微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)塔山煤礦圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究

周霖

（大同煤礦集團(tuán)技術(shù)中心，山西大同 037003）

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)塔山煤礦圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究

周霖

（大同煤礦集團(tuán)技術(shù)中心，山西大同 037003）

本文探討了采用高精度微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)大同塔山煤礦特厚煤層綜放工作面開采過程中的圍巖活動(dòng)規(guī)律、煤巖層破裂和相關(guān)的應(yīng)力場(chǎng)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，對(duì)回采過程中超前支承壓力分布變化規(guī)律進(jìn)行研究，并為推進(jìn)特厚煤層放頂煤開采理論及技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù).

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù) 特厚煤層 放頂煤開采 圍巖活動(dòng)

大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司開采的塔山煤礦石炭系主采煤層厚度為11.1～31.7m(平均19.4m),變化幅度較大;煤層中含有6～11層夾矸,其最大厚度達(dá)0.6m;煤層與頂板間多有火成巖侵入破壞,開采難度極大.本項(xiàng)目以微破裂演化規(guī)律理論分析為基礎(chǔ),采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù),探索覆巖三維破裂的內(nèi)在動(dòng)因和前兆規(guī)律；以工作面上覆巖層破裂動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為目標(biāo),建立基于微震監(jiān)測(cè)、高性能計(jì)算和分析的采場(chǎng)覆巖破裂預(yù)測(cè)模型,進(jìn)而對(duì)圍巖的運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行監(jiān)控研究.

1 微震檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用擁有北京科技大學(xué)提供的煤礦井下微震監(jiān)測(cè)儀和相關(guān)軟件,系統(tǒng)標(biāo)定采用的是放標(biāo)定炮,在塔山煤礦,高位巖層破裂產(chǎn)生的微地震波在煤巖層中以煤巖分裂的模式傳播,震源定位采用課題組研制的“四-四”定位法,計(jì)算原理采用非線性最小二乘法.通過分析計(jì)算,得到了塔山煤礦底板巖層微地震波的傳播速度為4.24 m/ms、頂板傳播速度為3.99 m/ms,平均傳播速度為4.12 m/ ms.系統(tǒng)定位精度平均誤差低于3m,達(dá)到了高精度要求.

2 現(xiàn)場(chǎng)微地震監(jiān)測(cè)

為了能夠精確監(jiān)測(cè)破裂位置,同時(shí)考慮到可靠性,在距離開切眼230 m處設(shè)第一個(gè)鉆孔,每隔30～ 50m左右布置一個(gè)鉆孔,其中2/3的鉆孔的鉆進(jìn)方向垂直煤柱走向,向上傾斜60o角鉆進(jìn)煤層頂板,深度60m;間隔布置1/3的鉆孔,向煤層底板下傾45o角鉆進(jìn),深度15 m.共打20個(gè)鉆孔,布置20個(gè)三分量檢波器,監(jiān)測(cè)控制的距離達(dá)到500m.由于微地震監(jiān)測(cè)信號(hào)的有效區(qū)域一般在200～300m,堅(jiān)硬巖層斷裂的監(jiān)測(cè)距離可以達(dá)到1 000m以上.經(jīng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明,該區(qū)可以覆蓋走向800 m、順槽兩側(cè)各300m的區(qū)域.鉆孔布置如圖1所示.

圖1 鉆孔布置圖

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)共記錄事件5 085次,有效事件830次.微震事件顯現(xiàn)規(guī)律再現(xiàn)了巖層運(yùn)動(dòng)破裂的整個(gè)過程,揭示了巖層運(yùn)動(dòng)的范圍和圍巖應(yīng)力分布規(guī)律.監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,該技術(shù)完全能夠?qū)μ睾衩簩泳C放工作面的圍巖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并了解圍巖破裂情況,結(jié)合礦壓理論將對(duì)工作面地質(zhì)構(gòu)造異常帶、圍巖的運(yùn)動(dòng)及應(yīng)力進(jìn)行科學(xué)可靠的指導(dǎo).該監(jiān)測(cè)技術(shù)作為煤礦較常規(guī)的監(jiān)測(cè)手段具有明顯的優(yōu)勢(shì).

研究認(rèn)為,兩邊為實(shí)體煤的近水平煤層工作面兩條順槽附近的圍巖破裂范圍和礦山壓力分布規(guī)律近似相同.因此,以工作面中線（見圖2）為對(duì)稱軸,將平面微震事件對(duì)稱映射后即可得到工作面巖層運(yùn)動(dòng)的三維破裂規(guī)律.

