多参量冲击地压综合预警技术...冲特厚煤层中的关键技术研究_林飞.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0410前言2002年，华亭煤矿从掘进煤5层急倾斜区的503工作面起，就开始出现冲击地压灾害。随着开采深度与强度的加大，冲击地压造成的财产损失与人员伤亡也日趋严重。为了查找冲击地压发生机理，降低冲击危险性，华亭煤矿委托具有冲击倾向性鉴定资质的单位对2501采区进行鉴定，经冲击倾向性试验研究，判定华亭煤矿煤5层为强冲击倾向性的煤层。地应力测试表明，华亭煤矿水平地应力相对较大，为垂直地应力的11.3倍。为此，寻求一种适合华亭煤矿强冲特厚煤层中的多参量预警技术，既是降低冲击地压灾害影响的主要手段，也是确保职工生命安全和企业持续发展的第一要务。1概况华亭煤矿位于华亭井田的东翼，矿区目前开采水平为+840 m水平，该水平只有2501一个采区，采区范围内据钻孔揭露，井田深部底板宽缓，煤层倾角一般为510，为特厚煤层，稳定性好，厚度变化于17.648.0 m，平均厚37.5 m，沿走向往北逐渐变大，沿倾向方向变化规律不明显。采区主采5#煤层，经煤岩冲击倾向性鉴定结果得知5#煤层具有强冲击倾向性，煤层顶底板岩层具有弱冲击倾向性。同时2501采区因受褶皱构造、煤层厚度大、赋存厚硬顶板等因素影响，开采条件复杂恶劣，煤层诱发冲击、强矿震的危险性较高，大大增加了冲击地压防控工作难度。采区内工作面布置如图1所示。多参量冲击地压综合预警技术在强冲特厚煤层中的关键技术研究林飞1，李彦斌2，林明阳3，郭敏杰1，屈英1，王娟娟1，陈娜1（1.华亭煤业集团 华亭煤矿，甘肃 华亭744100；2.华亭煤业集团 陈家沟煤矿，甘肃 华亭744100；3.东华理工大学 水资源与环境工程学院，南昌330013）摘要：针对华亭煤矿的冲击地压发生机理进行分析，根据冲击地压显现类型及各项冲击地压监测系统特点，提出了适合强冲特厚煤层的多参量综合预警技术，利用多参量综合预警技术分析出冲击地压显现前的监测数据变化规律，在此基础上，总结出冲击地压显现前兆的特点，为冲击地压预测预报及提前卸压解危提高科学依据，有效降低了冲击地压灾害影响，确保职工安全及矿井高效生产。关键词：冲击地压；多参量监测体系；多参量综合预警体系；预测预报；防控对策中图分类号：TD324文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 211 05Study on Key Technology of Multi-parameter Rock Burst ComprehensiveEarly Warning Technology in Strong-punching Super-thick Coal SeamLIN Fei1，LI Yanbin2，LIN Mingyang3，GUO Minjie1，QU Ying1，WANG Juanjuan1，CHEN Na1（1.Huating Coal Mine，Huating Coal Industry Group，Huating 744100，China；2.Chenjiagou Coal Mine，Huating CoalIndustry Group，Huating744100，China；3.School of Water Resources and Environmental Engineering,East ChinaUniversity of Technology,Nanchang 330013,China）Abstract:Based on the analysis of the mechanism of rock burst in Huating county coal mine,according tothe types of rock burst and the characteristics of various rock burst monitoring systems,puts forward amulti-parameter comprehensive early warning technology which is suitable for strong and extra-thickcoal seam,the multi-parameter comprehensive early warning technology is used to analyze the changelaw of monitoring data before the emergence of rock burst,and on this basis,the characteristics of theprecursor of rock burst are summarized,in order to improve the scientific basis for the prediction