長平煤業(yè)5302 綜放工作面頂板巖層移動規(guī)律研究

王飆

（山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)鄂托克前旗恒源投資實(shí)業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000）

一、工作面概況

（一）工作面概況及位置

長平井田5302綜放工作面位于3#煤一水平五盤區(qū)南翼，為五盤區(qū)的首采工作面；地面標(biāo)高979－1170m，煤層底板標(biāo)高412－480m，工作面走向長度 1509.17m（幫—停），傾斜長度295.00m（幫—幫），煤層平均厚度5.64m；該工作面在1066m 處布置有第二切眼，長101.5m；工作面東部為5301 工作面（尚未布置），西部為5303 工作面（正在布置），北部為五盤區(qū)大巷，南部為西玨山廟保護(hù)煤柱。

圖1 首采面巷道布置圖

首采面共布置6 條順槽巷道，其中西面布置Ш53022 巷、Ш5302 底抽2 巷和Ш53023 巷，東面布置了Ш53021 巷、Ш5302 底抽1 巷和五盤區(qū)泄水巷，Ш53022巷、Ш5302 底抽2 巷是回風(fēng)巷，Ш53023 巷是輔助運(yùn)輸巷和進(jìn)風(fēng)巷，東面三條巷道均為進(jìn)風(fēng)巷，Ш53021 巷是皮帶運(yùn)輸巷。Ш53022 巷和Ш5302 底抽2 巷之間煤柱(中-中)25m，Ш5302 底抽2 巷和Ш53023 巷之間煤柱(中-中)35m，Ш53021 巷和Ш5302 底抽1 巷之間煤柱(中-中)25m，Ш5302 底抽1 巷和五盤區(qū)泄水巷之間煤柱(中-中)35m。工作面切眼南側(cè)布置有底抽巷和泄水巷，煤柱大小和順槽之間的相同。

（二）地質(zhì)構(gòu)造

5302 工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，具體情況如表1 所示。（1）工作面回采至529m 處，采面內(nèi)揭露SX99 陷落柱（DX72），回采至580m 處采面內(nèi)過完，該陷落柱在采面內(nèi)影響80m，推進(jìn)方向影響51m。

二、頂板巖層移動規(guī)律研究

（一）微震監(jiān)測設(shè)備布置方案

根據(jù)礦井采掘情況長平煤業(yè)需布置一套16 通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，包括10 個(gè)拾震器和6 個(gè)探頭。為實(shí)現(xiàn)最好的監(jiān)測效果，同時(shí)減少后期傳感器的挪移頻繁程度，故方案設(shè)計(jì)將傳感器均布置在53022、53023 兩巷橫川內(nèi)和53021 巷、五盤區(qū)南翼泄水巷兩巷橫川內(nèi)；傳感器全部采用拾震器進(jìn)行監(jiān)測，拾震器間距500m 左右，此方案可以保證對5302工作面全面包圍覆蓋，在5302工作面回采期間無需進(jìn)行傳感器的挪移。具體布置方式如圖2 所示。

圖2 微震設(shè)備布置方案

（二）工作面微震活動分析

長平礦5302 工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)自2019 年8 月31 日投入運(yùn)行，至2019 年12月20 日共監(jiān)測到微震事件1642 個(gè)，各能量級微震事件統(tǒng)計(jì)如圖3-2 所示。微震事件主要以102J 能級以下的微震事件為主（占微震事件總數(shù)的92.51%），共發(fā)生了113 個(gè)103J 微震事件和10 個(gè)104J 高能微震事件。

1.微震事件分布分析

由于5302 工作面初采期間沿煤層頂板布置，在推進(jìn)至10m 后工作面落底，直至機(jī)頭推進(jìn)30m、機(jī)尾推進(jìn)50m 工作面沿底回采，而后遇構(gòu)造向下找煤，因此將工作面回采分為五個(gè)階段，①第一階段為工作面推進(jìn)前10m 的沿頂推進(jìn)階段，②第二階段為工作面由10m 推進(jìn)至機(jī)頭30m、機(jī)尾50m 的臥底過渡階段，③第三階段為工作面沿底板推進(jìn)階段，④第四階段工作面遇斷層構(gòu)造，工作面俯采向下找煤，⑤第五階段為工作面正?；夭呻A段。

