深部大采高綜采工作面微震活動(dòng)規(guī)律多因素分析

邵昌堯， 劉志剛

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

深部大采高綜采工作面微震活動(dòng)規(guī)律多因素分析

邵昌堯， 劉志剛

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

摘要：為探索深部大采高綜采工作面沖擊地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)，基于現(xiàn)有的微震監(jiān)測(cè)技術(shù)與裝備，并結(jié)合采場(chǎng)布置與生產(chǎn)接續(xù)安排情況，研究了深部大采高綜采工作面微震活動(dòng)規(guī)律.對(duì)工作面從開面到“見方”階段大量微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出諸因素如空間、時(shí)間、煤層及工作面生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)微震活動(dòng)造成的一般性規(guī)律，為下一步同類工作面開采提供防沖監(jiān)測(cè)依據(jù).

關(guān)鍵詞：深部開采； 大采高； 綜采； 微震規(guī)律； 多因素分析

隨著煤礦采深的增加，沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害日趨增多，如何安全高效回收深部煤炭資源成為困擾煤炭行業(yè)的難點(diǎn)與重點(diǎn)問題[1-3].經(jīng)過工程技術(shù)人員的努力，目前沖擊地壓監(jiān)測(cè)方法已有多種類型，其中沖擊地壓地球物理方法主要包括了微震監(jiān)測(cè)法、聲發(fā)射法、電磁輻射法等[1，4].微震監(jiān)測(cè)法是目前比較典型且日趨成熟的一項(xiàng)技術(shù)[5-6]，其原理主要是通過監(jiān)測(cè)煤巖體破裂失穩(wěn)萌生、發(fā)育、貫通等過程出現(xiàn)的一系列微震動(dòng)活動(dòng)，來總結(jié)規(guī)律并進(jìn)一步預(yù)測(cè)沖擊地壓的發(fā)生.

1 工作面概況

5303工作面是530采區(qū)回采的第三個(gè)大采高工作面，走向可采長(zhǎng)度1501m，傾向長(zhǎng)度190m.回采煤層為3上煤，煤層底板標(biāo)高-942.4～-885.4m，地面標(biāo)高+35.1～+39.5m，煤為黑色，條痕黑褐色，以亮煤為主，暗煤次之，屬半亮型煤，油脂-玻璃光澤，階梯狀斷口.該煤種屬氣煤，其摩氏硬度為2～3.根據(jù)巷道實(shí)際揭露資料，該工作面3上煤層沉積較穩(wěn)定，全部可采，厚度在1.20～5.90m之間，平均厚4.60m.該面選用綜合機(jī)械化一次采全高走向長(zhǎng)壁后退式采煤法.根據(jù)同采區(qū)已回采結(jié)束的工作面礦壓觀測(cè)資料[7]，3上煤層直接頂為較穩(wěn)定的Ⅱ類頂板，老頂為二級(jí)頂板，采用全部垮落法管理頂板效果良好.因此5303工作面也采用全部垮落法管理頂板.

工作面上方660m左右的J3地層有巖漿巖發(fā)育，巖性為輝長(zhǎng)巖等，厚32.5～62.8m.由于巖漿巖與3上煤間距遠(yuǎn)，3上煤不受巖漿巖侵蝕，但該巖漿巖的活動(dòng)與斷裂有可能誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害.

2 工作面微震事件分布及規(guī)律分析

截至2013年10月份，5303工作面累計(jì)推采長(zhǎng)度236.15m，工作面已通過一次見方區(qū)域，回采期間共記錄到120余起微震事件，釋放總能量2.5×105J，最大單事件能量為2.9×104J.如圖1所示微震事件按空間統(tǒng)計(jì)主要分布在3個(gè)區(qū)域：一是面前50～200m膠帶順槽實(shí)體煤側(cè)；二是面前300～450m段；三是臨近采空區(qū)之間實(shí)體煤中.

