千米深井大采高沿空工作面微震活動(dòng)規(guī)律研究

(山東能源淄礦集團(tuán) 唐口煤業(yè)公司，山東 濟(jì)寧 272055)

千米深井大采高沿空工作面微震活動(dòng)規(guī)律研究

劉業(yè)獻(xiàn)

(山東能源淄礦集團(tuán)唐口煤業(yè)公司，山東濟(jì)寧272055)

通過研究深井工作面開采過程中的微震活動(dòng)規(guī)律，得出微震事件分布的時(shí)空遷移性和周期性。以唐口煤業(yè)有限公司5303大采高工作面為研究對(duì)象，得出了工作面超前采動(dòng)應(yīng)力分布范圍為190m，采空區(qū)頂、底板裂隙發(fā)育高度分別為75m，60m，該結(jié)論為深井開采沖擊地壓防治提供了重要的理論依據(jù)和參考。

千米深井；大采高；沿空工作面；微震活動(dòng)；采動(dòng)應(yīng)力；覆巖運(yùn)動(dòng)

Micro-seismic Rule of Large-mining-height Mining Face along Gob in 1000m Deep Mine

ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井包括沖擊地壓在內(nèi)的微震信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)，準(zhǔn)確計(jì)算出能量大于100J的震動(dòng)及沖擊地壓發(fā)生的時(shí)間、能量及空間三維坐標(biāo)，給出沖擊地壓等礦震信號(hào)的波形，確定出每次震動(dòng)的震動(dòng)類型，判斷出沖擊地壓發(fā)生力源類型。對(duì)礦井沖擊地壓危險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，可出具沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)報(bào)告和日常評(píng)價(jià)報(bào)告。監(jiān)測(cè)礦井上覆巖層的斷裂信息，確定斷裂層位，實(shí)現(xiàn)定量描述空間巖層結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力場(chǎng)的遷移演化規(guī)律。通過監(jiān)測(cè)掌握微震活動(dòng)規(guī)律，掌握震源與采動(dòng)影響關(guān)系，從而分析確定沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，采取必要的防治措施，降低沖擊危險(xiǎn)[1-5]。

本文主要以唐口煤業(yè)公司5303深部開采工作面為研究對(duì)象，根據(jù)微震事件分布規(guī)律，得出深部開采過程中生產(chǎn)活動(dòng)與沖擊地壓災(zāi)害的有關(guān)規(guī)律。

唐口煤業(yè)有限公司自2009年9月引進(jìn)了波蘭16通道ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，2012年升級(jí)為32通道，同時(shí)安裝了1套ARP2000井上監(jiān)測(cè)設(shè)備，形成了空間立體式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。目前該公司井下共安裝了22臺(tái)拾震器，井上安裝了4臺(tái)，共26個(gè)監(jiān)測(cè)通道。截止到2014年5月，礦井共監(jiān)測(cè)到有定位結(jié)果的微震事件5415個(gè)，釋放能量2.8×107J。

1 研究對(duì)象

5303工作面是530采區(qū)第3個(gè)開采工作面，與5302采空區(qū)之間留設(shè)5m寬保護(hù)煤柱。選用綜合機(jī)械化一次采全高走向長臂后退式采煤法開采，全部垮落法管理頂板。工作面走向可采長度1501m，面寬200m。開采煤層為3上煤，煤層平均厚度4.6m，煤層直接頂為均厚2.64m的泥巖，基本頂為均厚3.14m的砂巖，直接底為均厚2.22m的泥巖，老底為均厚2.88m的粉砂巖。

圖1所示為5303工作面周圍拾震器布置情況，該工作面周圍共布置了6個(gè)拾震器監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地面對(duì)應(yīng)1臺(tái)監(jiān)測(cè)分站，形成空間立體式監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，能夠保證工作面微震事件的監(jiān)測(cè)效果。

圖1 5303工作面前期和后期拾震器布置

2 微震事件活動(dòng)規(guī)律分析

2.1 微震事件的時(shí)空分布與時(shí)空遷移

如圖2所示，微震事件主要分布在5303工作面及附近掘進(jìn)巷道。因此，微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的事件主要為開采活動(dòng)導(dǎo)致的煤巖體的震動(dòng)信息，通過分析這些信息，可以獲得當(dāng)前煤巖體的受力破壞狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)未來的微震活動(dòng)趨勢(shì)作出判斷[6]。

圖2 5303工作面微震事件分布

圖3 微震事件的時(shí)空遷移

圖3為5303工作面微震事件的時(shí)空遷移，微震事件會(huì)隨著工作面推進(jìn)而移動(dòng)，說明開采活動(dòng)對(duì)微震事件的分布具有明顯的影響。而5303工作面前方0～75m內(nèi)微震事件出現(xiàn)密集分布狀態(tài)，說明該區(qū)段煤巖體活動(dòng)劇烈，危險(xiǎn)性大。