andforecast of rock burst and to relieve pressure in advance,the influence of rock burst disaster iseffectively reduced,and the safety of workers and the high-efficiency production of mine are ensured.Key words:rock burst；multi-parameter monitoring system；multi-parameter integrated early warningsystem；prediction and forecast；prevention and control measures211图12501采区采掘工程平面布置图对华亭煤矿2501采区即将开采的250107-1工作面进行资料收集，得知华亭煤田中部背斜斜穿250107-1工作面，将工作面分为南、北2部分。南部位于背斜西翼，北部位于背斜东翼，该工作面开采区域内煤层赋存较为平缓，次级褶曲发育，底板起伏不平，向斜与背斜影响区域内应力较为集中，且上覆顶板岩层厚而硬。2华亭煤矿冲击地压发生机理及预警体系建立2.1冲击地压预测预报原理分析在应用微震技术、地音技术共同监测矿山煤岩动力灾害时，首先监测到的是煤岩体破坏的不稳定阶段，在煤岩体中产生大量的微裂隙破坏，即地音现象；当大量的微破裂发展到一定程度时，最终导致煤岩体的最终断裂，即微震现象；由最终断裂往往会引发高能量的震动，对煤岩稳定性构成威胁，严重时可导致灾害性的动力灾害事故。在预防煤岩动力灾害的过程中，有效的监测重点危险区域的地音现象，可以在危险萌芽阶段对灾变危险进行控制；精确的微震事件监测，则可以对监测区域内的高能事件分布进行区域划分，有效判断煤岩体内的能量释放情况，使采取的解危措施更具有针对性，提高煤岩动力灾害防治效果。因此，对于煤岩动力灾害的监测，不仅仅需要对高尺度效应的煤岩体的最终断裂（微震现象）进行监测，也需要对低尺度效应的煤岩体微裂隙扩展（地音现象）进行精细化监测，通过对煤岩体中能量从集聚至释放整个过程的完全监测来分析矿山动力灾害的活动规律，从而实现对矿山动力灾害危险性评价和预警。动、静载作用下煤岩冲击破裂过程的能量演变及应力、多元物理场响应特征如图2所示。图2研究发现微震效应与煤岩损伤速率、变形速率、能量释放速率呈正相关关系，揭示了煤岩体冲击破坏变形能、微震与应力之间的耦合作用。通过分析变形能与应力降或应变差、声发射与微震之间的转化关系，研究了煤岩冲击破裂过程的应力-能量-物理参量的耦合规律，为煤岩冲击动力灾害的多参量监测预警提供实验依据和理论基础。应变/mmmm-1（a）不同加载速率下应力应变响应特征应变10-2（b）动、静作用下能量演变及应力特征时间/s（c）动、静作用下声发射响应特征时间/s（d）动、静作用下电磁辐射响应特征图2动、静载作用下煤岩冲击破裂过程的能量演变及应力、多元物理场响应特征2.2华亭煤矿冲击地压监测体系及预警体系建立第42卷第03期多参量冲击地压综合预警技术在强冲特厚煤层中的关键技术研究林飞，等Vol.42 No.03应力/MPa应力/MPa变形能、累积能量释放104/Jm-3能量释放/Jm-3应力/MPa地音事件电磁脉冲加载压力/N250107-1工作面250105-1工作面250103-1工作面250101-1工作面250102-2工作面250102-1工作面250104-1工作面250106-1工作面0.00100.0020.0030.0040.0050.00614012010080604020=0.01 mm/s=0.05 mm/s=0.10 mm/s=0.005 mm/s2.52.01.51.00.5累积能量释放变形能应力能量释放4.03.53.02.52.01.51.00.501.01.52.0地音事件应力1201008060402020040608010012014016018040 00032 00024 00016 0008 000070605040302010350300250200150100500200406080100120140212华亭煤矿配备了多种煤岩动力灾害监测设备及方法，如微震监测法、地音监测法、应力在线监测法、钻屑法等。华亭煤矿结合实际开采情况和多年的冲击地压防治经验，目前形成了以微震监测法和钻屑法为主，应力在线监测法、声发射法为辅的多参量综合监测体系，监测体系如图3所示。图3华亭煤矿冲击地压监测体系图（1）微震监测法微震监测法对冲击地压危险的动载荷进行区域监测，监测原理如图4所示。图4微震监测原理图华亭煤矿采用波兰32通道“SOS”微震监测系统进行冲击危险性区域监测，其中4个为三分量拾震器（每个三分量拾震器占用3个通道），15个为单分量拾震器，拾震器随采掘工作面的推进而挪动。华亭煤矿经过多年的工作经验总结及数据统计，对250107-1工作面的微震监测指标及预警临界值进行规定，具体数据：震动频次24 h发生在250107-1工作面附近的震动次数。