0 引言
冲击地压会引起围岩突然外移、弹射、破坏或堵塞巷道，造成人员伤亡，破坏通风系统，且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长达到了600 m。目前，我国煤炭开采深度以每年8～12 m的速度增加，东部矿井的增加速度达到每年10～25 m，绝大部分国有重点煤矿已进入深部开采(部分达到1 000 m以上采深)。随着采深不断加大，地应力不断增大，采场结构越来越复杂，采掘工作面冲击地压灾害频次、强度和破坏程度均呈上升趋势[1-2]。因此，对冲击地压进行监测显得尤为重要。
冲击地压孕育(演化)过程中的应力监测可以通过钻屑量、巷道变形量和采动应力的直接测量实现，能量监测可以通过微震、电磁辐射和声发射等地球物理的非接触式测试实现。文献[3-4]介绍了采动应力及微震监测系统，通过对微震事件及能量的动态分析确定预警区域，利用钻孔应力值确定危险程度。文献[5]通过建立矿震发生的三维激震模型，对矿震的定位进行计算，揭示矿震的机理。文献[6]认为构造型冲击地压发生前，微地震事件持续在断层两侧出现，不再向掘进工作面前方迁移，具有明显的分区性，表明断层开始大量积聚应力。文献[7]认为冲击地压发生前，微地震事件活跃，其震动总能量、最大能量和频次均较高，信号呈现低频、低振幅的特征。文献[8]优选了b值、η值、Mm值、A(b)值和P(b)值5个指标作为冲击地压危险的微震预测指标。文献[9-15]对煤岩电磁辐射的产生机理、特征、规律及传播特性等进行了持续的深入研究，提出了电磁辐射预测冲击地压等煤岩动力灾害的原理及预报方法，研制出了煤岩电磁辐射监测装备及系统，并在多个煤矿应用，用于冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害的监测及预报。以上研究及实践推动了我国冲击地压监测及预警研究的发展，目前我国冲击地压灾害严重的矿井几乎均采用了微震、采动应力、钻屑量、电磁辐射等方法和手段，以提高冲击地压危险预警的准确率[16]。但上述冲击危险性监测方法均是采用单一指标进行冲击危险性预警，存在较大的预警误差，无法全面反映采掘过程中的冲击危险性。基于此，本文以济宁二号煤矿93下05工作面(孤岛工作面)为研究对象，采用钻屑量、微震、钻孔应力等矿压显现指标开展孤岛工作面冲击地压多指标监测及危险性区域划分，根据危险性区域划分结果对不同的危险区域采取针对性的冲击地压预防与治理措施，提前降低应力集中程度，避免能量积聚，防止冲击地压灾害发生。
1 工作面概况
济宁二号煤矿为冲击地压矿井，93下05工作面为典型的孤岛工作面(面临上部采空和临近采空)，位于九采区中部，南到井田边界煤柱，北到九采辅助带式输送机巷，西邻93下06工作面采空区，东邻93下03工作面采空区，工作面中南部上方为93上工作面采空区，地面标高为+33.31～+33.45 m。工作面位于矿井西南部，地面大部分为农田，工作面北部为地表积水区。工作面推进长度为1 497.47～1 517.42 m，宽度为162.25 m，面积为244 499.2 m2，工作面标高为-741.5～-699.8 m。孤岛工作面采掘平面如图1所示。
图1 孤岛工作面采掘平面
Fig.1 Mining plane of island mining coal face
93下05工作面煤体以镜亮煤为主，夹暗煤条带，内生裂隙发育，夹矸为粉砂岩；煤层产状变化大，煤层倾角为1～10°，北部和南部煤层倾角较大，中部倾角相对平缓，煤层走向以东北向为主；工作面煤厚为0.6～4.8 m，平均厚度为2.79 m，总体趋势为南部较厚，中部、北部较薄，北部终采线附近受沉积影响，局部煤厚为1.5 m以下，煤层最薄处为0.7 m。煤层普氏系数(f)一般在1.91左右。煤层顶底板特性见表1。
2 孤岛工作面冲击危险性多指标监测及危险区域划分