2.2 微震活動(dòng)的周期性

在采動(dòng)影響下，煤巖體的活動(dòng)具有明顯的周期性，從微震事件的周期性能量釋放可以得到較好的反映[7]。5303工作面平均每隔5～7d就會(huì)出現(xiàn)1次微震能量釋放高峰，一般比周期來壓早1～2d。如圖4所示，圖中黑色倒三角形表示工作面周期來壓，可見周期來壓與微震峰值出現(xiàn)時(shí)間差值基本保持在1d內(nèi)。且微震峰值普遍要提前于周期來壓。說明周期來壓前頂板壓力突然升高，頂板活動(dòng)比較劇烈，煤巖體釋放能量達(dá)到峰值。通過對(duì)微震活動(dòng)性的分析，可以對(duì)工作面周期來壓進(jìn)行預(yù)測(cè)。

圖4 5303工作面1月份微震活動(dòng)與推進(jìn)度關(guān)系

2.3 微震活動(dòng)與采動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系

假設(shè)第id第j個(gè)微震事件Bij的定位坐標(biāo)為(x，y，z)，如圖5，且第1d至第id的推進(jìn)距離為Li，則，設(shè)第1d時(shí)工作面位置為工作面固定點(diǎn)，求出微震事件的相對(duì)坐標(biāo)(X，Y，Z)如下：

X=x-Licosαcosβ；Y=y-Licosαsinβ；Z=

z-Litanβ

式中，α為工作面的推進(jìn)角度，β為x軸與工作面推進(jìn)方向在水平面上的投影的夾角。對(duì)于5303工作面來說，其走向認(rèn)為是近水平的，即α為0，則：

X=x-Licosβ；Y=y-Lisinβ；Z=z

圖5 微震事件的絕對(duì)位置和相對(duì)位置關(guān)系

以每月推進(jìn)度的中點(diǎn)為固定點(diǎn)，根據(jù)微震事件的分布情況，得出固定工作面的微震事件分布圖，如圖6所示。

圖6 微震活動(dòng)與超前應(yīng)力關(guān)系

由圖6可見，微震事件的能量及頻次的曲線具有明顯的峰值結(jié)構(gòu)。工作面超前采動(dòng)影響范圍可達(dá)380m，其中超前190m以外為原巖應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域微震頻次少，煤巖體幾乎不受采動(dòng)影響。工作面超前40～190m范圍內(nèi)，采動(dòng)影響開始增加，到達(dá)應(yīng)力升高區(qū)，煤巖體應(yīng)力逐漸增大并達(dá)到峰值，微震頻次和能量也呈增加趨勢(shì)。在工作面超前40m以內(nèi)，煤巖體應(yīng)力出現(xiàn)下降趨勢(shì)，說明該區(qū)域?yàn)樗苄詤^(qū)，應(yīng)力較低。通過固定工作面的方式，可知5303工作面超前采動(dòng)應(yīng)力峰值在工作面前40m處，顯著影響范圍在工作面前190m。

2.4 微震活動(dòng)揭示覆巖空間破裂形態(tài)

5303工作面采高平均4.6m，局部達(dá)到5.3m，屬于綜采大采高工作面。大采高工作面形成的開采空間較大，從而對(duì)上覆巖層“三帶”變化影響比較明顯。為掌握煤層上覆巖層活動(dòng)情況，唐口煤業(yè)公司專門引進(jìn)了波蘭ARP2000礦震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在地面安裝監(jiān)測(cè)站，與井下拾震器相互結(jié)合，形成井上下立體式聯(lián)合監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)上覆巖層活動(dòng)規(guī)律的監(jiān)測(cè)及沖擊地壓預(yù)警意義重大。

圖7為5303工作面微震事件的剖面投影圖，由圖中可知，微震事件主要集中在煤層基本頂及老底中，頂板明顯發(fā)育高度達(dá)到63m，底板明顯發(fā)育深度為82m。從微震監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，開采未影響到厚度為30～62m的關(guān)鍵層，由于該關(guān)鍵層強(qiáng)度高，易積聚大量彈性能，若出現(xiàn)整體滑動(dòng)可能對(duì)沖擊地壓防治帶來較大影響。隨著開采范圍的加大，巖層破裂高度還會(huì)有進(jìn)一步向上發(fā)展的趨勢(shì)，在以后的監(jiān)測(cè)中，應(yīng)對(duì)該層位予以重視。

圖7 微震揭示覆巖空間破裂形態(tài)

2.5 微震活動(dòng)揭示構(gòu)造異常區(qū)域

2014年2月下旬，5303工作面推采至距5303-3(H=4.5∠55°)斷層50m，距DF5(H=0～9∠75°)斷層245m，如圖8所示，兩斷層均為正斷層，且在圖中填充區(qū)域形成了“地塹”結(jié)構(gòu)。由圖中可以明顯看出微震事件集中在兩斷層之間，且開始快速增長，表明斷層受采動(dòng)影響開始活化，此后，微震事件整體上沿著斷層走向發(fā)展。當(dāng)工作面距離斷層40m左右時(shí)，工作面平均支架工作阻力由25.1MPa升高到30.8MPa，高能微震事件發(fā)生概率增加，出現(xiàn)當(dāng)月最高能量9500J，說明工作面受較大動(dòng)載影響。當(dāng)工作面距離斷層15m左右時(shí)，每日微震事件達(dá)到峰值，為6次/d，但主要以小能量微震事件為主，支架受力降低。

