基于微震分析法的特厚煤層導(dǎo)水裂縫帶高度研究

鄧志剛，李國(guó)宏，盛繼權(quán)，王元杰，王傳朋

(1.煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院，北京100013;2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (煤炭科學(xué)研究總院)，北京100013;3.撫順煤業(yè)集團(tuán)老虎臺(tái)礦，遼寧撫順113003;4.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

導(dǎo)水裂縫帶是指巖體中裂縫相互連通，能使水流向采區(qū)的斷裂帶和冒落帶的總稱，是綜合反映上覆巖體破壞范圍及破壞后的導(dǎo)水性能的指標(biāo)。研究復(fù)雜地質(zhì)條件下的特厚煤層綜放開(kāi)采誘發(fā)導(dǎo)水裂縫帶的高度，無(wú)論是從理論角度或是從煤礦安全生產(chǎn)的角度來(lái)說(shuō)都具有很高的價(jià)值。

1 礦井概況

撫順老虎臺(tái)礦位于撫順市區(qū)的南部，撫順煤田中部，地質(zhì)條件復(fù)雜，礦井范圍內(nèi)分布著數(shù)十條斷層，煤層厚度較大，平均厚度為55.55m;同時(shí)，該礦地處渾河流域，一旦上覆巖層破壞產(chǎn)生的裂縫與地表水系導(dǎo)通，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的礦井透水事故。因此，十分有必要開(kāi)展關(guān)于老虎臺(tái)礦回采工作面上覆巖層導(dǎo)水裂縫帶高度的研究。

本文選取老虎臺(tái)礦83002工作面作為具體研究對(duì)象。該工作面位于井田西部，東鄰－730m水平的73001已采面，上部為83001，78002已采面，北部為井田邊界，標(biāo)高為 －825.514～－744.093m;工作面采用走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤采煤方法，放煤步距1.2m，割煤高度2.9m，放煤高度8.7m，煤層開(kāi)采厚度11.6m，堅(jiān)固性系數(shù)為1.5～3，煤層賦存穩(wěn)定;工作面直接頂為78002，83001已采面冒落煤巖堆積物，主要由油母頁(yè)巖組成;基本頂為巨厚泥巖，兩者強(qiáng)度都較低。

2 導(dǎo)水裂縫帶劃分理論

在工作面回采過(guò)程中，雖然任何一種巖性的頂板都會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，但并不是整體運(yùn)動(dòng)，而是分為若干分層由下而上依次向下運(yùn)動(dòng)。因此不同層位的巖層其破壞的形式也是不同的，導(dǎo)致煤體上方巖層依次形成垮落帶、裂縫帶和彎曲下沉帶，即通常所說(shuō)的“三帶”:

垮落帶 破斷后的巖層呈不規(guī)則形態(tài)垮落，排列極不整齊，碎脹系數(shù)比較大，一般可達(dá)1.3～1.5，經(jīng)重新壓實(shí)后，碎脹系數(shù)可降到1.2左右。此區(qū)域與所開(kāi)采的煤層相鄰，一般情況下是由直接頂巖層冒落后形成的。

裂縫帶 巖層破斷后，巖塊仍然排列整齊的區(qū)域即為裂縫帶，其位于冒落帶之上，由于排列比較整齊，因此碎脹系數(shù)較小。垮落帶與裂縫帶合稱導(dǎo)水裂縫帶，意指上覆巖層含水層位于“兩帶”范圍內(nèi)，將會(huì)導(dǎo)致巖體水通過(guò)巖體斷裂隙流入采空區(qū)和回采工作面。

導(dǎo)水裂縫帶高度和巖性及煤層采高有關(guān)，覆巖巖性越堅(jiān)硬，導(dǎo)水裂縫帶高度越大。一般情況下，軟弱巖層導(dǎo)水裂縫帶高度為采高的9～12倍，中硬巖層為12～18倍，堅(jiān)硬巖層為18～28倍。準(zhǔn)確地確定導(dǎo)水裂縫帶高度，對(duì)解決水體下采煤?jiǎn)栴}及下解放層開(kāi)采瓦斯突出煤層有重要的意義。

彎曲下沉帶 自裂縫帶上部邊界到地表的所有巖層稱為彎曲下沉帶。彎曲下沉帶內(nèi)巖層移動(dòng)的顯著特點(diǎn)是，巖層移動(dòng)過(guò)程連續(xù)性、整體性較強(qiáng)，即裂縫帶上部邊界以上至地表的巖層移動(dòng)是整層地、整體性發(fā)生的，在垂直剖面上，其上下各部分的下沉值很?。?，4］。

3 微震分析法原理簡(jiǎn)介

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)就是在礦井范圍內(nèi)不同采區(qū)、不同水平布置若干監(jiān)測(cè)分站，組成一個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)全礦范圍內(nèi)發(fā)生的煤巖體破裂事件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄、定位和計(jì)算。目前，我國(guó)煤礦主要應(yīng)用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，評(píng)價(jià)和優(yōu)化解危措施，指導(dǎo)礦井的沖擊地壓防治工作［2－4］。

