基于震源CT的区段煤柱宽度影响下的冲击风险特征研究_冯海军.pdf

2023 年 2 月Feb.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.01.034基于震源 CT的区段煤柱宽度影响下的冲击风险特征研究冯海军1，罗江昊2，王振宇2（1.山西华宁焦煤有限责任公司，山西 临汾 042102；2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083）摘要 为了研究不同区段煤柱宽度影响下的冲击风险特征，以亭南煤矿 307 工作面的冲击风险评价为例，通过震源 CT 探测以及巷道应力探测相结合的方法，探究区段煤柱宽度影响下的冲击风险的应力特征，用震波反演出云图的形式来进行冲击风险区划分。结果表明：小煤柱区域危险区基本集中在上下巷道附近，运输巷道大部分处于无冲击危险的状态；小煤柱-集中巷区域中冲击危险区的范围和数量明显较高，整体上处于中度危险或以下，危险区基本上分布于整个小煤柱-集中巷区域；大煤柱区域冲击危险的区域较多，且基本处于中度及以上，但运输巷道和整个大煤柱区域的工作面基本上处于无冲击危险的状态下。基于此，采取分区分级解危措施，以提高冲击地压防治效率。关键词 综采工作面；区段煤柱；震源 CT；风险评估；冲击地压中图分类号TD324文献标识码B文章编号1672-9943（2023）01-0109-040引言经过多年发展，地震波走时 CT技术已经较为成熟。由于震波 CT探测技术的便捷性，能快速适应井下突发的动力显现现象，在矿井的冲击危险评价中受到广泛应用。利用震波 CT技术，可以对工作面巷道的冲击危险等级进行确定和划分危险区域，进而实现煤矿冲击地压的动态预警，对于防治冲击地压具有重要意义。工程实践表明，基于震波 CT技术建立的反演模型和风险判别标准，很好地契合矿井工作面的实际情况，为冲击地压防治提供了相对准确的依据，应用效果良好1-5。本文以亭南煤矿 307 回采工作面的冲击风险评价为例，通过震源 CT探测以及巷道应力探测相结合，弥补了单一 CT探测手段的局限性，利用具体的监测数据将各区域巷道的冲击风险进行判识，对不同区段煤柱宽度影响下的冲击风险特征进行量化评价。1工作面概况亭南煤矿 307 工作面位于三盘区西翼，工作面标高+408+451 m，主采 4#煤层。煤层厚度 7.212.1 m，平均厚度 9.4 m，埋藏深度为 432640 m，平均埋藏深度 536 m。煤层倾角 08，平均 4。煤层结构简单，可采系数 100%。307 工作面回风顺槽以北为 305 采空区，南侧和西侧为实体煤。工作面切眼至 317 m 范围面长为 222 m，其余面长为 200 m。工作面回采长度为 1 228 m，回采面积为 252 574 m2。307 工作面煤体为强冲击倾向性，顶板和底板岩层为弱冲击倾向性。工作面布置如图 1 所示。图 1307 工作面平面布置307 运输顺槽307 回风顺槽307 工作面305 运输顺槽305 工作面305 回风顺槽切眼切眼能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.11092023 年 2 月Feb.,20232震源 CT 探测冲击危险性评价及布置方式震源 CT探测技术以地质体本身作为主要研究对象，通过地震波穿越地质体时的走时或能量变化，获得地质体内部的地震波速或地震波衰减系数分布图像。其根据获得的图像信息与地质体应力及结构特征的对应关系，识别探测区域内相关特性的分布规律6。采用震源 CT探测技术，对亭南煤矿307 工作面开展冲击危险源探测。C 值与冲击危险等级对应标准如表 1 所示。其中 C 值为冲击地压危险性指数，由震源 CT探测设备实测得到。C 值最大为 1，最小值则取决于实测数据。若 C 为负值，表明该区域处于卸压状态，且 C 值越小，卸压程度越大。表 1 煤岩层冲击危险等级分类根据亭南煤矿 307 工作面实际地质工程条件以及震源 CT设备探测能力，并结合该工作面动力显现区域分布情况及周围开采环境，对该工作面未开采区域进行探测。图 2 为小煤柱区域、小煤柱-集中巷区域和大煤柱区域探测的相对位置。其中，小煤柱阶段和大煤柱阶段的放炮端布置在回风顺槽区域，接收端布置在运输顺槽；小煤柱-集中巷阶段放炮端布置在运输顺槽区域，接收端布置在回风顺槽。每次区域探测放炮按图中炮孔编号从小到大依次进行，每次探测时区域长度大约为 400 m。冯海军，等基于震源 CT的区段煤柱宽度影响下的冲击风险特征研究类别冲击危险等级C 值表征图例无0.25无弱0.25C0.5中0.5C0.75强0.75C1图 2 307 工作面探测区域布置3震源 CT 探测结果3.1小煤柱区域震源 CT 探测结果由于震源 CT探测为超前探测，除开切眼附近外，其余区域基本不受其他条件的干扰，因此该区域的影响因素主要为小煤柱。小煤柱区域工作面及巷道冲击危险区分布云图如图 3 所示。由图 3 可以看出，除受到采动影响的开切眼前 40 m 左右的范围内，整个工作面基本处于中度冲击危险或强冲击危险状态；小煤柱区域剩下待开采的范围基本处于无冲击危险的状态。分开对比回风和运输巷道可以看出，运输巷道部分：冲击危险区较少，排除开切眼的影响只有 2 个弱危险区，大部分处于无冲击危险的状态。