圖3 和圖4 分別為不同時(shí)期5302 工作面微震事件平面圖和走向剖面圖，由圖中可見，如圖3（a）和圖4（b）在工作面回采初期圖由于工作面采空面積較小，工作面附近區(qū)域的微震事件較少，而SX82 陷落柱附近區(qū)域存在明顯的微震事件集中現(xiàn)象，在9 月29 日之后SX82 陷落柱附近區(qū)域微震事件集中現(xiàn)象消失，表明9 月29 日之后陷落柱活化運(yùn)動停止。如圖4 在回采初期，高能微震事件的發(fā)生高度為頂板以上40m，其后隨著工作面的不斷推采，采空區(qū)面積的變大，微震事件逐步發(fā)育至煤層頂板以上60m 位置，沒有進(jìn)一步向上發(fā)育。根據(jù)微震事件的平面和剖面分布圖可見，在工作面附近區(qū)域的微震事件的發(fā)生主要是由于工作面的回采擾動而產(chǎn)生，因此微震事件發(fā)生的位置相對集中（尤其是103J 以上微震事件）；而陷落柱和向斜構(gòu)造的影響范圍大，因此微震事件在這兩個(gè)區(qū)域的分布相對分散。

圖3 微震事件平面圖

圖4 微震事件走向剖面圖

隨著工作面兩側(cè)進(jìn)尺的偏差不同，微震事件的分布也隨之變動。8 月31 日至10月1 日，53023 巷進(jìn)尺快于53021 巷，微震事件主要分布在53023 巷一側(cè)；10 月2 日至10 月12 日，53021 巷進(jìn)尺快于53023 巷，微震事件向工作面中部集中；10 月13日至11 月2 日，53023 巷進(jìn)尺快于53021 巷，微震事件再次集中在53023 巷一側(cè)；（4）11 月3 日至11 月19 日，兩條巷道的進(jìn)尺偏差較小區(qū)域平穩(wěn)，微震事件在工作面兩側(cè)均有分布；11 月20 日至11 月23 日，53023 巷進(jìn)尺快于53021 巷，微震事件又集中至53023 巷側(cè)；11 月24 日至11 月30，53021 巷的進(jìn)尺提升明顯，導(dǎo)致微震事件（尤其是103J 微震事件）向53021 巷側(cè)集中。并且從12 月1 日至12 月20 日，微震事件最新的分布變化可見，工作面兩側(cè)的回采速度差仍是影響微震事件分布的主要因素，受兩側(cè)不均勻推采的影響103J 以上微震事件主要集中在工作面兩側(cè)（在兩側(cè)推采速度差較小時(shí)，103J 微震事件會出現(xiàn)在工作面中部區(qū)域）。

圖5 為距離工作面不同位置微震事件頻次分布圖和能量分布圖，由圖中可見微震事件峰值位于工作面前方140m-160m 范圍內(nèi)，微震事件能量主要集中在工作面前方120m-160m 內(nèi)釋放，因此工作面前方120m 至160m 區(qū)域?yàn)槊簬r體劇烈破裂的區(qū)域。

圖6 為基準(zhǔn)傾向方向微震事件頻次和能量分布圖。由圖中可見，微震頻次峰值位于53203 巷道向工作面內(nèi)部20m 處（60m 處為第二峰值處），并且此處的微震事件能量釋放也相對集中。同時(shí)在53021 巷處（320m 位置）也存在一能量峰值，因此處微震事件數(shù)量相對較少，可知該處微震事件多為大能量事件。

圖5 距離工作面不同位置微震事件頻次分布圖（走向）

圖6 傾向方向微震事件分布統(tǒng)計(jì)圖

圖3-9 微震事件能量頻次圖Fig.3-9 Micro-seismic event energy frequency diagram

圖3-10 微震事件頻次與推進(jìn)度關(guān)系圖Fig.3-10 Relationship between the frequency of microseismic events and propulsion

圖3-11 微震事件能量與推進(jìn)度關(guān)系圖Fig.3-11 Relationship between energy and propulsion of microseismic events

2.微震活動時(shí)序分析

為了分析工作面回采工作面對微震事件發(fā)生的影響，選取切眼前方350m 范圍內(nèi)的微震事件進(jìn)行分析（該區(qū)域內(nèi)共發(fā)生微震事件995 個(gè)），圖3-9～圖3-11 分別是微震事件能量、頻次和推進(jìn)度關(guān)系圖。在10 月19 日之前由于微震事件數(shù)據(jù)量較少，因此，三個(gè)因素之間沒有明顯的規(guī)律。

10 月25 日至11 月10 日，微震頻次與工作面的推采強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，隨后相關(guān)性大幅減弱，可能是由于之后S3 號拾震器數(shù)據(jù)傳輸故障，導(dǎo)致一些能量較小的微震事件無法接收和有效定位。

