ｍ，应力集中 系数为 １．７。 据此可将超前应力区域划分为以下 ３ 个部分。 １）超前工作面 ０ ～ １３．５ ｍ 范围属于应力降低 区，此区域煤体先后经过超前支承压力峰值并达到 强度极限，煤体结构遭到破坏，产生塑性屈服，承受 载荷能力大幅降低，应力向煤体深处转移。 ２）超前工作面 １３．５～７９．３ ｍ 属于应力增加区， 此区域由外（７９．３ ｍ 处）向工作面方向压力急剧增 大，直至达到应力峰值。 其中应力快速增加区为超 前工作面 １３．５～４６．４ ｍ。 根据以上分析可知，工作面超前压力影响范围为 ０～７９．３ ｍ，应在区域１ 和区域２ 做到重点强化支护。 ３􀆱 ３􀆱 ２ 冲击事件活跃期监测分析 ＫＪ２１ 冲击地压应力在线监测系统监测到０６９－２ 工作面下巷下帮的应力云图如图 １１ 所示，由图 １１ 可知，在上分层 ０６９－１ 工作面采空区边缘附近为应 力升高区域，并随着工作面的推进，受超前支承压力 的影响，应力升高程度和区域不断增大，实测结果与 数值模拟结论基本吻合。 图 １１ 不同推进度下工作面下巷下帮应力云图 Ｆｉｇ􀆱 １１ Ｓｔｒｅｓｓ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｏｆ ｌｏｗｅｒ ｒｏａｄｗａｙ ｉｎ ｄｉｆｆｒｅｎｔ ａｄｖａｎｃｅ ｄｅｇｒｅｅ ０６９－２ 工作面三面与采空区相邻，形成了一个巨 大的孤岛煤柱，加之顶板岩层坚硬完整性好，整个 ０６９－２工作面，除位于上分层 ０６８－１、０６９－１ 采空区以 及上区段 ０６８－２ 工作面下的局部位置外，均处于应力 增高区范围内；这也解释了 ０６９－２ 工作面下巷掘进期 间发生“７３０”弱冲击事件的原因，并且“１０１７”事 件冲击范围在下巷 ２００ ｍ 至开切眼全部区域。 ４ 冲击案例验证 ０６９－２ 工作面微震事件集中区域投影如图 １２ 所示，由微震监测数据表明，０６９－２ 工作面下巷靠近 ０６９－１ 采空区处微震事件密集发生，但从其剖面图 看出微震事件主要发生在煤层、底板中，表明巨厚整 层岩浆岩顶板并未破裂，煤层、底板微震事件为集中 静载荷压裂事件，而这些事件要释放一定的动载荷。 在静、动载荷作用下，煤岩体逐渐加压，其内在微缺 陷被压缩或闭合，此时产生能级很小的地音信号，当 裂纹扩展到一定规模、煤岩体受载强度接近其破坏 ８６ 潘俊锋等浅部矿井静载荷主导型冲击地压监测方法与实践２０１６ 年第 ６ 期 的 １／２ 时，开始出现大范围裂隙贯通并产生能级较 大的微震事件。 当载荷越接近煤岩体极限强度时， 微震事件次数越多，直至煤岩体发生大的破坏。 图 １２ ０６９－２ 工作面微震事件集中区域投影 Ｆｉｇ􀆱 １２ Ｃｅｎｔｒａｌ ａｒｅａ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏ ｓｅｉｓｍｉｃ ｅｖｅｎｔｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｏ．０６９－２ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ 煤岩体的破裂前兆、过程和最终破坏始终伴随 应力的变化，２０１３ 年 ５ 月 １５ 日至 ５ 月 ３０ 日 ６ 次量 级在 ６ 次方以上高能事件发生前后煤岩体应力以及 地音活动变化情况如图 １３ 所示。 选择图 ９ 中 １ 号 测点作为研究对象，由图 １３ 可以看出，工作面超前 支承压力背景下，随着工作面推进，煤岩体应力不断 增加，对应的地音每小时活动频次和能量曲线交替 形成大小不等的包络，在高能事件发生前 １～２ ｈ 内 地音频次和能量开始同步增加，并持续到高能事件 发生 １ ～ ２ ｈ 内， 然 后 开 始 减 弱。 