基于微震監(jiān)測的近直立特厚煤層沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分

劉旭東，張玉良，田向輝

(1.神華新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830084；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

沖擊地壓是一種復(fù)雜的礦山動(dòng)力現(xiàn)象，影響沖擊地壓危險(xiǎn)性的因素復(fù)雜多樣，不同的礦井成因和特征不同，同一礦井受地質(zhì)構(gòu)造、開采條件和開采方法的差異，也使得沖擊地壓的成因、性質(zhì)、特征和破壞程度不同[1-3]。對沖擊地壓評估和危險(xiǎn)區(qū)域劃分方法有動(dòng)態(tài)權(quán)重法、地質(zhì)動(dòng)力區(qū)劃法[4，5]、數(shù)量化理論[6]、綜合指數(shù)法[7]、現(xiàn)場實(shí)測法等。由于烏東煤礦南區(qū)近直立煤層賦存條件和開采條件相對特殊，沖擊地壓評估和危險(xiǎn)區(qū)域劃分尚未形成成熟有效的方法。根據(jù)沖擊地壓主要致災(zāi)因素，依據(jù)近直立特厚煤層的同一煤層地質(zhì)賦存條件和開采技術(shù)條件相同的特點(diǎn)[8，9]，以上分層煤層開采期間的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)作為下分層沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域劃分依據(jù)，對開采煤層沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行評估和初步劃分。

1 礦井概況

神華新疆能源有限責(zé)任公司烏東煤礦南區(qū)井田位于準(zhǔn)南煤田東南段，八道灣向斜南翼，為一單斜構(gòu)造，煤巖層走向自西向東N58°～60°，傾向西北，傾角平均87°。井田含煤地層為西山窯組，含煤32層，編號B1-B32，現(xiàn)主采B1+2和B3+6組合煤層，其中B1+2煤層平均厚度37.45m，B3+6煤層平均厚度48.87m，屬近直立特厚煤層。根據(jù)煤層賦存條件，巷道沿煤層頂?shù)装宀贾?，采用“錨桿+錨索”聯(lián)合支護(hù)形式，采煤方法為水平分層綜采放頂煤開采方法，階段高度25m，采煤機(jī)切割高度3m，放頂高度22m，采放比1∶7.33，烏東煤礦南區(qū)工作面分布如圖1所示。烏東煤礦南區(qū)開采+500水平期間，采深在300m左右，出現(xiàn)輕度沖擊地壓現(xiàn)象，導(dǎo)致巷道破壞和設(shè)備損壞。隨著采深的增加，沖擊地壓顯現(xiàn)越發(fā)明顯。

圖1 烏東煤礦南區(qū)工作面分布示意圖

2 沖擊地壓致災(zāi)因素分析

通過前期地質(zhì)資料收集分析、現(xiàn)場地應(yīng)力測試及相關(guān)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析，烏東煤礦沖擊地壓主要致災(zāi)因素可總結(jié)為如下3種：①地質(zhì)構(gòu)造因素，烏東煤礦南區(qū)位于博格達(dá)山北麓弧形擠壓帶，屬于山前二級構(gòu)造的次級構(gòu)造，區(qū)域內(nèi)的主要構(gòu)造體系呈現(xiàn)北東方向，如七道灣背斜、八道灣向斜、碗窯溝逆沖斷層等，走向在70°～75°，由于褶皺是受博格達(dá)山峰隆起擠壓形成，因此其主要水平應(yīng)力方向與褶皺軸向相垂直，根據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力測試，最大水平應(yīng)力最大為14.31MPa，最小水平主應(yīng)力最大為8.05MPa，以近南北方向水平應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力方向與回采巷道軸線方向夾角大于70°，較高的構(gòu)造應(yīng)力場容易形成局部應(yīng)力集中，易引起沖擊地壓；②頂?shù)装鍘r體物理力學(xué)性質(zhì)，B1+2和B3+6煤層直接頂為粉砂巖及灰質(zhì)泥巖，直接底為粉砂巖，煤巖物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，頂板巖石彎曲能量指數(shù)為107.36kJ，底板巖石彎曲能量指數(shù)為24.01kJ，根據(jù)GB/T 25217.1—2010規(guī)定，該煤層頂板巖石應(yīng)屬Ⅱ類，具有弱沖擊傾向性；③煤巖層結(jié)構(gòu)，近直立特厚煤巖體賦存條件較為特殊，B1+2煤層和B3+6煤層形成“巖-煤-巖-煤-巖”的組合結(jié)構(gòu)，以粉砂巖為主，屬堅(jiān)硬巖層，容易聚積大量的彈性能，隨著開采深度增加，煤層兩側(cè)的巖體裸露高度增加，在水平構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力的共同影響下，巖體向采空區(qū)滑移和斷裂并作用在煤體上，易發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)現(xiàn)象。

