高瓦斯煤層覆巖活動規(guī)律研究

田水承 ，張 帥，陳龍剛，楊興波，孔維靜

（1．西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安710054；2．教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安710054）

瓦斯事故是一種嚴(yán)重的煤礦事故，嚴(yán)重威脅著井下作業(yè)人員的生命安全和煤礦的正常生產(chǎn)，而瓦斯超限則是誘發(fā)事故的主要原因。因此對礦井瓦斯進行抽采顯得尤為重要[1-4]。在工作面回采過程中采空區(qū)上覆巖層會發(fā)生垮落、破裂從而形成眾多裂隙，卸壓瓦斯通過眾多裂隙以滲流、擴散等方式匯聚于覆巖裂隙帶內(nèi)，從而形成了覆巖高位瓦斯富集區(qū)[5-8]。如果將高抽巷的布置層位選擇在采動裂隙帶高度內(nèi)，可使瓦斯抽放效果達到最佳。因此探究采動過程中覆巖活動規(guī)律，確定采動裂隙帶的空間位置將對高瓦斯煤層瓦斯的抽放具有指導(dǎo)作用[9-10]。眾多學(xué)者對采動過程中覆巖活動規(guī)律及破壞特征進行了大量的研究工作[11-14]，并取得了豐富的成果，但是煤礦現(xiàn)場條件復(fù)雜，各礦的條件又不盡相同，因此對采動過程中覆巖裂隙的分布特征及瓦斯富集區(qū)的具體位置難以準(zhǔn)確判定。因此，試圖通過微震監(jiān)測技術(shù)對采動過程中覆巖破裂所形成的微震事件進行監(jiān)測并記錄，并通過對微震監(jiān)測結(jié)果進行分析以確定采動過程中覆巖裂隙的分布狀態(tài)，從而確定覆巖瓦斯富集區(qū)的空間位置，并據(jù)此對高抽巷的合理層位進行設(shè)計。

1 微震檢測原理

煤巖體受外界因素影響而發(fā)生微破裂，微破裂逐漸聚集，相互貫通，形成裂隙；微破裂發(fā)生時，會釋放出地震波向周圍傳播，形成一個微震事件；地震波產(chǎn)生后，在周圍煤巖介質(zhì)中傳播時，利用微震監(jiān)測系統(tǒng)，將彈性波進行識別、捕獲和采集，并對彈性波進行處理和分析，進而可對微震事件（微破裂）位置進行三維空間定位。根據(jù)微震事件的空間分布情況，可分析得出裂隙的分布狀態(tài)、演化過程和變化趨勢等。微震監(jiān)測原理圖如圖1。

圖1 微震監(jiān)測原理

2 微震監(jiān)測方案

工作面采用的微震監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵組成包括傳感器、采集儀和主機3 大部分。根據(jù)工作面的開采條件及進、回風(fēng)巷道的實際情況結(jié)合微震監(jiān)測的需求，研究并確定了微震監(jiān)測系統(tǒng)的布置方案。該工作面進風(fēng)巷道和回風(fēng)巷分別布置2 臺采集儀，每臺采集儀配備2 個傳感器。傳感器超前工作面60 m開始布置，傳感器間距20 m。

傳感器布置在煤幫上，采用錨桿連接安裝法，傳感器通過傳感器轉(zhuǎn)接頭與錨桿連接，錨桿相當(dāng)于傳感器尾椎，有利于接收微震信號。每個采集儀配備的2 個傳感器分別連接在電纜線靠近采集儀的2 個接口上，且采集儀利用掛鉤懸掛于巷道煤幫上以便于更換。

監(jiān)測過程中，當(dāng)工作面推進到距離最近傳感器20 m 左右時，將2 個運輸巷距工作面最近的2 個傳感器和1 臺采集儀后移，各傳感器間距仍保持20 m，以此循環(huán)以保證監(jiān)測過程不受開采活動的影響，從而實現(xiàn)工作面推進過程中的全面監(jiān)測。

3 采動過程中微震活動分析

3.1 微震事件分析

利用微震監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件對微震監(jiān)測系統(tǒng)所記錄的各類活動事件進行過濾處理得到有效微震事件，事件主要集中在采空區(qū)頂?shù)装?、煤層、煤層頂?shù)装寮盎仫L(fēng)巷頂板。在監(jiān)測時間段內(nèi)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，共產(chǎn)生了4～5 次周期來壓，周期來壓平均步距在20 m 左右，平均來壓周期為6 d，此與該工作面實際周期來壓情況相符合。由于篇幅所限，選取監(jiān)測期間的1 次典型周期來壓進行分析，工作面累積推進5、10、20 m 過程中微震事件分布如圖2～圖4。