圖8 微震揭示構(gòu)造異常區(qū)域

3 結(jié)論

(1)通過分析微震事件的時(shí)空分布和時(shí)空遷移規(guī)律，可以提前預(yù)測(cè)工作面的沖擊危險(xiǎn)程度。5303綜采大采高工作面超前75m頂?shù)装灞容^活躍，是重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域。

(2)微震活動(dòng)具有明顯的周期遷移性，在一定程度上可預(yù)測(cè)工作面周期來壓，同時(shí)反映周期來壓的強(qiáng)度，根據(jù)微震活動(dòng)劇烈程度采取相應(yīng)防沖及頂板管理措施。

(3) 微震事件分布特征與超前應(yīng)力分布具有相關(guān)性，5303工作面超前支承壓力峰值位置為面前40m，顯著影響范圍為0～190m。該研究結(jié)論可用于指導(dǎo)采場(chǎng)的合理支護(hù)及與超前支承壓力相關(guān)的沖擊地壓事故的防治。

(4)微震事件分布特征可以用于研究頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，尤其是掌握上覆巨厚巖層的活動(dòng)情況。研究表明，5303工作面頂板裂隙顯著發(fā)育高度為63m，底板裂隙顯著發(fā)育深度為82m。

(5)微震事件分布特征可以揭示構(gòu)造異常區(qū)，在斷層等構(gòu)造附近，微震事件會(huì)有明顯增加，且沿?cái)鄬幼呦蜓厣?。通過微震監(jiān)測(cè)，可提前探測(cè)構(gòu)造異常區(qū)域，為工作面安全生產(chǎn)提供有效指導(dǎo)。

[1]鄧志剛，任 勇，毛德兵，等．波蘭EMAG礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能及應(yīng)用[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，36(10)：1-4.

[2]許紅杰，夏永學(xué)，藍(lán) 航，等.微震活動(dòng)規(guī)律及其在煤礦開采中的應(yīng)用[J].煤礦開采，2012，17(2)：93-95，16.

[3]竇林名，何學(xué)秋.沖擊地壓防治理論與技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2002.

[4]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].巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，24(2)：147-149.

[5]曹安業(yè)， 竇林名， 秦玉紅，等.微震監(jiān)測(cè)沖擊礦壓技術(shù)成果及其展望[J].煤礦開采，2007，12(1)：20-23，39.

[6]夏永學(xué)，潘俊鋒，王元杰，等.基于高精度微震監(jiān)測(cè)的煤巖破裂與應(yīng)力分布特征研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(2).

[7]于 雷， 閆少宏，毛德兵，等.基于ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)的大采高綜放頂板活動(dòng)規(guī)律[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(S2)：293-298.

[8]連鴻全，邵學(xué)峰.鶴崗礦區(qū)沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)規(guī)律分析[J].山西焦煤科技，2012(6)：44-48.

[9]李志軍.大采高超長工作面頂板災(zāi)害預(yù)警研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2010.

[10]牟宗龍，竇林名，鞏思園，等.礦井SOS微震監(jiān)測(cè)網(wǎng)格優(yōu)化設(shè)計(jì)及震源定位誤差數(shù)值分析[J].煤礦開采，2009，14(3)：8-12.

[11]薛再君.華亭煤礦沖擊地壓防治研究[J].煤炭科技，2010(2)：11-13.

[12]杜東見，馬獻(xiàn)超，徐學(xué)鋒.采掘影響下斷層活化產(chǎn)生礦震的力源分析及微震監(jiān)測(cè)[J].中州煤炭，2012(7)：13-16，19.

[13]盧新偉，竇林名，王國瑞，等.巨厚火成巖下礦震分布特征分析[J].煤炭工程，2010，42(7)：54-57.

[14]馬曉東.大采深厚煤層沖擊地壓防治技術(shù)研究[J].中國煤炭工業(yè)，2012(11)：56-57.

[15]趙國棟.基于微震監(jiān)測(cè)的大采高綜采面覆巖破斷特征研究[J].煤礦開采，2014，19(4)：112-114.

[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

2014-09-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.024

劉業(yè)獻(xiàn)(1973-)，男，山東淄博人，高級(jí)工程師，現(xiàn)任唐口煤業(yè)公司總工程師，主要從事礦山開采安全管理及災(zāi)害防治等方面的研究。

劉業(yè)獻(xiàn).千米深井大采高沿空工作面微震活動(dòng)規(guī)律研究[J].煤礦開采，2014，19(6)：90-92.

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1006-6225(2014)06-0090-03