多方法、多指标综合监测及多参量耦合分析有利于提高孤岛工作面冲击危险性的预警准确性。根据矿井冲击地压的发生规律，钻屑量、微震能量、钻孔应力值等参数能较好地反映井下冲击危险性，因此采用以上几个参数进行冲击危险性的预警监测。基于93下05孤岛工作面运输巷钻孔钻屑量、工作面回采过程中的微震、钻孔应力的监测结果，分析巷道顶底板及巷帮受工作面采动影响剧烈的范围，并根据这些指标的耦合监测分析结果确定了该工作面在有保护区和无保护区开采时的冲击危险程度。孤岛工作面煤试样冲击倾向性鉴定结果见表2，由表2可看出，93下05孤岛工作面具有强冲击危险性。
表1 煤层顶底板特性
Table 1 Characteristic of roof and floor of coal seam
表2 孤岛工作面煤试样冲击倾向性鉴定结果
Table 2 Evaluation results of impact tendency of coal samples on island mining coal face
整个工作面的冲击地压危险性监测点布置如图2所示。
图2 93下05孤岛工作面冲击危险性监测点布置
Fig.2 Monitoring points layout of impact rick on 93down05 island mining coal face
(1) 钻屑量。钻屑法是通过在煤层中钻直径为42～50 mm的钻孔，根据钻孔排出的钻屑量及其变化规律和有关动力效应鉴别冲击危险的一种方法。相关试验结果表明，钻屑量与煤体应力状态具有定量关系，即在其他条件相同的煤体中，应力状态不同，排出的钻屑量也不同。当单位长度钻孔排出的钻屑量增大或超过临界值时，表示应力集中程度增加和冲击危险性增强。
(2) 微震。93下05孤岛工作面轨道巷、运输巷内各布置1个微震传感器。通过KJ551微震监测系统对开采期间该工作面及周围微震事件进行微震能量计算，分析微震能量与回采工作面动压显现的相关性，预测工作面冲击危险性。
(3) 钻孔应力。钻孔应力通过安装在93下05孤岛工作面轨道巷、运输巷巷帮煤体中的应力传感器获得，应力传感器自工作面前方30 m开始布置，每25 m布置一组(误差范围为-2～2 m)，每组2个，每条巷道10组，共20组，埋设深度分别为8,14 m，每组2个测点间距为1～1.5 m。每条巷道安装2个中继器用于接收信号，中继器距离工作面60 m左右，2个中继器之间的距离为80 m。随着工作面的推进，实时对工作面超前影响区进行冲击地压监测,通过分析监测的应力数据进行冲击地压预警。
3 监测结果及分析
3.1 钻屑量监测结果分析
93下05孤岛工作面的临界钻屑量指标：钻孔深度为0～3 m时，临界钻屑量为2.77 kg/m；钻孔深度为3～6 m时，临界钻屑量为3.02 kg/m；钻孔深度为6～10 m时，临界钻屑量为6.90 kg/m。若钻屑量超过临界钻屑量，或在钻孔过程中出现较多的卡钻、吸钻及声响等动力效应，则判定有冲击危险。
93下05孤岛工作面推进过程中钻屑量的变化曲线如图3所示，由图3可知，在保护区，当钻孔深度为0～3 m、3～6 m时,钻屑量保持基本稳定，为2.0～3.0 kg；当钻孔深度为6～10 m时,钻屑量离散性较大，为3.0～7.0 kg。当工作面推采到联络巷影响区时，各个孔深的钻屑量均降低，此后随着工作面的推进，在进入未保护区时,各孔深的钻屑量值整体较低且离散性较弱。
图3 钻屑量监测结果
Fig.3 Drill cuttings monitoring results
3.2 微震监测结果分析
工作面推进位置的微震监测结果如图4所示。由图4可知，在保护区开采时,工作面煤体受顶板应力较小，此时微震参量(日震动总能量、日震动最大能量)波动较大，日震动最大能量峰值达到强冲临界值。当工作面推进到联络巷影响区时，日震动总能量及日震动最大能量均高值响应，日震动最大能量在40～100 kJ范围内波动。当工作面推进到未保护区时，日震动总量及最大能量较低，根据微震指标，此时冲击危险性较低，属于弱冲击危险性。
(a) 日震动总能量
(b) 日震动最大能量
图4 微震监测结果
Fig.4 Microseismic monitoring results
3.3 钻孔应力监测结果分析