回风巷道部分：距离开切眼 098 m的范围内处于重度危险区，距离开切眼 98192 m 的范围处于中度危险区，处于冲击危险区的回风巷道段占整个探测区域近一半的范围，且冲击危险区具有连续性。小煤柱区域小煤柱-集中巷区域大煤柱区域305 进风巷305 临时水仓307 回风顺槽307 切眼12345678910307 运输顺槽1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#13#14#15#16#17#18#19#20#21#22#23#24#25#26#27#1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 2122 23 24 25 26 27 281102023 年 2 月Feb.,20233.2小煤柱-集中巷区域震源 CT 探测结果由于震源 CT探测为超前探测，因此探测结果基本不受到其他因素影响，主要受到小煤柱-集中巷的影响。小煤柱-集中巷区域工作面及巷道冲击危险区分布云图如图 4 所示。从图 4 中可以看到，在距离回风顺槽下方 5 m左右的范围内，危险区间断式均匀分布。整个小煤柱-集中巷区域按照冲击危险程度划分共有 5 个中度危险区、1 个重度危险区。其中，靠近回风侧（也就是靠近集中巷道群侧）有 3 个中度危险区，分布在整个集中巷道阶段。对比小煤柱区域，小煤柱-集中巷区域中冲击危险区的范围和数量明显较高，工作面整体上冲击危险性处于中度危险或以下，但危险区不再集中在上下巷道附近，而是基本上分布于整个小煤柱-集中巷区域。图 4小煤柱-集中巷区域工作面及巷道危险区分布3.3大煤柱区域震源 CT 探测结果受到大煤柱影响下的工作面冲击危险区分布情况如图 5 所示，整体来看冲击危险区主要分布在回风巷。从图 5 中可以看出，回风顺槽受到大煤柱影响而产生冲击危险的区域较多，且冲击风险等级基本处于中度及以上。其中距离开切眼 816851 m图 3小煤柱区域工作面及巷道危险区分布临时避难硐室305 进风巷高抽巷施工道高抽巷施工道307 切眼305 临时水仓能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.11112023 年 2 月Feb.,20234结论通过震源 CT 探测以及巷道应力探测相结合，探究区段煤柱宽度影响下的冲击风险的应力特征，利用具体的监测数据将各区域巷道的冲击风险进行判识，对于区段煤柱宽度变化条件下巷道应力变化特征有了定量化的分析，得到各区域在未受回采工作影响下巷道以及工作面发生冲击危险可能性的强弱，通过震波反演出云图的形式来进行冲击风险区划分：小煤柱区域工作面除受到采动影响的开切眼前 40 m左右的范围外，基本处于无冲击危险的状态。运输巷道部分冲击危险区较少，只有 2个弱危险区，大部分处于无冲击危险的状态。回风巷道部分处于冲击危险区的回风巷道段占整个探测区域近一半的范围，且冲击危险区具有连续性。小煤柱-集中巷区域中冲击危险区的范围和数量明显较高，整体上冲击危险性处于中度危险或以下，但危险区不再集中在上下巷道附近，而是基本上分布于整个小煤柱-集中巷区域。大煤柱区域回风顺槽受到大煤柱影响而产生冲击危险的区域较多，且冲击风险等级基本处于中度及以上。运输巷道和整个大煤柱区域的工作面，基本上处于无冲击危险的状态下，弱冲击危险区零星分布且无明显影响。在此基础上，有针对性地对 307 工作面冲击危险区域进行冲击地压综合防治，采取分区分级解危措施，从而提高冲击地压防治效率，为煤层安全开采奠定基础。参考文献1夏双，汤中于，张晓春，等.基于微震 CT反演的冲击危险综合评价指标研究 J.煤炭工程，2018，50（11）：79-82.2 刘少虹，潘俊锋，王洪涛，等.基于地震波和电磁波 CT联合探测的采掘巷道冲击危险性评价方法 J.煤炭学报，2018，43（11）：2980-2991.3 姜福兴，舒凑先，王存文.基于应力叠加回采工作面冲击危险性评价 J.岩石力学与工程学报，2015，34（12）：2428-2435.4 巩思园，田鑫元，郑有雷，等.弹性波 CT反演识别煤岩体空区实验研究 J.采矿与安全工程学报，2020，37（4）：759-766.5 曹安业，王常彬，窦林名，等.临近断层孤岛面开采动力显现机理与震动波 CT动态预警 J.采矿与安全工程学报，2017，34（3）：411-417.6 王书文，徐圣集，蓝航，等.地震 CT技术在采煤工作面的应用研究 J.煤炭科学技术，2012，40（7）：24-27.作者简介冯海军（1986-），男，工程师，毕业于太原理工大学，长期从事地测防治水方面的工作。收稿日期：2022-09-19和距离开切眼 1 1161 156 m这 2 段范围内处于重度危险区；距离开切眼 851897 m 和距离开切眼9861 008 m这 2 段范围内处于中度危险区；距离开切眼 1 0821 099 m 的范围内处于轻度危险区。对比运输巷道和整个大煤柱区域的工作面，基本上处于无冲击危险的状态下，弱冲击危险区零星分布无明显影响。图 5大煤柱区域工作面及巷道危险区分布307 运输顺槽307 回风顺槽307 高位巷307 高位巷能 源 技 术 与 管 理EnergyTechnologyand Management2023 年第 48 卷第 1 期Vol.48 No.1112