小莊煤礦40309工作面誘沖規律及解危措施

李 鵬

（陜西彬長小莊礦業有限公司）

沖擊地壓是煤礦開采中發生的煤巖動力災害之一［1-2］，表現為在井巷中圍巖發生突然性的破壞事故，造成人員傷亡及設備和財產損失，并伴有巨大聲響和巖體震動，最大震級達4.3級［3］，破壞范圍可達數米或數百米。近年來，煤礦沖擊地壓破壞巷道最大長度達600 m以上［4］。

對于沖擊地壓發生前兆的監測，大多數礦井尤其是新出現沖擊地壓災害的礦井基本都用巖石力學的方法進行監測［5-8］。這些方法的監測結果往往難以滿足指導沖擊地壓防治的要求，一是基于采用巖石力學方法監測到的圍巖變形等特征很難判斷出是常規礦壓顯現還是沖擊地壓前兆；二是沖擊地壓發生共經歷3個階段，上述巖石力學方法監測半徑相對較小，只能監測到沖擊地壓的顯現階段；三是采動圍巖的應力調整以及變形本身是一種能量釋放，單就這些因素不能預測沖擊地壓的發生。

為此，探索沖擊地壓前兆信息，辨識沖擊地壓危險源分布特征，在此基礎上探索遠程的、全方位立體式沖擊地壓危險源辨識技術是沖擊地壓預測預報的基礎。實際上，煤巖體在載荷高度集中的條件下，會產生裂隙，發生破壞時向外發射出微震、地音等地球物理信號，通過對這些地球物理信號的遠程響應分析，可以間接地辨識到沖擊地壓危險源及其發展趨勢，從而在此基礎上對礦井沖擊地壓進行啟動前的預警嘗試［9-11］。

1 工程概況

小莊煤礦是陜煤集團的主力礦井之一，井田面積約46.2 km2。目前主采4#煤層40309綜放工作面，其平均埋深為600 m，該煤層及其頂底板均具有弱沖擊傾向性，且經過實測表明井田地應力場以水平構造應力為主導。因此，隨著小莊煤礦采深逐漸增加，不可避免地會受到沖擊地壓的威脅，應提前開展相關研究。

小莊煤礦在掘進期間采用的沖擊地壓監測方法有微震監測、鉆屑監測、應力在線監測等，本研究將根據礦井微震和鉆屑法監測數據以及應力在線監測系統，結合礦井動力顯現的歷史記錄，充分挖掘可對現場沖擊地壓防治起到指導作用的信息及規律。通過分析多源信號，對巷道沖擊地壓誘發機制和防治技術的研究具有重要意義，這既是該礦建設和生產的需要，也為類似條件礦井安全高效生產提供借鑒。

2 基于動靜組合的工作面監測布置

對沖擊地壓進行有效監控及風險規避，首先需要弄清沖擊地壓發生的能量源頭［12-15］。結合相關文獻可以得知，沖擊地壓啟動有兩大類能量來源，第一類能量來源是采動圍巖近場系統內集中靜載荷，第二類是采動圍巖遠場系統外集中動載荷。

2.1 40309工作面動靜載荷辨識

結合40309工作面實際賦存情況，沖擊地壓動靜組合誘沖機制仍適應于小莊煤礦沖擊地壓防治措施分析。利用沖擊地壓動靜組合疊加理論，從理論層面有效區分與拾取40309工作面沖擊地壓動載荷以及靜載荷影響特征；同時考慮到動靜載荷監測方法的差異性，有必要開展分源監測。

采掘爆破產生的沖擊波不只是采動圍巖系統外集中動載荷的產生原因之一，厚硬巖層活動產生的沖擊波也會造成集中動載荷現象。采動圍巖系統外動載荷來源主要有4個：采場大面積的直接堅硬頂板斷裂，上覆高位堅硬頂板斷裂，上覆高位堅硬底板斷裂，井下爆破。這4種現象發生的同時都能產生壓縮彈性能，而壓縮彈性能就是外動載荷最主要的原因。

采動圍巖系統內集中靜載荷產生的原因主要有2個：①近場區域分布視角下，采掘擾動過程中，同步發生的應力轉移以支承壓力的演化方式顯現，因此在工作面前方出現了明顯的高應力集中區；②遠場區域分布視角下，由于關鍵層控制著整個高位巖層的變形與運移規律，其在靜力學環境中聚集了大量的彎曲彈性能，一旦關鍵層失穩，巖層運動將發生整體失穩。具體分布如圖1所示。

2.2 集中動載荷監測方法

用于監測動載荷的系統主要有地音法以及微震監測2種。采用微震和地音法相結合的監測手段可使監測信息更豐富和完整，能實現對整個頻率范圍的完整監測，并在空間上達到了相互補充。

通過在工作面附近布置拾震器，收集微震監測數據（圖2）。一般震動情況較為劇烈、且頻率低于150 Hz的事件屬于微震（即MS）類型，通常表現為范圍較大的裂隙連通同時出現破壞的情況；地音型系統通常對能量較微弱的事件進行監測，一般表現為煤巖裂縫程度加大或者是出現部分破壞；和微震事件相比較，地音法主要對范圍較小的區間中煤巖體出現破壞的事前監測。綜合以上，地音系統適用于關鍵區域精細化監測，微震系統適用于區域大范圍遠場監測。

煤巖體動力破壞存在一個由量變到質變的過程，在煤巖破壞的初始和發展階段，大量微裂隙的形成將不斷釋放高頻地音信號，可由地音系統進行監測，實現動力破壞的臨場預警；當破壞發展到最終階段，即斷裂形成，則釋放低頻微震信號，可由微震系統進行監測，實現長期危險趨勢預測。