圖2 工作面累積推進5 m 過程中微震事件分布

圖3 工作面累積推進10 m 過程中微震事件分布

根據(jù)圖2 可知，當(dāng)工作面推進5 m 的時候，回風(fēng)巷道及上一個工作面的采空區(qū)（緊鄰回風(fēng)巷）上部出現(xiàn)較多微震事件，分布高度在38 m 左右，工作面前方煤層頂板出現(xiàn)若干微震事件，分布在沿傾向中部位置，高度范圍集中在10～38 m 左右，且該工作面后方的采空區(qū)出現(xiàn)少量零散微震事件，高度集中在10 m 以內(nèi)。

根據(jù)圖3 可知，當(dāng)工作面累積推進10 m 的時候，回風(fēng)巷道及其相鄰采空區(qū)上部微震事件增多，分布范圍擴大，并向工作面傾向中部位置擴散形成了沿工作面傾向分布的微震事件帶，且工作面中部微震事件帶下部微震事件增多，高度集中在在12～40 m 范圍內(nèi)，而微震事件帶上部事件變化較小，同時工作面前方下部頂板（距離底板45 m 處）和后方采空區(qū)微震事件增多。

根據(jù)圖4 可知，當(dāng)工作面累積推進20 m 的時候，回風(fēng)巷道及其相鄰采空區(qū)上部微震事件大量增多，分布范圍增大，且微震事件帶事件集中效果明顯，該工作面后方采空區(qū)微震事件大量增多，大多事件分布高度集中在45 m 以內(nèi)。

圖4 工作面累積推進20 m過程中微震事件分布

3.2 上覆巖層破裂特征分析

對微震事件的分布狀態(tài)及變化趨勢分析可知，當(dāng)工作面推進5 m 的時候，回風(fēng)巷道及其相鄰采空區(qū)上部35 m 處產(chǎn)生較多破壞使其上部頂板出現(xiàn)部分破斷現(xiàn)象，這是由于回風(fēng)巷道緊鄰上一個工作面的采空區(qū)，回風(fēng)巷處于高地應(yīng)力區(qū)域。工作面前方煤層頂板12～40 m 高度內(nèi)出現(xiàn)較多破裂現(xiàn)象，并有向回風(fēng)巷到上部破裂區(qū)域發(fā)育的趨勢，而工作面后方采空區(qū)頂板12 m 高度內(nèi)出現(xiàn)少量零散分布的微震事件，表明新采空區(qū)頂板局部地點發(fā)生個別破裂現(xiàn)象。

當(dāng)工作面累積推進10 m 的時候，回風(fēng)巷道及其相鄰采空區(qū)上部頂板破裂現(xiàn)象明顯，形成了大量裂隙，同時工作面前方出現(xiàn)大量破裂現(xiàn)象，集中分布在工作面前方中部位置，距離煤層頂板高度在12～40 m 范圍內(nèi)，且與回風(fēng)巷道上部破裂區(qū)域相貫通，這是由于隨著工作面的推進，超前采動應(yīng)力不斷升高，又受到舊采空區(qū)的影響使得其上部破裂不斷向工作面前方煤層頂板處發(fā)展，導(dǎo)致工作面前方煤層頂板沿傾向中部集中破壞增多。而工作面后方新采空區(qū)頂板20 m 范圍內(nèi)破裂現(xiàn)象較為集中，這一現(xiàn)象是由新采空區(qū)端部集中剪切應(yīng)力造成的。

當(dāng)工作面累積推進20 m 的時候，回風(fēng)巷上部頂板破裂集中程度增加，范圍保持穩(wěn)定；工作面前方50 m 處煤層頂板破裂現(xiàn)象大量增加，分布高度在40 m 左右，且工作面后方新采空區(qū)頂板45 m 高度內(nèi)破裂現(xiàn)象集中，表明此時間段新采空區(qū)頂板45 m范圍內(nèi)巖層發(fā)生了較大破斷現(xiàn)象，并產(chǎn)生了大范圍垮落，同時采空區(qū)覆巖破壞在進一步發(fā)展；回風(fēng)巷上部頂板破壞程度明顯增加；導(dǎo)致工作面前方60 m處煤層頂板破壞進一步加劇，使得工作面超前支撐壓力影響范圍集中在工作面前方60 m 內(nèi)，且隨著工作面的推進不斷向更前方發(fā)展。由覆巖活動特征可判定此時為1 次工作面周期來壓。

