深井多煤層聯(lián)合開采微震類型分析

寇建新 呂有廠 李宏杰

（1.河南理工大學安全學院，河南省焦作市，454000；2.中國平煤神馬集團研究院，河南省平頂山市，467000；3.平頂山天安煤業(yè)股份責任公司，河南省平頂山市，467000）

深井多煤層聯(lián)合開采微震類型分析

寇建新1，2呂有廠2李宏杰3

（1.河南理工大學安全學院，河南省焦作市，454000；2.中國平煤神馬集團研究院，河南省平頂山市，467000；3.平頂山天安煤業(yè)股份責任公司，河南省平頂山市，467000）

針對平煤股份十一礦在進入深部開采期間多次發(fā)生強礦震的問題，根據(jù)SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，應用地球物理學、地震學和巖石力學的理論與技術，研究微震事件震源物理、波動物理場、時空序列規(guī)律和時間域與空間域分布特征及其與采礦活動的關系，總結了十一礦微震活動規(guī)律，確定了4種礦震類型和原因，為防治沖擊地壓危險明確了方向。

頂板運移 誘發(fā)型礦震 壓縮型沖擊 斷層活化 運動型礦震

隨著開采深度的增加，圍巖應力增高，沖擊礦壓問題已在平煤股份十一礦逐漸顯現(xiàn)出來。于2002年6月16日在己16－17－22120回風巷掘進期間首次發(fā)生動力現(xiàn)象，2005年元月3日在己16－17－22120回風巷（埋深810m）發(fā)生首例沖擊地壓（或強礦震，ML2.8）。截至目前已發(fā)生強度不等的強礦震和沖擊地壓顯現(xiàn)12次，造成一定的人員受傷和礦井破壞。隨著礦井全面進入深部煤層開采，礦震對安全生產(chǎn)將構成重大安全隱患和威脅。

針對這一問題，2009年6月，十一礦安裝了SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)，在2年多監(jiān)測的基礎上，對這種深井多煤層聯(lián)合開采的沖擊危險原因進行了分析。

1 十一礦采掘布置概況

十一礦主采煤層為二水平－593m己16－17、丁5－6和戊9－10煤層。3層煤均為向北傾斜。二水平采用上下山開采，上山為－450～－593m區(qū)段，己組已回采完畢，丁、戊組聯(lián)合布置為丁戊六采區(qū)，丁組煤基本回采完畢，戊組還有2個采面；下山為－593～－1000m區(qū)段，丁六采區(qū)、己二采區(qū)下山垂直重疊布置，保護煤柱上小下大。丁六采區(qū)首采面在2011年5月開始回采，戊組還沒有布置采區(qū)。

己16－17煤層平均厚度6.4m，屬于厚煤層，結構較簡單，為穩(wěn)定－較穩(wěn)定煤層。戊9－10煤層平均厚度2.3m，屬于中厚煤層，結構較簡單，為較穩(wěn)定煤層。丁5－6煤層平均厚度2.76m，屬中厚及薄煤層，結構較復雜，為較穩(wěn)定煤層。

2 煤巖沖擊傾向性因素

經(jīng)試驗測定，十一礦主采煤的丁組（丁5－6）、戊組（戊9－10）和己組（己16－17）煤層均為2類弱沖擊傾向性。主采的3組煤層頂板巖石沖擊傾向性試驗結果見表1。

表1 平煤十一礦主采煤層頂板沖擊傾向測試表

綜合分析認為，己組煤層和老頂為弱沖擊傾向性，戊組和丁組煤層為弱沖擊傾向性，頂板無沖擊傾向性。煤巖沖擊傾向程度，丁、戊、己組由弱變強，己組相對偏強，發(fā)生沖擊地壓的危險性相對較高。

3 開采深度因素

對于有沖擊傾向性的煤巖層，通常開采深度大于500m后沖擊危險性顯著增強。微震觀測系統(tǒng)運行以來，戊、己組有開采活動的工作面，開采深度為660～965m，已超過沖擊危險性顯著增強的一般開采深度，具備發(fā)生沖擊地壓的初始能量條件。