在11 月15 日、25 日和30 日周期來壓時(shí)期，微震事件能量存在三個(gè)明顯的峰值，二者吻合度較高。因此在12 月4 日和12 月10 日分別出現(xiàn)的微震能量峰值可推測為此時(shí)工作面周期來壓。

3.大能量微震事件分布分析

截止2019 年12 月20 日5302 工作面103J 以上微震事件分析可見，在工作面當(dāng)前開采可能影響區(qū)域區(qū)域（圖中紅色框）微震事件主要集中在工作面兩側(cè)的頂?shù)装鍍?nèi)，工作面中部區(qū)域微震事件明顯少于工作面兩側(cè)區(qū)域。由于該區(qū)域并未存在異常地質(zhì)構(gòu)造，因此分析認(rèn)為造成此種現(xiàn)象的原因主要有以下兩個(gè)：一是工作面機(jī)頭和機(jī)尾推進(jìn)速度差較大，導(dǎo)致工作面兩側(cè)區(qū)域煤巖體破裂極不均勻。二是工作面中部的底抽巷影響了工作面的應(yīng)力分布狀態(tài)，使得工作面中部的應(yīng)力向兩側(cè)轉(zhuǎn)移。

由以上分析可以看出，長平礦5302 工作面微震事件具有以下特征：

（1）陷落柱、向斜等構(gòu)造是影響長平礦5302 工作面微震事件發(fā)生的主要因素，構(gòu)造因素影響范圍廣，會存在一個(gè)活化-穩(wěn)定-活化-再穩(wěn)定的，循環(huán)運(yùn)動過程。

（2）工作面回采對微震事件的發(fā)生影響范圍較小，微震事件的位置相對集中。

（3）5302 工作面兩側(cè)回采進(jìn)尺的不同，對微震事件的分布影響較大，為避免某些巖層的突然、大面積破裂應(yīng)降低兩側(cè)的速度差。

（4）微震事件的發(fā)生在工作面回采正常時(shí)通工作面的推采速度存在一定的相關(guān)性。

（5）工作面前方120m 至160m 區(qū)域?yàn)槊簬r體劇烈破裂的區(qū)域。

4.微震事件與工作面來壓的相互關(guān)系

根據(jù)微震事件分析結(jié)論，微震事件峰值發(fā)生在9 月24 日、10 月2 日、10 月8 日、10 月19 日、11 月2 日、11 月19 日、11 月25 日、11 月30 日，對應(yīng)以上時(shí)間內(nèi)工作面礦壓情況如表2 所示。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，微震事件峰值時(shí)間與工作面來壓時(shí)間完全一致，僅有個(gè)別震源距來壓范圍較遠(yuǎn)，但由于震源層位較高，普遍在40m以上，該位置頂板活動影響范圍較大，與來壓位置較遠(yuǎn)亦屬正?，F(xiàn)象。

三、小結(jié)

本文通過微震監(jiān)測系統(tǒng)對工作面頂板巖層移動規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測，基于工作面推進(jìn)過程，將工作面回采分為五個(gè)階段，第一階段為工作面推進(jìn)前10m 的沿頂推進(jìn)階段；第二階段為工作面由10m 推進(jìn)至機(jī)頭30m、機(jī)尾50m 的臥底過渡階段；第三階段為工作面沿底板推進(jìn)階段；第四階段工作面遇斷層構(gòu)造，工作面俯采向下找煤；第五階段為工作面正常回采階段。主要得到以下結(jié)論：

1.在回采初期，高能微震事件的發(fā)生高度為頂板以上40m，其后隨著工作面的不斷推采，采空區(qū)面積的變大，微震事件逐步發(fā)育至煤層頂板以上60m 位置，沒有進(jìn)一步向上發(fā)育。

2.根據(jù)微震事件的平面和剖面分布圖得出，工作面的回采擾動對微震事件的影響較大，因此微震事件發(fā)生的位置相對集中（尤其是103J 以上微震事件）；其次，陷落柱和向斜構(gòu)造的影響范圍大，因此微震事件在這兩個(gè)區(qū)域的分布相對分散。

3.通過微震事件頻次分布圖和能量分布圖，由圖中可見微震事件峰值位于工作面前方140m-160m 范圍內(nèi)，微震事件能量主要集中在工作面前方120m-160m 內(nèi)釋放，因此工作面前方120m 至160m 區(qū)域?yàn)槊簬r體劇烈破裂的區(qū)域。

4.根據(jù)微震頻次與工作面的推采強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的相關(guān)性，并且通過微震能量峰值可推測工作面周期來壓的時(shí)間。