3 基于微震監(jiān)測的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分

基于微震監(jiān)測進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分的實(shí)現(xiàn)可分為四個(gè)階段。第一階段，沖擊地壓防治初期，采用動(dòng)態(tài)權(quán)重評價(jià)方法進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域劃分；第二階段，沖擊地壓防治過程，進(jìn)行微震監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證；第三階段，根據(jù)現(xiàn)場案例分析，確定微震能量特征分類；第四階段，確定不同開采水平微震活動(dòng)規(guī)律及關(guān)系，并利用上述規(guī)律和關(guān)系進(jìn)行基于微震監(jiān)測的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分。

3.1 動(dòng)態(tài)權(quán)重法評價(jià)沖擊危險(xiǎn)

礦井沖擊地壓防治初期，采用動(dòng)態(tài)權(quán)重法進(jìn)行采掘工作面沖擊危險(xiǎn)評價(jià)及危險(xiǎn)區(qū)域劃分。動(dòng)態(tài)權(quán)重評價(jià)法[10]的步驟包括：評價(jià)指標(biāo)的確定、動(dòng)態(tài)權(quán)重的確定、隸屬函數(shù)計(jì)算、計(jì)算模型與結(jié)果分析。其具體實(shí)施步驟如下：

1)指標(biāo)確定。將影響集中動(dòng)載荷和集中靜載荷的因素分為兩種：一類為自然因素，主要包括評價(jià)區(qū)域的地質(zhì)條件及煤層賦存情況；另一類為開采因素，此類指標(biāo)主要由回采過程開采條件組成。

3)隸屬函數(shù)計(jì)算。根據(jù)每個(gè)評價(jià)指標(biāo)的不同特點(diǎn)和實(shí)際情況，分別選用最合適評價(jià)指標(biāo)特點(diǎn)的方法確定評價(jià)指標(biāo)對于ui的隸屬度，構(gòu)成模糊集，也即是評價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)。

4)計(jì)算模型及結(jié)果分析。運(yùn)用多級模糊綜合評價(jià)方法，建立單因素模糊評判矩陣，得到最終評價(jià)結(jié)果。

利用動(dòng)態(tài)權(quán)重法對+500水平?jīng)_擊危險(xiǎn)進(jìn)行了評價(jià)，綜合烏東煤礦南采區(qū)+500水平B3+6采掘工作面的自然因素和開采因素兩方面的評價(jià)結(jié)果，將危險(xiǎn)等級高者作為最終評價(jià)結(jié)果。最終沖擊危險(xiǎn)性評價(jià)等級為三級，中等沖擊危險(xiǎn)。

進(jìn)而劃定主要沖擊危險(xiǎn)區(qū)為超前影響區(qū)域Ⅰ、高階段區(qū)域Ⅱ(1360～1525m)、五一煤礦保護(hù)煤柱區(qū)域Ⅲ(930～1360m)、終采線區(qū)域Ⅳ(110～210m)，+500水平B3+6工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分如圖2所示。