通過對采動過程中微震事件分布情況及上覆巖層破裂特征的分析，可得到該工作面在回采期間周期來壓步距在20 m 左右，采動過程中形成的覆巖裂隙帶高度約45 m，卸壓瓦斯匯聚于此形成覆巖瓦斯富集區(qū)，因此可根據(jù)覆巖裂隙帶高度對高抽巷的層位進行優(yōu)化設(shè)計以及根據(jù)工作面前方煤層頂板破裂范圍確定超前支護范圍。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 高抽巷合理層位的設(shè)計

該礦為煤與瓦斯突出礦井，為了降低工作面瓦斯?jié)舛?，避免瓦斯超限現(xiàn)象的產(chǎn)生，對采空區(qū)瓦斯進行抽放勢在必行，因此必須設(shè)立高抽巷針對該礦井的瓦斯進行抽放。然而高抽巷布置層位的合理性直接影響到了瓦斯的抽放效果，如果高抽巷布置高度太低，在采動過程中可能會因為頂板的垮落而與采空區(qū)接通，造成漏風(fēng)現(xiàn)象，影響瓦斯抽放效果；如果布置太高，則會因為巖層裂隙欠發(fā)育，瓦斯流動不暢，導(dǎo)致抽放效果不佳[15-16]。所以為了保證瓦斯抽放的效果，進行高抽巷合理層位選擇時，應(yīng)該選擇瓦斯富集區(qū)并且在工作面回采工作后不會很快被破壞的區(qū)域。綜上，垮落帶上部裂隙帶中下部區(qū)域為高抽巷合理層位的最佳選擇。根據(jù)微震監(jiān)測結(jié)果的分析得到斷裂帶高度約45 m 左右,結(jié)合上述對高抽巷合理層位的描述，確定高抽巷的合理層位應(yīng)在距離煤層頂板38 m 左右高度。

4.2 高抽巷合理層位驗證

4.2.1 高抽巷合理層位的范圍

根據(jù)文獻[17-18]中高抽巷合理層位的計算公式對上述高抽巷合理層位的預(yù)測結(jié)果進行檢驗，其計算公式如下：

式中：Hm為高抽巷層位高度，m；Hz為跨落帶高度，m；Ht為斷裂帶高度，m。

4.2.2 裂隙發(fā)育帶的理論范圍

跨落帶的理論高度Hm計算公式如下：

式中：h 為采高，取4.5 m；k 為垮落巖石的平均碎脹系數(shù)，取1.3；α 為煤層平均傾角，取9°。

斷裂帶理論高度計算公式如下：

式中：a、b、c 為待定常數(shù)。

根據(jù)煤礦設(shè)計規(guī)范確定待定常數(shù)，a、b、c 待定常數(shù)取值見表1。

表1 a、b、c 待定常數(shù)取值表

根據(jù)該工作面實際情況，采高取4.5 m，垮落巖石的平均碎脹系數(shù)為1.3，煤層平均傾角為9°，煤層上覆巖層以中硬巖石為主。將該工作面的各項參數(shù)代入式（2）、式（3）中計算可知：垮落帶的理論高度Hm=15.2 m，斷裂帶理論高度范圍Ht=36.1～47.3 m。將計算結(jié)果代入式（1）可知高抽巷的理論層位應(yīng)布置在15.2～47.3 m 范圍之內(nèi)。顯然此理論范圍過大，根據(jù)4.1 節(jié)中對高抽巷合理層位布置原則的總結(jié)，重新確定其合理層位的理論范圍為36.1～47.3 m。

由此可知，根據(jù)對微震監(jiān)測結(jié)果分析得到的采動斷裂帶高度位于理論范圍之內(nèi)，對高抽巷合理層位的設(shè)計也位于理論范圍之內(nèi)，并符合高抽巷的布置原則。表明微震探測采空區(qū)覆巖破裂特征是可靠的。

5 結(jié) 論

1）通過對采動過程中微震事件的分布情況及變化趨勢分析得到了采空區(qū)覆巖的破裂特征：工作面在回采期間周期來壓步距約20 m，采動裂隙帶高度約45 m。

2）根據(jù)理論計算，得到裂隙帶高度范圍為36.1～47.3 m,結(jié)合高抽巷層位的布置原則，得到高抽巷的層位（理論值）在36.1～47.3 m 之間。

3)根據(jù)微震監(jiān)測結(jié)果分析得到的采動裂隙帶高度結(jié)合高抽巷合理層位的布置原則，對高抽巷的布置層位進行設(shè)計，得到其合理層位應(yīng)在距離煤層頂板38 m 左右位置，并通過理論計算對其進行驗證。結(jié)果表明微震探測采空區(qū)覆巖破裂特征是可靠的。