基于钻屑量变化的冲击危险预警方法

曹 蓓，张 毅

（1.内蒙古自治区煤炭工业专业技术服务中心，内蒙古 呼和浩特 010010；2.鄂尔多斯市能源局，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

0 引 言

钻屑法是基于钻屑量与煤体应力之间定量关系的一种常见的预测冲击地压的方法。通过在煤层中钻小直径钻孔（钻屑检测孔），根据排出的煤粉重量及有关动力效应，对冲击危险进行预测。国内外不少学者对此进行了理论研究、室内模拟和实测试验，潘一山、李忠华等考虑煤体损伤特性和瓦斯影响，得出高瓦斯煤层冲击地压危险预测的钻屑量指标确定方法[1]；姜福兴等通过现场实验和数值模拟方法，建立了钻屑量、支承压力以及煤体应力的关系[2]。

通过众多学者的努力，我们可以用钻屑量的变化表征煤体应力的变化。根据打钻过程钻屑量多少、钻屑粒度值大小和响声等动力现象来预测冲击地压危险。其中钻屑量是对冲击地压预测的一个重要指标。

在回采过程中，受到一些因素的限制，钻孔往往不能达到理想的深度。所得的钻屑量未达到预警值，但在钻孔继续深入煤岩体深部则会达到预警值。而且由于钻屑法检测具有时效性，即在钻孔有效深度内，所得每米钻屑量并未达到拟定的预警值，当检测结束检测区域继续受回采影响，应力集中加剧，仍然存在触发预警值的可能性。

为解决上述问题，本文以利民煤矿1303 工作面为背景，提出一种基于钻屑量变化的冲击地压预警方法。

1 利民煤矿工程概况

利民煤矿1303 工作面埋深850 m，工作面走向长度2 120 m，倾向长度230 m。煤层平均厚度3.2 m，普氏系数f=4~6，具有强冲击倾向性。煤层直接顶为细粉砂岩，直接底为砂岩。煤与老顶组合为强冲击倾向性。1303 工作面属于深埋“两硬”（坚硬顶板，坚硬煤层）开采条件，上覆坚硬岩层的断裂极易诱发矿震和冲击地压等动力灾害。

2 受回采影响前后钻屑量对比分析

在1303 工作面运输顺槽开门口未受采动影响段进行正常钻屑量检测。共检测5 个钻孔，每钻深1 m，进行1 次钻屑量统计，平均钻屑量变化曲线如图1 所示。从图中能够看出，钻屑量随钻孔深度的增加大致呈上升趋势。但钻屑量在钻孔深度10 m 处时出现一个波峰，说明此处应力升高，处于应力升高区。对未受回采影响钻屑量和钻孔深度进行函数拟合，表达式为：

式中：y0为未受采动影响区域的钻屑量；x 为钻孔深度。

图1 平均钻屑量及变化趋势

根据钻屑量预警值的定义[3-4]，钻屑量预警值y1可表达为：

式中：y1为钻屑量预警值；x为钻孔深度。

为对比分析工作面回采前后钻屑量，随机选择受工作面回采影响的5 个钻孔的钻屑量，对比曲线如图2 所示。从图中可以看出，受回采影响的钻屑量明显高于正常钻屑量。受工作面回采影响的钻屑量在其钻孔深度范围内并未出现峰值，说明受回采影响，应力峰值向岩体深部迁移，在钻孔深度范围内未检测到应力峰值。

对受回采影响的钻屑量与钻孔深度进行函数拟合，表达式为：

图2 受回采影响前后钻屑量对比

3 钻屑量变化

根据上述分析能够得出：受回采影响，钻孔不能达到理想的深度，所得钻屑量也未达到预警值。但随着钻孔继续深入，钻屑量逐渐增加，达到预警值。所以，仅仅依靠钻屑量预警值来判断冲击危险是不够的，可以通过钻屑量变化对冲击地压危险性进行预测。定义钻屑量变化k为：

式中：y1为钻孔深度；x1为实际钻屑量；y2为钻孔深度；x2为实际钻屑量。

假设钻屑量变化预警值为k1，受采动影响的钻屑量变化为k2，则有：

式中：yx1为钻孔深度；x1为实际钻屑量；yx2为钻孔深度；x2为实际钻屑量。

当受采动影响的钻屑量变化k2大于钻屑量变化预警值k1时，说明此钻孔深度范围内应力增加异常，应力增加速度快；此时需采取措施，降低应力增加速度。

值得注意的是，随着钻孔至煤壁距离的增加，煤体深处形成冲击地压所需能量也加大，相应的钻屑量也增多。既使发生冲击地压，由于距煤壁远，阻力大，也只是深部冲击，其动力效应仅是深部的声响和震动，直接危害是有限的[5-7]。

4 应用效果监测

对1303 工作面回采过程中钻屑量进行统计，结果如图3 所示。从图中可以看出，在工作面回采过程中钻屑量波动较大，尤其是在钻孔深部。其中，工作面推进第 24、53、56、87 d 产生的钻屑量峰值较大，第56、87d 峰值大于钻屑量预警值；工作面推进第8、16、36、47、67、78 和 97 d 出现相对较小的钻屑量峰值。钻屑量较大峰值的间隔时间约为30 d，钻屑量较小峰值的间隔时间约为10 d，两者均具有一定的周期性。

通过对1303 工作面综合调查分析后认为：工作面在推进第24、56、87 d 钻屑量增加的主要原因是工作面见方（工作面推进距离等于工作面长度）引起应力增大。推进第56 d 钻屑量急剧增加主要是由于1303 工作面与相邻工作面间形成更大的工作面见方而引起应力集中。

图3 工作面回采过程钻屑量曲线

图4 为1303 工作面回采过程中钻屑量变化的曲线。从图中能够看出，在开采过程中，钻屑量变化也有峰值。钻屑量变化的峰值主要出现在钻孔深部。其中，钻屑量变化在工作面推进第 24、52、53、56、78、87、97d 超过钻屑量变化预警值。这表明这些地方的应力增长率超过了正常值。其中，工作面在推进第24、56及78d 时产生的钻屑量变化较大，在推进第52、53、87及97 d 时产生的钻屑量变化相对较小。

根据以上分析可知，钻屑量与钻屑量变化之间存在一定的差距。如推进至第53 d 时，钻屑量变化未超过预警值，但钻屑量超过预警值；如工作面推进至第24、56、78、87、97 d 时，钻屑量未超过预警值，但钻屑量变化超过预警值。但工作面推进至第56 d 和87 d时，钻屑量和钻屑变化均超过预警值。根据改进的钻屑法得出：工作面在推进第56 d 和87 d 可能发生冲击地压，即工作面见方时易发生冲击地压。

5 结 论

1）未受采动影响的钻屑量随钻孔深度的增加大致呈上升趋势，但钻屑量在钻孔深度10 m 处出现一个波峰，说明此处为应力升高区。

2）对比分析受回采影响前后钻屑量的变化，受回采影响钻屑量明显高于未受回采影响钻屑量。但受工作面回采影响的钻屑量在其钻孔深度范围内并未出现峰值，说明受回采影响，应力峰值向岩体深部迁移。

3）根据1303 工作面回采过程中钻屑量及钻屑量变化，钻屑量及钻屑量变化的峰值间距能够有效反应工作回采过程中的应力及应力变化，工作面见方时易发生冲击地压。