圖2 +500水平B3+6工作面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分

3.2 危險(xiǎn)區(qū)域微震監(jiān)測驗(yàn)證

3.2.1 ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)布置

微震是煤巖體破裂萌生、發(fā)展、貫通等失穩(wěn)過程，并伴有彈性波或應(yīng)力波在周圍巖體快速釋放和傳播的動(dòng)力現(xiàn)象[11]。ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)[12]為集成數(shù)字通信系統(tǒng)(DTSS)，實(shí)現(xiàn)了礦山震動(dòng)定位及震動(dòng)能量計(jì)算。利用拾震器獲得震動(dòng)事件并將其處理為數(shù)字信號，然后由數(shù)字通信系統(tǒng)傳送至地面，ARAMIS M/E 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。系統(tǒng)可以監(jiān)測震動(dòng)能量大于100J、震動(dòng)頻率0～150Hz及動(dòng)態(tài)范圍低于100dB的震動(dòng)事件，定位精度±20m。拾震器的詳細(xì)布置如圖3(b)所示。

圖3 ARAMIS M/E 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及布置

ARAMIS M/E微震監(jiān)測采用微震網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過提供微震震源位置和發(fā)生時(shí)間來確定微震事件，并計(jì)算釋放的能量，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)微震活動(dòng)性的強(qiáng)弱和頻率，并結(jié)合微震事件分布的位置判斷潛在的礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)規(guī)律，通過識(shí)別礦山動(dòng)力災(zāi)害活動(dòng)規(guī)律實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)性評價(jià)和預(yù)警。

3.2.2 微震監(jiān)測驗(yàn)證

通過現(xiàn)場實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，區(qū)域I屬于采動(dòng)影響顯著區(qū)域，多次沖擊發(fā)生在區(qū)域I范圍，高能礦震發(fā)生在區(qū)域Ⅰ的比重也較大，而區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ發(fā)生沖擊顯現(xiàn)的概率最大，礦井幾次較嚴(yán)重的沖擊顯現(xiàn)均發(fā)生在區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ。此外，微震監(jiān)測表明，在區(qū)域Ⅱ和區(qū)域Ⅲ是礦井高能事件頻發(fā)的區(qū)域，高能礦震發(fā)生次數(shù)占整個(gè)工作面高能礦震發(fā)生的80%以上，具有明顯的區(qū)域特征。微震監(jiān)測圍巖活動(dòng)劇烈程度與工作面的沖擊危險(xiǎn)一致性較好，該現(xiàn)象與前期基于動(dòng)態(tài)權(quán)重法劃定的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域較為吻合。從而驗(yàn)證了上述危險(xiǎn)區(qū)域劃分的合理性與準(zhǔn)確性。

3.3 不同水平?jīng)_擊危險(xiǎn)關(guān)系分析

沖擊地壓是相對復(fù)雜的煤巖動(dòng)力災(zāi)害，影響因素復(fù)雜[13]。但從宏觀方面看，地質(zhì)和開采技術(shù)條件是導(dǎo)致沖擊地壓發(fā)生的重要因素[14]，由于近直立特厚煤層成因相對特殊，同一煤層上下水平綜放面地質(zhì)構(gòu)造和開采技術(shù)條件基本相同，因此，上水平各工作面開采過程中監(jiān)測的應(yīng)力集中區(qū)域，可作為本分層開采期間沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的劃分依據(jù)，進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測和治理。

3.3.1 不同水平危險(xiǎn)區(qū)域具有反復(fù)與相似性

+500水平和+475水平B3+6煤層開采期間的各等級微震事件分布如圖4所示，其中深色為+500水平發(fā)生的不同能量等級的微震事件，淺色為+475水平發(fā)生的不同能量等級的微震事件。從圖4可以看出，+500水平出現(xiàn)微震事件的位置，+475水平也出現(xiàn)了微震事件，且微震事件主要分布在800～850m、1050～1100m、1300～1350m、1450～1500m四個(gè)區(qū)域。大能量微震事件的密集出現(xiàn)表明該位置處于應(yīng)力集中區(qū)，煤巖體破裂頻繁，已經(jīng)從微裂隙演化為宏觀破裂，為更大的煤巖體破裂創(chuàng)造了條件，為沖擊地壓易發(fā)區(qū)域。