钻孔应力监测结果如图5所示。根据钻孔应力预警值，浅孔应力预警值为11 MPa，在统计7个月的钻孔应力中，浅孔应力均在预警值以下，但是浅孔应力随时间的波动曲线反映出,在5月30日前后,钻孔应力维持稳定且处于相对高值。此后随着时间段变化，浅孔应力值在预警值以下波动较小，与此相比,深孔应力值随着时间的变化波动相对较大。在联络巷附近及未保护区钻孔应力均未达到预警值。
(a) 轨道巷应力峰值
(b) 运输巷应力峰值
图5 钻孔应力监测结果
Fig.5 Borehole stress monitoring results
3.4 基于多参量监测的冲击危险性区域划分
由巷道钻屑量、微震及钻孔应力监测结果可知，在工作面回采过程中，在保护区范围内，当工作面推进到联络巷附近时，由于联络巷的影响，在其附近形成煤柱，在采掘过程中稳定性受采动影响剧烈，容易发生冲击失稳。当工作面推进到未保护区时，由于孤岛工作面受到较大的顶板压力，各项冲击监测指标增幅明显，是容易发生冲击失稳的危险性区域。根据现场钻屑量、微震、钻孔应力监测及危险预警值可知，在工作面推进到联络巷附近及未保护区时，各项监测数据均达到冲击危险性预警级别。故联络巷影响区及未保护区为冲击危险区域。孤岛工作面冲击危险性区域划分剖面图如图6所示。
图6 孤岛工作面冲击危险性区域划分剖面图
Fig.6 Cross-sectional view of classification of impact risk zone of island mining coal face
4 防冲措施及监测结果响应
结合济宁二煤矿93下05孤岛工作面实际情况，在保护区开采时,为降低冲击危险性，采用大直径卸压钻孔(孔径为110 mm，孔距为2.0 m)，联络巷附近及未保护区内冲击地压危险性大的区域可以减小大直径钻孔的间距(孔径为110 mm，孔距为1.0 m)；如果卸压效果不明显，可考虑增大卸压钻孔孔径,减小孔间距和增加孔深(孔径为150 mm，孔距为1.0 m，孔深为20 m)。如果经校检，密集大直径钻孔依然不能消除冲击危险性，需采用煤层深孔爆破卸压来紧急解危，最终消除工作面的冲击地压危险。
在工作面回采之前，首先对93下05孤岛工作面未保护区一侧实体煤帮实施钻孔卸压预处理，随工作面推进,前方及时补打钻孔。当工作面推进至临近联络巷及进入未保护区开采时,采取大直径钻孔卸压，具体施工参数见表3。
表3 大直径钻孔卸压参数
Table 3 Large diameter boreholes pressure relief parameters
对比分析图3—图5可看出，93下05孤岛工作面微震参量和工作面附近的钻屑量、钻孔应力的变化规律与工作面的受力情况及卸压措施的实施情况基本相同。在保护区,采用大直径钻孔卸压时，钻孔应力、钻屑量及微震的变化情况表现为较高值响应；在联络巷影响区及未保护区，通过增大孔径及缩小孔距的卸压措施，微震、钻屑量及钻孔应力值均呈下降趋势。
虽然孤岛工作面在回采期间也出现了巷道变形和底鼓等强矿压显现现象，但由于工作面卸压防冲措施得当，最终确保了工作面安全回采。
5 结论
(1) 具有复杂条件的济宁二号煤矿93下05 孤岛工作面，在开采过程中，由于开采对该工作面及上下运输巷的煤柱应力状态产生了重大影响，极易产生冲击地压。孤岛工作面冲击地压危险性的准确、动态评估及危险性区域划分仅依据单个指标无法实现，必须依靠多个监测指标或多参量监测的综合分析结果。
(2) 对济宁二号煤矿93下05 孤岛工作面回采过程中钻屑量、微震、钻孔应力进行预警分析，得出在孤岛工作面回采过程中，联络巷附近、保护区与未保护区衔接区及未保护区是冲击地压危险性区域，与实际生产过程中矿压显现规律一致，钻屑量、微震和钻孔应力等各项监测指标均表现出了相应的响应规律。
(3) 针对93下05孤岛工作面地质条件和开采条件等多因素的叠加影响，考虑到不同区域(保护区、联络巷影响区及未保护区)应力集中程度的差异性，提出并提前实施了针对性和差异化的大直径钻孔卸压防冲措施，煤体积聚的弹性能得到了有效释放，卸压效果显著，大大降低了工作面冲击危险性。
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