應(yīng)用微震分析法研究導(dǎo)水裂縫帶高度的基本原理是:在分析工作面上方不同高度區(qū)域內(nèi)微震事件分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)煤巖體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析工作面不同層位上覆巖層的破壞特征，最終確定工作面導(dǎo)水裂縫帶高度。分析認(rèn)為，理論上工作面上方不同高度區(qū)域內(nèi)巖體破壞產(chǎn)生的微震事件分布規(guī)律如下:

(1)垮落帶作為離煤層最近的巖層，其巖性一般較軟，厚度較小，承載能力也是最差的。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，隨著煤體的采出，上部巖體的載荷瞬間加載到這部分巖體上，導(dǎo)致巖體完全破壞、垮落，堆積于采空區(qū)內(nèi)。在這一過(guò)程中，一方面巖性較軟，另一方面巖體破壞塊度較小，其釋放的能量也相對(duì)較小，基本不屬于微震監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)。

(2)裂縫帶內(nèi)的裂縫主要來(lái)源于2個(gè)過(guò)程:一是巖體處于工作面前方超前支承壓力作用區(qū)域時(shí)，在采動(dòng)應(yīng)力作用下，煤體發(fā)生破壞、形成采動(dòng)裂縫;二是在垮落帶隨煤體垮落后，對(duì)其上部巖體有一定的承載作用，但該部分巖體仍然需要承載上覆巖層的大部分載荷，由于該部分巖層的承載能力相對(duì)較強(qiáng)，厚度較大，其破壞過(guò)程中釋放的能量也相對(duì)較大，形成巖體破裂的數(shù)量也是“三帶”中最多的，屬于微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)范圍。

(3)處于“三帶”最上部的是彎曲下沉帶，該部分巖體的承載能力最強(qiáng)，雖然破壞過(guò)程較慢，但巖體破壞過(guò)程中釋放能量最大，裂縫數(shù)量最少。一般情況下首先會(huì)產(chǎn)生離層，隨著離層空間的不斷加大，空頂巖體體積逐漸增大，最終發(fā)生破斷，在這一過(guò)程中會(huì)釋放大量能量，完全可以與裂縫帶內(nèi)形成裂縫過(guò)程加以區(qū)分［5］。

因此，在計(jì)算工作面導(dǎo)水裂縫帶高度的過(guò)程中，主要是分析微震事件密集區(qū)域，確定其上部邊界位置，同時(shí)參考大級(jí)別微震事件發(fā)生時(shí)間和發(fā)生位置，得出最終結(jié)論。

4 結(jié)果分析

在研究過(guò)程中，對(duì)2010年9月至2011年6月83002工作面附近發(fā)生的微震事件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為83002工作面附近的微震事件主要分布在2個(gè)區(qū)域，即F25斷層附近區(qū)域和83002工作面上方區(qū)域，在這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生的微震事件都非常密集。其中F25斷層附近區(qū)域微震事件主要分布在斷層與巖層、煤層之間“尖端”交界處，分布區(qū)域相對(duì)集中;微震事件能量級(jí)別大多在5×103J以上，屬于中等級(jí)別微震事件，其發(fā)生的原因是F25斷層的劇烈活動(dòng)，受工作面采動(dòng)影響較小，在具體的計(jì)算過(guò)程中，只需分析83002工作面上方區(qū)域微震事件的分布規(guī)律。

通過(guò)對(duì)83002工作面上方微震事件分布規(guī)律進(jìn)行研究，認(rèn)為83002工作面導(dǎo)水裂縫帶上部邊界為工作面上方345m左右。具體劃分原因如下:

(1)83002工作面上部為78002，83001已采面煤巖堆積物，且78002和83001工作面采高較大，導(dǎo)致綜合采高超過(guò)30m，頂板強(qiáng)度較低，按照理論計(jì)算，83002工作面導(dǎo)水裂縫帶高度應(yīng)該在270～360m之間。

(2)83002工作面上方區(qū)域微震事件呈“層”狀分布，在煤層上方的不同層位上，呈現(xiàn)出不同的分布形態(tài)，從下到上依次為“少量事件—密集事件—零星事件”。

(3)83002工作面直接頂為78002和83001已采面煤巖碎塊堆積物，并不是整體的巖層結(jié)構(gòu)，上部巖層主要為油母頁(yè)巖和泥巖，因此其微震事件分布規(guī)律也與正常工作面存在一定區(qū)別，煤層上方0～70m范圍內(nèi)的已采面冒落煤巖堆積區(qū)域，基本不存在微震事件;在煤層上方70～140m范圍內(nèi)存在少量微震事件，事件數(shù)量相對(duì)較少，未能形成相對(duì)集中的區(qū)域，同時(shí)事件能量級(jí)別較低，能量級(jí)別大多在8×102J左右，事件具體分布情況見(jiàn)表1。