4 開采技術條件因素

4.1 頂板復合沉降拖曳和周期破斷

在工作面開采推進到距工業(yè)廣場煤柱西緣及其附近上下山保護煤柱一定距離時，由于采空區(qū)頂板的沉降，拖曳煤柱區(qū)頂板產(chǎn)生拉張作用。

丁煤組開采時，由于埋藏深度小、單煤組沉降量小、煤柱區(qū)頂板比較完整，對煤柱區(qū)頂板的拖曳拉張作用較弱，不易產(chǎn)生高能量的巖體破裂。

戊煤組開采時，采深增大，兩個煤層組的復合沉降變大，對煤柱區(qū)頂板的拖曳拉張作用，導致丁二上山巷道頂板受拉、底板受壓破裂。特別是己組采空區(qū)和己二下山巷道形成后，戊煤組開采逼近工業(yè)廣場煤柱西緣及其附近的上下山保護煤柱時，對此部位的拖曳作用將會增強，可能產(chǎn)生較高能量的巖體破裂。

己煤組開采時，采深增大，3個煤層組的復合沉降量更大，開采逼近工業(yè)廣場煤柱西緣后，對煤柱區(qū)頂板的拖曳拉張作用顯著增強，丁二上山巷道頂板受拉，己二下山巷道頂板受拉、底板受壓，微震震源的分布印證了這一推斷，見圖1。

圖1 頂板復合沉降拖曳和周期破斷導致礦震力學機制示意圖

頂板復合沉降拖曳和周期破斷，導致己二采區(qū)五區(qū)段以上的進、回風巷區(qū)段周圍及其上部車場大巷附近多次發(fā)生強礦震，是十一礦防治沖擊地壓的重點區(qū)域。

4.1.1 戊組煤采動引發(fā)礦震分析

戊組工作面的開采活動，距己組工業(yè)廣場保護煤柱西緣小于300m后，可誘發(fā)工業(yè)廣場和上下山煤柱區(qū)產(chǎn)生大量微震活動，并可能在附近巷道中顯現(xiàn)。

2009年11月～2010年8月，礦井存在3個礦震集中區(qū)域，曾引發(fā)的最強礦震為ML1.7級（1.2×106J）。礦震集中區(qū)域由北向南依次為己二軌下六至八區(qū)段水倉施工區(qū)、戊－16140工作面回采與過斷層破巖爆破區(qū)和工業(yè)廣場煤柱與己二下山煤柱一至五區(qū)段（無采掘活動區(qū)）。

前兩個區(qū)域的礦震活動有確切的施工原因，而工業(yè)廣場煤柱和己二下山煤柱一至五區(qū)段無任何采掘活動。此期間，己16－17－22122工作面于2010年5月份剛開始回采，距工業(yè)廣場煤柱邊界尚遠，因此可能的影響只有戊－16140工作面回采和己二軌下六至八區(qū)段水倉施工區(qū)。

通過3個區(qū)域同期發(fā)生礦震的頻次指標，對3個區(qū)域的相關性進行了分析，查找無采掘活動區(qū)發(fā)生大量礦震的原因。

3個區(qū)域的5日頻次見圖2，可以看出，戊－16140工作面與工業(yè)廣場煤柱與己二下山煤柱一至五區(qū)段的頻次具有幾乎相同的周期率，進一步說明，工業(yè)廣場煤柱與己二下山煤柱一至五區(qū)段的微震活動主要受戊－16140工作面開采活動的影響。

圖2 3個區(qū)域5日頻次圖

2009年10月前，因存在己16－17－22062工作面采動的復合影響而難以辨識。從2009年11月以后的數(shù)據(jù)判斷，可清晰辨識出戊－16140工作面與工業(yè)廣場和上下山煤柱區(qū)的微震活動密切相關，此時戊－16140工作面采至距工業(yè)廣場煤柱區(qū)西緣約260m?？紤]到10月份數(shù)據(jù)的可比性不強，實際影響距離可能達到300m左右。

工業(yè)廣場保護煤柱和上下山煤柱區(qū)的微震震源深度，存在兩個顯著的震源中心，分別為以－508m和－650m為中軸線上下擺動。尤其戊－16140工作面開采臨近工業(yè)廣場保護煤柱邊緣后更加顯著（見圖3），表明在戊－16140工作面的采動影響下，使該區(qū)域戊底板一定范圍（波及到己二下山）和頂板廣大范圍（波及到丁二上山）產(chǎn)生了破裂。

圖3 工業(yè)廣場和上下山煤柱區(qū)的微震震源深度分布圖

4.1.2 己組煤采動引發(fā)礦震分析

己16－17－22062工作面開采距己組工業(yè)廣場煤柱西緣約350m時，可對工業(yè)廣場煤柱和己二下山煤柱一至五區(qū)段產(chǎn)生影響；相距約300m時，可產(chǎn)生顯著影響，引發(fā)強度較高的礦震活動，并可在上下山巷道有巖爆和沖擊顯現(xiàn)。曾引發(fā)的最強礦震為ML2.1級（5.5×106J）。其對工業(yè)廣場和上下山保護煤柱區(qū)的影響作用顯著大于戊－16140工作面的采動影響。