从 图 １３ 中 也可以看出，高能事件发生后，应力曲线立即走低， 图 １３ 高能事件发生前后煤岩体应力与地音活动相关性 Ｆｉｇ􀆱 １３ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ａｍｏｎｇ ｂｕｒｓｔ ｅｖｅｎｔｓ，ｃｏａｌ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｍａｓｓ ｓｔｒｅｓｓ，ｓｏｕｎｄ ａｃｔｉｖｉｔｙ 持续几个或十几个小时后又开始上升。 表明集中静 载荷主导的冲击危险区域，伴随着静载荷不断增大 的过程中，交替出现高频低能的地音事件，当高集中 静载荷不能得到有效驱散，持续上升过程中大量的 地音事件发生质变，出现低频高能微震（或冲击）事 件，由于这些微震事件为高静载荷压裂产生，因而虽 然有足够的能量，但突破密实的高静载荷区，能量衰 减明显，难以诱发灾害。 随着工作面推进，强冲击危险区域静载荷不断 增大，在这种警示下，现场进行了多次大孔径卸压， 煤层卸压爆破等，微震事件还是频频发生，１５ ｄ 内 发生的 ６ 次 １０６Ｊ 以上冲击事件（图 １４），大能级的 图 １４ 冲击事件与煤体应力分布 Ｆｉｇ􀆱 １４ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｂｕｒｓｔ ｅｖｅｎｔｓ ａｎｄ ｃｏａｌ ｂｏｄｙ ｓｔｒｅｓｓ ９６ ２０１６ 年第 ６ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４４ 卷 事件主要分布在 ０６９－１ 采空区开切眼前后，并且主 要为底板破裂事件，依次远离下巷下帮，几乎每 ３ 天 发生 １ 次大能级事件，并且每次地面都有震感，充分 说明了高集中静载荷一旦形成很难根本性驱散。 与 应力实测图对比，发现高的应力集中区并非微震产 生区，煤岩破裂主要集中在采空区下，此处煤岩松 散，是高能量传递的通道和突破口，也是冲击显现 区。 由于数值模拟预评价与现场实测高度吻合，现 场依据理论与实测结果预先进行了多项解危措施，６ 次冲击都没有影响生产正常进行，目前本工作面已 经安全回采结束。 ５ 结 论 １）地质赋存特征或者不合理的开采造成静载 荷高度集中区，巷道开口就面临冲击威胁，此类冲击 地压监测与防治以集中静载荷为主，并且需要采取 分步评价，分步驱散，联合检验的方法。 ２）开采部署造成的严重冲击危险区域，很难通 过局部措施从根本上消除冲击危险，因此掘进危险 区也是回采的危险区，针对不同时期，多种方法联合 评价结果吻合较好，实践证明方法得当，可以推广。 ３）鉴于微震等地球物理方法监测到的动载荷 信息具有正负双向信息，而集中静载荷本身就是冲 击启动的内因，又同时会转化为动载荷，因此针对采 掘空间集中静载荷的评价、监测技术开发与提升将 是今后研究的重点，地球物理方法起到检验与缩小 研究范围的作用。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） ［１］ 潘一山，李忠华，章梦涛． 我国冲击地压分布、类型、机制及防 治研究［Ｊ］． 岩石力学与工程学报，２００３，２２（１１）１８４４－１８５１． Ｐａｎ Ｙｉｓｈａｎ，Ｌｉ Ｚｈｏｎｇｈｕａ，Ｚｈａｎｇ Ｍｅｎｇｔａｏ． Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｔｙｐｅ，ｍｅｃｈａ⁃ ｎｉｓｍ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｃｋｂｒｕｓｔ ｉｎ Ｃｈｉｎａ［Ｊ］． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３，２２（１１）１８４４－１８５１． ［２］ 姜耀东，赵毅鑫，刘文岗，等． 煤岩冲击失稳的机制和试验研究 ［Ｍ］．北京科学出版社，２００９． ［３］ 章梦涛． 我国冲击地压预测和防治［Ｊ］． 辽宁工程技术大学学 报自然科学版，２００１，２０（４）４３４－４３５． Ｚｈａｎｇ Ｍｅｎｇｔａｏ． Ｆｏｒｅｃａｓｔ ａｎｄ 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