微震事件按時(shí)間統(tǒng)計(jì)主要分布在2個(gè)區(qū)域：一是工作面檢修后恢復(fù)生產(chǎn)期間；二是“見方”影響期間.

圖1 微震事件分布平面圖

2.1 微震事件空間分布規(guī)律

(1)面前50～200m之間(圖1中Ⅰ區(qū))微震活動(dòng)主要受采動(dòng)影響，采空區(qū)老頂巖梁進(jìn)行力源傳遞，導(dǎo)致超前支承壓力的周期性出現(xiàn)，誘發(fā)煤巖層斷裂，發(fā)生微震事件.

(2)面前400m附近微震密集點(diǎn)(圖1中Ⅱ區(qū))分析.臨近5302采空區(qū)穩(wěn)沉后形成穩(wěn)定的覆巖結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致側(cè)向支撐壓力向?qū)嶓w煤內(nèi)延伸，同時(shí)該區(qū)域處于5303、5302聯(lián)合見方區(qū)，煤、巖層處于高應(yīng)力狀態(tài)，受5303工作面回采擾動(dòng)影響，平衡狀態(tài)出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)大量微震事件.

(3)大能量微震事件(E≥104J)90%以上發(fā)生在距工作面200m外實(shí)體煤中.5303工作面前皮順南側(cè)發(fā)生2起大能量(E大于等于10000J)微震事件，臨近采空區(qū)附近實(shí)體煤發(fā)生2起大能量微震事件，主要受回采及采空區(qū)上方巖層斷裂影響，超前支承壓力逐漸傳遞，彈性勢(shì)能逐漸在面前遠(yuǎn)處實(shí)體煤中積聚，并受擾動(dòng)釋放，誘發(fā)大能量事件.圖2所示為工作面區(qū)域大能量微震事件分布區(qū)域示意圖.

圖2 工作面附近大能量微震事件

2.2 微震活動(dòng)時(shí)間分布規(guī)律

(1)恢復(fù)生產(chǎn)階段.由圖3可見，10月2日、3日兩天停產(chǎn)檢修，10月4日恢復(fù)生產(chǎn)，推進(jìn)度變量為7.5m，微震能量由500J/d升高到35000J/d.原因分析：工作面停產(chǎn)后面后老頂逐漸垮落并趨于穩(wěn)定，此時(shí)應(yīng)力集中到工作面前方，恢復(fù)生產(chǎn)后平衡狀態(tài)破壞，積聚的彈性勢(shì)能突然釋放，導(dǎo)致微震能量及頻次的升高.

(2)工作面“見方”期間.5303工作面見方期間(采空區(qū)長(zhǎng)度170～230m)共發(fā)生微震事件15起，主要分布在面前130m、頂板5m至底板15m之間，見方期間，上覆關(guān)鍵層積聚較高的能量，工作面超前支撐壓力普遍升高，頂板活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致微震事件頻發(fā).

(3)從微震活動(dòng)頻次、能量與推進(jìn)度的關(guān)系來分析.10月份，工作面基本保證勻速推采，推進(jìn)度平均5.6m/d，但部分時(shí)段推進(jìn)度有較大波動(dòng)(0～8.5m)，相應(yīng)階段微震事件能量變化最大達(dá)到30000J，頻次升高3倍，見圖3.可見回采強(qiáng)度的大幅度變化導(dǎo)致頂板無規(guī)律性破斷，局部能量積聚，導(dǎo)致大能量事件的發(fā)生.

圖3 微震事件與推進(jìn)度關(guān)系圖

3 微震事件與工作面及煤層空間關(guān)系

3.1 微震事件與工作面關(guān)系

表1所示為主要微震事件與回采程度關(guān)系.可以看出微震事件90%以上分布在面后90m至面前450m內(nèi)，煤層底板以下10m至頂板以上20m之間.其中，工作面50m范圍內(nèi)微震事件占19%，50～200m范圍內(nèi)微震事件占50%，200～300m之間基本無微震活動(dòng)，300～450m之間微震事件占30%，個(gè)別微震事件發(fā)生在工作面600m以外.