2009年8月－2009年11月，工業(yè)廣場煤柱和己二下山煤柱一至五區(qū)段發(fā)生了19次ML≥1.0級較強礦震。此期間，戊－16140工作面回采距己組工業(yè)廣場煤柱西緣480～380m，對工業(yè)廣場煤柱區(qū)域未見顯著影響；己16－17－22062工作面距己組工業(yè)廣場煤柱西緣300m，2009年11月，己16－17－22062工作面停采后，工業(yè)廣場和上下山煤柱的微震頻次和能量顯著降低，由此推斷，該區(qū)域此期間主要受己16－17－22062工作面回采的影響。據(jù)此判斷，2009年7月份因存在己16－17－22141工作面的采動影響而難以分辨，推測己16－17－22062工作面開采距己組工業(yè)廣場煤柱西緣約350m時，應可對工業(yè)廣場煤柱和上下山保護煤柱區(qū)域產(chǎn)生影響，而相距約300m時，則可顯見產(chǎn)生顯著影響。引發(fā)的較強礦震活動，并可在己二下山煤柱一至五區(qū)段和丁二上山相對應區(qū)段巷道有沖擊或巖爆顯現(xiàn)，其影響作用顯著大于戊－16140工作面的采掘擾動。

4.2 孤島工作面

由于戊－16120孤島工作面的存在，造成局部應力增強。己16－17－22122工作面掘進和相鄰戊－16140、己16－17－22141和己16－17－22062工作面回采期間，較強礦震沿己16－17－22122工作面走向在工作面中部呈條帶狀分布，極可能是頂部存在的戊－16120孤島工作面所致。

強礦震震源大多發(fā)生在己16－17－22122頂板和底板。在己16－17－22122工作面回采過程，可能帶來一定的礦壓問題。

4.3 下分層工作面切眼外錯

2009年12月27日至2010年2月19日，施工的己16－17－22122切眼連續(xù)3次沖擊地壓顯現(xiàn)，此位置切眼外錯首分層己16－17－22121切眼25～37m，且上部存在戊－16120孤島工作面，是應力疊加造成的局部應力增強，見圖4。

圖4 己16－17－22122切眼沖擊地壓顯現(xiàn)位置圖

4.4 上分層工作面遺留煤柱

2008年4月23日，己16－17－22062回風巷900m處發(fā)生沖擊地壓。該位置上部首分層己16－17－22061工作面里段炮采停采線至外段綜采開采切眼之間遺留的煤柱，是造成應力集中的最可能因素，見圖5。

圖5 己16－17－22062風巷900m處沖擊地壓顯現(xiàn)位置圖

5 采礦地質條件因素

5.1 丁組煤層臨近斷層開采動力響應

二水平丁組煤層開采，推進到較大型斷層300m以內范圍，可引發(fā)ML1.5級以下（5×105J）的礦震，引發(fā)的最高礦震強度為ML1.4（3.2×105J）。

丁5－6－22121工作面開采推進1000m以內過程中微震活動很少。2010年2月初在相距斷層580m左右時，微震頻次開始增多，但無高能量釋放，能量級別均在3.3×103J以下（0.2級）。3月下旬接近斷層270m左右時，發(fā)生兩次ML1.2和ML1.4級的較高能量微震，5月份微震活動開始顯著降低，5月底終采后，微震活動逐漸衰減殆盡。

5.2 戊、己組煤層臨近斷層開采動力響應

5.2.1 沿上下山煤柱西側己組切眼內側的己組小斷層

沿己組切眼內側的己組小斷層帶延伸方向，存在一個北東向較強礦震集中分布條帶，震源平面向西南傾斜，特別是在己16－17－22161工作面內密集發(fā)生強礦震。

據(jù)此推測，在斷裂帶兩側，地質弱面仍有延伸，今后在此帶附近采掘，可引發(fā)該條帶內反復發(fā)生多次高能量微震。目前引發(fā)的最高礦震強度為ML1.4（3.2×105J）。

5.2.2 沿上下山煤柱西側己組工作面中部的戊組小斷層帶

沿己組工作面中部的戊組小斷層帶，存在一個北東向較強礦震集中分布條帶，在2009年7月己16－17－22062工作面回采期間，曾引發(fā)斷層帶內發(fā)生7次強礦震。曾引發(fā)的最高礦震強度為ML1.9（3.7×106J）。據(jù)此推測，今后戊16120和己16－17－22122工作面在此帶附近采掘，可引發(fā)該條帶內發(fā)生較強礦震。