2.3 集中靜載荷監測方法

使用巖石力學方法來辨別圍巖系統中關于靜載荷的相關危險來源，具體包含采動應力監測方法以及鉆屑法。

鉆屑法的主要步驟是在煤層中鉆直徑為42～50 mm的孔洞，依據鉆出的煤粉數量以及相關的動力反應，來對沖擊產生的危害性作出判斷。這一方法所依據的理論是排出的煤粉數量和煤體的具體應力情況之間存在一定程度的定量關聯性，即條件相近的煤體處于不同的應力環境時，會有不同程度的排粉量。如果鉆孔過程中的排粉率出現增加或高出特定數值，就意味著沖擊帶來的危險等級以及應力集中水平有著一定的提高。這個方法可定點監測危險區域，并且操作較簡便，但較容易受到外部因素影響。

采動應力監測方法主要是對煤體中存在的垂直應力進行監測。伴隨工作面的不斷推動，采空范圍內的頂板巖層部分存在松動、掉落等問題，破壞區域形成應力集中，支承壓力所涉及的區間范圍以及最高值會不斷增加。在順槽兩幫的煤體中設置監測點實施監測，對比分析不同測點在各個時段中垂直應力的波動情況，此變動量稱為應力梯度。通過對照既定標準的相關應力梯度等值線，就可以對沖擊造成的危險范圍以及危險程度作出判斷。該方法可以實現在線監測，準確度較高，但對數據的分析需要一定的專業水平。

采動應力法可實現連續在線監測，后期施工工程量小，數據量豐富，不易受人為干擾。鉆屑法實施位置更加靈活，可布置在采動應力法未監測到的區域，如掘進迎頭煤體，或用來驗證采動應力法的監測效果，兩者優勢互補，聯合使用效果更佳。

3 工作面沖擊解危措施方案設計

通過現場監測，40309工作面采掘擾動期間沖擊危險源以靜載荷為主，所以，以煤體卸壓爆破為主進行解危泄壓。相對而言，爆破法是一種快速的卸壓方法，爆破可迅速改變周圍煤巖體結構，卸壓程度較高。但爆破震動波對巷道圍巖及支護體將造成一定的損傷，從而影響巷道的支護質量。

在40309工作面煤層傾向方向布置2排扇形爆破孔，10孔/排，孔徑為113 mm，孔深39～79 m，封孔長度為15～20 m，實現沿煤層走向方向140 m、垂直方向40 m的巖體爆破預裂范圍，具體施工參數見表1。

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4 工作面沖擊解危措施效果評價

40309膠帶順槽開展爆破卸壓防沖試驗，于2020年1月29日—2021年2月16日施工，調取并整理微震監測數據對壓裂區域進行效果分析。

4.1 爆破前后微震數據對比

40309膠帶順施工前（2021年1月2—28日）微震監測總能量為5.9×106J，日均釋放微震能量為2.18×105J，平均微震事件能量為2.0×103J，頻次為2 955次，日均微震頻次為109次。其中“2次方”事件頻次為1 285次，“3次方”事件頻次為1 640次，“4次方”事件頻次為30次。上述區域在40309膠帶順槽水力壓裂施工期間（2021年1月29日—2月16日）微震監測總能量為6.6×106J，日均釋放微震能量為3.57×105J，平均微震事件能量為2.9×103J，頻次為2 247次，日均微震頻次118次，其中“2次方”事件頻次670次，“3次方”事件頻次為1 519次，“4次方”事件頻次為57次；上述區域在40309膠帶順槽水力壓裂施工后（2021年2月17日—3月24日）微震監測總能量為6.3×106J，日均釋放微震能量為1.75×105J，平均微震事件能量為1.4×103J，頻次為5 145次，日均微震頻次為143次，其中“2次方”事件頻次為2 159次，“3次方”事件頻次為2 940次，“4次方”事件頻次為25次。

4.2 爆破解危措施效果評價

根據現場數據分析，微震頻次分布分3個階段：①卸壓前微震活動總體較活躍，在該區域受到工作面開采擾動影響較為明顯，主要為“2次方”“3次方”微震事件，“4次方”微震事件平均4～5次/d；②卸壓期間微震活動急劇增多，“3次方”“4次方”微震事件明顯增多，1月30日—2月3日、2月14日微震頻次呈明顯的雙波峰狀態；③在卸壓完成后前期（2月17—27日）微震活動仍較為活躍。在剛卸壓施工完成后，隨著工作面推進距卸壓區域越來越近，在工作面開采影響和卸壓形成的頂板巖層微裂隙的促進下，微震事件頻次仍較為集中。卸壓施工結束后前期頂板巖層活動仍較為活躍，在后期（2月28日—3月24日）雖然隨著工作面推進，停采線距卸壓區域越來越近，但微震頻次逐漸降低且趨于穩定。相較卸壓前和卸壓期間，微震活躍程度明顯降低，“4次方”微震事件明顯減少，局部時期無“4次方”事件。由此說明，40309工作面沖擊解危措施十分有效。

5 結論

（1）遵循沖擊地壓動靜組合疊加理論，從理論層面有效區分與拾取40309工作面沖擊地壓動載荷以及靜載荷影響特征，同時考慮到動靜載荷監測方法的差異性，借助于獨立的監測設備，開展精準分源監測，獲取影響40309工作面動、靜載荷分布規律。

（2）借助于常規的沖擊地壓防治措施與手段，提出了沖擊地壓顯現危險源層次化監測的實施策略，最終提出了有針對性的沖擊地壓危險源層次化監測和分源解危措施。

（3）制定了40309工作面沖擊地壓解危方案，開展施工后并整理微震監測數據，對壓裂區域進行效果分析，結果顯示卸壓措施有效。