圖4 +500水平和+475水平B3+6煤層微震事件平面圖

3.3.2 +475水平危險(xiǎn)區(qū)域現(xiàn)場驗(yàn)證

提取+500水平和+475水平B3+6煤層綜放工作面105J及以上能量等級事件。根據(jù)高能量事件的集中分布與沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的關(guān)系，中等沖擊地壓危險(xiǎn)共計(jì)4個(gè)，800～850m、1050～1100m、1300～1350m、1450～1500m，弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域有3個(gè)，1000～1100m、1350～1400m、1450～1550m，其他區(qū)域?yàn)闊o沖擊危險(xiǎn)區(qū)域?；谖⒄鹗录澐值奈ｋU(xiǎn)區(qū)域與采用動(dòng)態(tài)權(quán)重評價(jià)方法劃分的危險(xiǎn)區(qū)域比較吻合，+500水平劃定的沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域，當(dāng)延伸到+475水平后，仍具有類似的規(guī)律。

3.3.3 沖擊危險(xiǎn)微震能量特征分級

根據(jù)烏東煤礦微震監(jiān)測數(shù)據(jù)及圍巖活動(dòng)的歷史統(tǒng)計(jì)分析，將烏東煤礦南采區(qū)沖擊危險(xiǎn)等級共劃分為4個(gè)沖擊危險(xiǎn)等級：①無沖擊危險(xiǎn)，微震能量等級小于105J，有輕微聲響，巷道圍巖未發(fā)生變化；②弱沖擊危險(xiǎn)，微震能量等級105～106J，伴有明顯聲響，巷道圍巖未發(fā)生變化；③中等沖擊危險(xiǎn)，巷道圍巖出現(xiàn)輕度變形，設(shè)備未損害；④強(qiáng)烈沖擊危險(xiǎn)，微震能量等級大于107J，急劇的脆性破壞，形成氣浪，巷道出現(xiàn)破壞，設(shè)備損害。

根據(jù)不同等級微震能量對采掘作業(yè)場所的影響[15]，提出對上分層各綜放面105J及以上能量事件進(jìn)行分級防治，對弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域加強(qiáng)區(qū)域監(jiān)測和預(yù)警，嚴(yán)管解危工程，以防能量等級升級；針對中等及強(qiáng)沖擊地壓危險(xiǎn)區(qū)域，相應(yīng)增加解危工程量，降低開采強(qiáng)度和能量等級。

3.4 基于微震的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分

通過多水平分層分析與大量防沖實(shí)踐驗(yàn)證，根據(jù)一定條件下，不同水平危險(xiǎn)區(qū)域具有重復(fù)性與相似性，可形成基于微震的沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分的基本原則與步驟。以+450水平B3+6煤層綜放面沖擊危險(xiǎn)區(qū)域評估和劃分為例，選擇走向方向800～1600m區(qū)域?yàn)槔M(jìn)行分析。根據(jù)上述原則與步驟，最終將+450水平B3+6煤層劃定4個(gè)中等危險(xiǎn)區(qū)域，分別為：800～850m、1050～1100m、1300～1350m、1450～1500m。

根據(jù)+450水平煤層沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分結(jié)果，進(jìn)行分級防治，可為+450水平B3+6煤層開采沖擊地壓重點(diǎn)、精確管控提供指導(dǎo)，為有針對性地采取沖擊地壓防治措施奠定基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

1)基于微震監(jiān)測進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分可分為四個(gè)階段，分別為：采用動(dòng)態(tài)權(quán)重評價(jià)方法進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域初步劃分；現(xiàn)場微震驗(yàn)證；確定微震能量特征分類；基于微震監(jiān)測進(jìn)行沖擊危險(xiǎn)區(qū)域劃分。

2)基于微震監(jiān)測歷史數(shù)據(jù)及現(xiàn)場圍巖變化情況，將近直立煤層沖擊危險(xiǎn)劃分為4個(gè)等級，并提出基于微震能量特征分級防治的思想。

3)基于近直立特厚煤層不同水平地質(zhì)賦存相似、開采期間危險(xiǎn)區(qū)域分布規(guī)律相似原則，劃定了+450水平B3+6工作面4個(gè)中等沖擊危險(xiǎn)區(qū)域，為B3+6煤層安全開采奠定了基礎(chǔ)。