微震能量最大值Emax24 h发生在250107-1工作面附近的最大震动的能量。微震总能量24 h发生在250107-1工作面附近的震动总能量。微震频度初始临界值70次。微震能量最大值Emax临界值8.72104J。微震总能量E临界值1.25E105J。微震监测分析如图5所示。震动频次、微震能量最大值、微震总能量任一指标超过临界值都代表冲击危险性高。（2）钻屑监测法华亭煤矿采用直径为42 mm的钻杆进行钻屑量监测，根据钻孔过程中单位孔深排粉量和动力现象来对冲击地压危险的静载荷进行点监测。图5微震监测分析图钻屑临界值的确定：在不受采动（距离工作面至少200 m以外）及地质构造影响区域，布置510个钻孔，钻孔直径42 mm，深度12 m，间距10 m，钻孔平行于煤层倾斜方向，高度距底板0.8 m，记录每孔每米煤粉量，画出正常煤粉量曲线，然后用加权平均法对其进行处理，作为标准煤粉量（正常值），在此基础上，确定冲击地压危险的煤粉量的临界值。250107-1的钻屑临界值如表1所示。表1250107-1回采工作面钻屑量临界值钻屑值超过临界值为冲击危险性高；钻屑监测施工过程中出现卡钻、吸钻等动力特征为冲击危险性高；钻屑量超过临界值或钻屑过程中出现动力现象，任一现象都代表冲击危险性高。钻屑监测分析如图6所示（钻孔过程中未出现动力现象）。钻孔深度/m图6钻屑监测分析图（3）地音监测法采用地音法对冲击地压危险的静载荷进行局部监测，监测原理如图7所示。华亭煤矿采用引进波兰ARES-5地音监测系统监测煤岩层的震动速度。在回采工作面两顺槽各安装4个地音传感器，共4个，初次安装时最里面地音传感器布置在距工作面70 m处巷帮上，各个传感器之间相隔70 m，当工作面推进距最近拾震器距离小于30 m时，及时将距工作面最近的1个地音传第42卷第03期Vol.42 No.03多参量冲击地压综合预警技术在强冲特厚煤层中的关键技术研究林飞，等位置运输顺槽回风顺槽临界值/kgm-13.263.60开采线外30 m开采线外40 m开采线外50 m临界值钻屑量/kgm-1微震监测法钻屑检测法监测方法123地音监测应力在线监测4地面采集站记录仪、GPS授时探头2344.03.53.02.52.01.51.0井下分析仪56789101112能量总能量监界值总能量频次能量临界值频次临界值频次/次8070605040302010012-05日期（2021年）12-0612-0912-1012-1112-0712-08能量/J1.35E+051.15E+059.50E+047.50E+045.50E+043.50E+041.50E+04-5.00E+03213感器向外挪移至距最外面地音传感器70 m处。地音传感器布置如图8所示。图7地音监测原理图图8地音传感器布置图华亭煤矿经过多年的工作经验总结及数据统计，对250107-1工作面的地音监测指标及预警临界值进行规定，具体数据：能量异常指数超过2时，代表冲击危险性大。频次异常指数超过2时，代表冲击危险性大。危险级别判定大于等于C时，代表冲击危险性大。危险级别判定危险级别由低到高为A，B，C，D，如表2所示。表2煤岩动力灾害危险性评价标准地音监测分析如图9所示（系统判断，危险等级为A）。图9地音监测分析图频次异常指数、能量异常指数、危险级别判定任一指标超过临界值都代表冲击危险性高。（4）应力在线监测华亭煤矿安装KJ743应力在线监测系统，对采掘工作面进行冲击地压危险的动、静载荷进行点监测，监测原理如图10所示。图10应力在线监测原理图在250107-1工作面两顺槽300 m范围内实施应力在线监测，每组测点布置2个钻孔测力计和一台围岩应力传感器，孔高0.51.5 m，其中浅部监测点深度8 m，深部监测点深度13 m。同一组内相邻监测点间距02 m，相邻监测点组间距20 m。初次布置时最近监测点布置在工作面外40 m处，工作面推进距最近监测点小于10 m时，及时将围岩应力传感器挪移并在距最后1个测点2030 m处重新布置监测点。布置如图11所示。图11应力在线监测系统布置图应力：监测点应力值，单位为MPa，分为深部监测点应力值及浅部监测点应力值。应力变化率：对于某监测点，单位时间间隔内的应力变化值，单位为MPa/d。浅基点应力临界值：12 MPa，应力变化率临界值：2 MPa/d；深基点应力临界值：15 MPa，应力变化率临界值：3.5 MPa/d。浅基点应力值、浅基点应力变化率、深基点应力值、深基点应力变化率任一指标超过临界值都代表冲击危险性高，监测分析如图12所示。