表1 主要微震事件分析表

3.2 微震事件與煤層關(guān)系

煤層底板微震事件占35%，煤層微震事件占55%，頂板微震事件占10%，如圖4所示.

圖4 微震事件與煤層關(guān)系示意圖

4 結(jié)論

(1) 深部大采高綜采工作面微震活動(dòng)與工作面埋深、煤層頂?shù)装宓茸匀灰蛩赜兄苯雨P(guān)系，以5303工作面來說微震事件大多分布于煤層所在層位，且多位于面后90m至面前450m范圍內(nèi).

(2) 通過研究可知，與5303工作面類似條件下的深部大采高綜采工作面微震活動(dòng)，空間上受工作面布置、臨近采空區(qū)、采煤方法等因素影響較大.時(shí)間上主要發(fā)生在恢復(fù)生產(chǎn)階段、見方期間和推進(jìn)度有較大波動(dòng)時(shí).

(3) 根據(jù)5303工作面從開面到“見方”結(jié)束微震事件與工作面及煤層關(guān)系分析，可知當(dāng)工作面推采速度保持在較低且勻速的狀態(tài)時(shí)，微震活動(dòng)比較平穩(wěn)，且釋放能量維持在較低水平.當(dāng)推采速度突然加快或減緩時(shí)，微震活動(dòng)變化比較明顯，特別是推進(jìn)度大幅度變化時(shí)，容易誘發(fā)大能量微震事件.可以得出在沖擊地壓工作面合理控制推進(jìn)度對(duì)于有效預(yù)防大能量事件的發(fā)生具有積極的效果.

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒德蘊(yùn).煤巖體蠕變失穩(wěn)及預(yù)測(cè)方法[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2012.

[2]耿獻(xiàn)文.礦山壓力測(cè)控技術(shù)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2002.

[3]竇林名.煤礦開采沖擊礦壓災(zāi)害防治[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[4]鄒德蘊(yùn),劉志剛,姚樹陽.采場(chǎng)礦壓監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)信息融合技術(shù)應(yīng)用研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011(08):14-18.

[5]劉志剛,鄒德蘊(yùn),李錦秀，等.KDZD型沖擊地壓聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)用[J].煤,2011(03):19-21.

[6]劉志剛.基于聲發(fā)射原理的沖擊地壓監(jiān)測(cè)裝備研究及應(yīng)用[D].青島：山東科技大學(xué),2011.

[7]劉志剛,汪棟,李錦秀.深部開采工作面礦壓監(jiān)測(cè)方法及監(jiān)測(cè)設(shè)備適用性研究[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2013(4):30-33.

(編輯：姚佳良)

收稿日期：2014-07-26

作者簡(jiǎn)介：邵昌堯，男，tkmkscy@163.com; 通信作者：劉志剛，男，liuzg1985@163.com

文章編號(hào)：1672-6197(2015)02-0076-03

中圖分類號(hào)：TD324

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Themulti-factoranalysisonthedeeplargeminingheightfully
mechanizedminingfacemicroseismactivityrule

SHAOChang-yao，LIUZhi-gang

(ShandongEnergyZiboMiningGroupTangkouCoal,Ji′ning272055,China)

Abstract:To explore rock burst monitoring technology in the deep large mining height fully mechanized mining face, combining stope layout and production situation， we studied mining face microseism activity rule based on existing microseism monitoring technology and equipment.We analyzed a large number of microseism events of the working face from production to "Square" stage to find universal rules of the factors, such as space,time,coal seam and the working face production activity on microseism activity.This work can provide a basis for rock burst monitoring technology in the same type working face.

Key words:deep mining； large mining height； fully mechanized mining； the rule of microseism； multi-factor coupling analysis