表1 上覆巖層不同層位微震事件分布

(4)83002工作面上方140～345m范圍內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)仍以油母頁(yè)巖和泥巖為主，但巖體堅(jiān)硬、結(jié)構(gòu)致密，該區(qū)域發(fā)生的微震事件能量級(jí)別遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下部區(qū)域，大多在6.5×103J左右，且分布區(qū)域相對(duì)集中，因此可以認(rèn)為在83002工作面上方140～345m左右區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)相對(duì)集中的、大級(jí)別微震事件分布區(qū)域，該區(qū)域即為煤層上方主要的巖體破壞區(qū)域。

(5)83002工作面上方345m以上區(qū)域只存在零星微震事件，能量級(jí)別大多在4.7×104J左右，巖體結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，極少發(fā)生巖體破壞情況。

因此，通過(guò)應(yīng)用微震分析法進(jìn)行分析后，認(rèn)為345m左右以下區(qū)域分布大量高能量級(jí)別微震事件，巖體破壞情況相對(duì)集中;上部區(qū)域僅存在個(gè)別巖體破裂事件。因此，可以認(rèn)為83002工作面上方345m為工作面導(dǎo)水裂縫帶。

在應(yīng)用微震分析法對(duì)83002工作面導(dǎo)水裂縫帶高度進(jìn)行研究的同時(shí)，北方工業(yè)大學(xué)相關(guān)專家應(yīng)用可控源音頻大地電磁法 (CSAMT法)，在老虎臺(tái)礦也進(jìn)行了關(guān)于探測(cè)導(dǎo)水裂縫帶高度的相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。具體試驗(yàn)情況如下:在83002工作面附近，沿采區(qū)走向和傾向方向分別布置探測(cè)線，其中沿走向方向布設(shè)1條測(cè)線，編號(hào)為1－7剖面;沿采區(qū)南北方向共布設(shè)5條測(cè)線，從東向西測(cè)線編號(hào)依次為2－10剖面、2－11剖面、2－12剖面、2－13剖面和2－14剖面?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定6個(gè)觀測(cè)剖面實(shí)際位置導(dǎo)水裂縫帶高度分別為 368.1m，389.5m，381.4m，350.5m，341.4m和447.1m，平均高度為379.68m。

對(duì)比分析微震分析法和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)兩種方法分別得到的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者確定的工作面整體導(dǎo)水裂縫帶范圍很接近，基本可以反映出83002工作面導(dǎo)水裂縫帶分布的實(shí)際情況。同時(shí)，兩計(jì)算結(jié)果之間相差34.68m，約占微震分析法分析結(jié)果的9.7%，分析認(rèn)為出現(xiàn)上述差別的主要原因是現(xiàn)場(chǎng)CSAMT法只在83002工作面附近選取了6個(gè)剖面，雖然具有一定的代表性，但同時(shí)也存在一定的片面性，其試驗(yàn)結(jié)果并不是一個(gè)絕對(duì)精確的數(shù)據(jù)，必然存在一定的誤差;另一方面，微震分析法得出的結(jié)果，也只是通過(guò)分析一段時(shí)間內(nèi)83002工作面區(qū)域內(nèi)發(fā)生的微震事件所得出的結(jié)果，也不能完全代表整個(gè)83002工作面上覆巖層的實(shí)際情況。因此，可以認(rèn)為運(yùn)用微震分析法得出的83002工作面導(dǎo)水裂縫帶高度計(jì)算結(jié)果較為真實(shí)可靠。

5 結(jié)論

根據(jù)研究結(jié)果，可以得出以下結(jié)論:

(1)通過(guò)運(yùn)用微震分析法可以對(duì)工作面上覆巖層導(dǎo)水裂縫帶高度進(jìn)行計(jì)算。

(2)本次研究所得導(dǎo)水裂縫帶高度與可控源音頻大地電磁法 (CSAMT法)觀測(cè)結(jié)果相比較，相對(duì)誤差在10% 之內(nèi)，微震分析法計(jì)算結(jié)果較為真實(shí)可靠，老虎臺(tái)礦83002工作面上覆巖層導(dǎo)水裂縫帶高度大致為工作面上方345m左右。

［1］孫世國(guó).特厚煤層綜放開(kāi)采上覆巖體移動(dòng)特點(diǎn)與破壞范圍的研究［D］.北京:北京科技大學(xué)，2000.

［2］姜福興，Luo Xun．微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦井巖層破裂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24(2):147－149.

［3］王 煒，莊昆元，宋俊高，等.測(cè)震學(xué)分析預(yù)報(bào)方法［M］.北京:地震出版社，1997.

［4］竇林名，何學(xué)秋.沖擊礦壓防治理論與技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.

［5］楊 貴.綜放開(kāi)采導(dǎo)水裂隙帶高度及研究方法［D］.青島:山東科技大學(xué)，2004.