5.2.3 沿己二下山煤柱附近西側的隱伏斷裂帶

沿己二下山煤柱附近西側，存在一個近東西向強礦震分布條帶，推測為一條隱伏斷裂帶。隱伏斷裂帶西緣距己16－17－22161工作面進風巷300m、回風巷620m。在己16－17－22141和戊16140回采到該帶附近，引發(fā)該帶內12次強礦震，最高強度ML1.9（3.7×106J）。

6 結論

根據(jù)十一礦發(fā)生的沖擊震動災害成因，目前階段認識到4種基本類型。

（1）頂板運移誘發(fā)型礦震、巖爆和沖擊地壓。戊組和己組采掘活動鄰近己組工業(yè)廣場煤柱西緣350～300m，其基本頂彎曲下沉拖曳和周期破斷，可對一至五區(qū)段產(chǎn)生顯著作用，導致該區(qū)域發(fā)生礦震、巖爆和沖擊地壓。

（2）局部應力疊加煤體壓縮型沖擊地壓。己組下分層切眼或停采線外錯、上分層工作面遺留煤柱和上個煤層組（戊組）遺留的孤島工作面，造成己組局部應力集中，采掘到此部位附近，可發(fā)生煤體壓縮型沖擊地壓。

（3）斷層活化運動型礦震和沖擊地壓。采掘活動鄰近已探明的斷層時，可誘發(fā)已有斷層活化運動，發(fā)生礦震。距較大型斷層300m內誘發(fā)的危險性增高，距小型斷層100m內誘發(fā)的危險性增高。當采掘活動產(chǎn)生的微震特別是高強度礦震呈條帶分布現(xiàn)象，可判定存在隱伏斷裂或地質弱面，距此條帶100m后誘發(fā)沖擊地壓和礦震的危險性顯著增高。

（4）深部爆破施工誘發(fā)型巖爆。己二－880m水平巖巷爆破施工過程中，記錄到微震次數(shù)較多，目前分辨不出是否為爆破或微震，現(xiàn)場沒有沖擊、礦震特征顯現(xiàn)，暫不能定量分析影響程度。

［1］ 竇林名，何學秋.沖擊礦壓防治理論與技術［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2001

［2］ 齊慶新，竇林名.沖擊地壓理論與技術［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2008

［3］ 李鐵，蔡美峰，王金安等.深部開采沖擊地壓與瓦斯相關性的探討［J］.煤炭學報，2005（5）

［4］ 黃慶國，高潤平.特厚煤層綜放面高精度微震監(jiān)測技術的應用［J］.中國煤炭，2010（11）

［5］ 李鐵，蔡美峰，蔡明.采礦誘發(fā)地震分類的探討［J］.巖石力學與工程學報，2006（增2）

［6］ 李鐵，蔡美峰，蔡明.采礦誘發(fā)地震三個特征震源深度的探討［J］.巖石力學與工程學報，2007（8）

［7］ 李鐵，蔡美峰，蔡明.分層開采煤礦的礦震能量釋放模型與能量釋放譜［J］.煤炭學報，2007（12）

［8］ 寇建新，楊占標，鞏思園，SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)在十一礦沖擊危險監(jiān)測中的應用［J］.能源技術與管理，2010（6）

Analysis of microseism types during multi－seam mining in deep mine

Kou Jianxin1，2，Lv Youchang2，Li Hongjie3
（1.School of Safety Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454000，China；2.Institute of China Pingmei Shenma Group，Pingdingshan，Henan 467000，China；3.Pingdingshan Tianan Mining Co.，Ltd.，Pingdingshan，Henan 467000，China）

Strong tremors happened several times during deep mining in No.11coal mine of Pingdingshan Tianan Mining Co.，Ltd.，causing serious potential hazard to the safety production.According to the data from the SOS microseism monitoring system，the applied earth geophysics，seismology and rock mechanics were used to study the tremor source physics，fluctuant physical field，laws of time－space series，distribution characteristics of time and space domain and their effects on mining actions.The microseism law was concluded，and four－type of tremors and their causes were determined，providing a scientific basis for the control of rock burst.

roof movement，mining－induced tremor，compressible impact，fault activation，motile tremor

TD713

A

寇建新（1970－），男，1993年畢業(yè)于焦作礦院采礦系礦建專業(yè)，學士學位，高級工程師，現(xiàn)主要從事采礦、沖擊礦壓防治研究。

（責任編輯 梁子榮）