圖2 固定工作面巖層運(yùn)動(dòng)平面投影圖

微震監(jiān)測(cè)揭示的上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律為:在投影圖上,沿傾向方向高位巖層(煤層頂面向上75～150m高度的頂板巖層)運(yùn)動(dòng)影響范圍為距離巷道下幫煤壁100 m左右;而微震事件密集的破裂區(qū)位置在低位巖層(煤層頂面向上0～75m高度頂板巖層),距離巷道煤壁35 m左右.沿走向在工作面后方影響區(qū)為160m,在工作面前方為100m,其中工作面前方75m范圍為應(yīng)力高峰區(qū);在高度方向上,低位巖層破裂顯著,是微震事件密集顯現(xiàn)區(qū).而高位巖層中微震事件周期性發(fā)生.

表1 直接頂、老頂?shù)暮穸燃斑\(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)比

直接頂、老頂厚度及運(yùn)動(dòng)情況對(duì)比如表1所示.直接頂“巖--矸”結(jié)構(gòu)隨頂煤放出的動(dòng)態(tài)演化過程如圖3所示.

圖3 直接頂“巖--矸”結(jié)構(gòu)隨頂煤放出的動(dòng)態(tài)演化過程

圖4 特厚煤層綜放工作面沿走向覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)圖

通過與鉆孔柱狀圖和現(xiàn)場(chǎng)其它觀測(cè)分析研究,工作面下位老頂厚度為25 m左右 (由多個(gè)巖層組成),周期斷裂步距15～25 m;上位老頂周期性斷裂步距為30±10 m,厚度為75 m左右 (由多個(gè)巖層組成),如圖4所示.下位老頂?shù)膩韷翰骄嗍苌衔焕享斨芷谶\(yùn)動(dòng)的影響,1個(gè)上位老頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)周期之內(nèi)包含2～3個(gè)下位老頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)周期.上位老頂來壓后,下位老頂來壓一般持續(xù)1～2 d.下位老頂?shù)闹芷趤韷翰骄嗖幻黠@,主要是因?yàn)槭苌衔焕享斨芷谶\(yùn)動(dòng)影響較大;若無上位老頂周期運(yùn)動(dòng)影響,一般下位老頂周期來壓步距為15～25m,步距大小受到推進(jìn)步距、巖層特性變化等因素影響.

4 生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)果

根據(jù)項(xiàng)目分析研究結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,塔山煤礦采納了課題組提出的頂板控制建議,通過采取提高初撐力、適當(dāng)加快推進(jìn)速度(每天不低于3.5 m)等措施后,對(duì)工作面生產(chǎn)影響較大的劇烈礦山壓力顯現(xiàn)明顯減少,2008年6月份綜放工作面產(chǎn)量?jī)H為647 323.4 t,而按課題組的建議采取措施后,在生產(chǎn)技術(shù)條件基本相似的情況下7，8，9三個(gè)月綜采產(chǎn)量逐月提高,分別達(dá)到了825 363 t，983 964.3 t和1 020 582.5 t,經(jīng)濟(jì)效益明顯提高.

基于微地震技術(shù)對(duì)塔山煤礦火成巖侵入復(fù)雜地質(zhì)條件下特厚煤層綜放工作面圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究,攻克了火成巖侵入復(fù)雜地質(zhì)條件下特厚煤層綜放開采的技術(shù)難題,有效的控制了頂板及頂煤,使煤炭資源得到了安全合理的開采,提升了企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平,取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益.

[1]宋振騏.實(shí)用礦山壓力[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1988.

[2]錢鳴高,劉聽成.礦山壓力及其控制[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1983.

[3]姜福興.礦山壓力與巖層控制[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004.

[4]陳軼平.綜采工作面超前支護(hù)支承壓力觀察與分析[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2009,25(3):63-65.

A Study of the Law of Surrounding Rock Activity of Tashan Colliery w ith M icro Earthquake M onitoring Techniques

ZHOU Lin
（Technical Center，Datong CoalMines Group，Datong Shanxi，037003）

The author，by applying high－precision micro earthquake monitoring techniques，monitors and analyzes the law of surrounding rock activity，coal seam rupture，and stress field changes in mining ultra－thick seams in Tashan Colliery，and studies the stress distribution of the pilot support in mining，thus provides scientific basis for the development of cavingmining theories and technology.

micro earthquakemonitoring technique；ultra－thick coal seams；cavingmining；surrounding－rock activity

O213

A

〔編輯石白云〕

1674-0874（2010）01-0072-03

2009-12-01

山西省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目[2007031121-02]

周霖(1973-),男,山西大同市人,工程師,研究方向:礦井建設(shè)與安全技術(shù).