探头1#2#3#4#5#6#7#8#100%AAAAAAAA100%200%BBBBBBBB200%300%CCCCCCCC300%DDDDDDDD生产班次地音异常指数第42卷第03期多参量冲击地压综合预警技术在强冲特厚煤层中的关键技术研究林飞，等Vol.42 No.03地面井下数据处理计算机ARES-5/E地音监测系统地面中心站信号放大器N/TSA-5.28/ESP-5.28/E地音监测传感器发射器50 m1#探头250107-1回风顺槽250107-1运输顺槽50 m50 m50 m2#探头3#探头4#探头50 m5#探头50 m50 m50 m6#探头7#探头8#探头3.53.02.52.01.51.00.50能量中度危险10-06-0110-06-03频次低度危险高度危险10-07-0110-07-0310-08-0110-08-0310-09-0110-09-0310-10-0110-10-0310-11-0110-11-0310-12-0110-12-03远程监控地面井下数据处理计算机监测主机与交换机井下光纤交换机压力信号线传感器供电线压力传感器井筒光缆接线盒地面监测主机25107-1回风顺槽40 m8 m工作面开切眼浅部测力计13 m强20 m弱及中等30 m300 m深部测力计250107-1运输顺槽围岩应力传感器电源214应力计编号图12应力在线监测分析图2.3华亭煤矿冲击地压预警体系建立单一指标的监测预警方法取得了许多研究成果，但由于冲击动力灾害复杂，单一监测预警方法常常无法满足冲击动力灾害监测预警的需要，也存在着一些不可避免的难题，比如监测结果不一致，导致无法做出准确的预警判断，误发预警不仅会影响生产进度，还降低职工对预警的重视程度；漏发预警又会造成冲击地压引发的财产损失与人员伤亡事故。因此建立多参量耦合预警体系可有效提高预警准确率。华亭煤矿通过多年的工作经验及250107-1工作面的监测指标与冲击地压显现关系，建立了适合250107-1工作面回采期间的冲击地压预警系统，具体如图13所示。图13华亭煤矿冲击地压预警体系图3对监测预警采取针对性防控对策根据不同的监测方法，准确判断出危险区域及危险等级，然后采取针对性卸压措施，既能快速、准确地降低应力集中程度，又避免了盲目卸压造成的人力、物力的浪费。（1）当微震监测中任一指标超过临界值，立即对震动进行进一步分析。一是对震动高程进行分析，判断应力是来自顶板还是底板；二是分析震动发生机理，判断应力是否由地质构造还是采动影响引起。当顶板应力集中程度较大时，对顶板进行松动爆破。在应力集中区域50 m范围内每隔10 m布置1组松动深孔爆破深孔，分别命名为1#孔、2#孔、3#孔、4#、5#、6#孔。具体施工如图14所示。图14顶板深孔爆破图当底板应力集中程度较大时，施工底板大直径对底板进行卸压，卸压方案如图15所示。图15巷帮煤体爆破卸压示意图（2）当应力在线监测、地音监测指标超过临界值时，立即用钻屑监测检验局部应力集中程度，当钻屑监测指标超过临界值时，对应力集中区域采区煤体爆破卸压，卸压施工如图16所示。图16巷帮煤体爆破卸压示意图4结语（1）分析各项监测方法的特点及敏感度，确定其监测方法指标及指标临界值。（2）通过分析指标临界值与冲击地压显现的关系，建立冲击地压预警体系。（3）分析各项监测，查找出冲击危险区域及危险等级。（4）根据冲击危险区域及危险等级，采取针对性较强的卸压措施，以快速、准确地降低应力集中程度。参考文献：1窦林名，赵从国，杨思光，等.煤矿开采冲击矿压灾害防治M.徐州：中国矿业大学出版社，2006.2窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术M.徐州：中国矿业大学出版社，2001.3余德绵,孙步洲.陶庄矿地质构造应力分析及冲击地压的成因机理J.煤炭学报,1993(3):77-84.4池明波,赵阳升,王少卿.基从构造形成分析冲击地压发生机理J煤炭技术,2015,34(2):96-98.5李松营,姜红兵,张许乐,等.义马煤田冲击地压原因分析与防治对策J.煤炭科学技术,2014,42(4):35-38.6毛勇奋,屈英.华亭煤矿强冲击倾向煤巷掘进期间矿压防治技术J.煤矿安全,2015,46(4):73-76.作者简介：林飞（1980-），女，海南定安人，高级工程师，研究方向：矿井冲击地压监测与防治，电子信箱：.责任编辑：李景奇收稿日期：20220420应力值/MPa应力变化率/MPad-1第42卷第03期Vol.42 No.03多参量冲击地压综合预警技术在强冲特厚煤层中的关键技术研究林飞，等浅基点/MPa深基点临界值/MPa浅基点变化率浅基点临界值/MPa深基点变化率4.03.53.02.52.01.51.00.50深基点/MPa17151311975311#2#3#4#5#6#7#钻屑监测监测指标发布预警正常作业微震监测钻屑监测声发射监应力在线监测钻屑监测正常作业冲击地压预警体系监测指标监测指标发布预警监测指标监测指标监测指标监测指标发布预警正常作业监测指标监测指标监测指标正常作业监测指标发布预警监测指标正常作业采煤机1采煤机2老顶：41.2 m直接顶：4.4 m顶煤：9 m6#装药长度4550556586755#4#3#2#1#2501061采空区6 m保护煤柱250107-1回风顺槽底板大直径钻孔2501071运输顺槽工作面开采线dd2501071回风顺槽10 m监测有冲击危险区域2501071运输顺槽工作面推进方向巷帮煤体爆破卸压孔215