基于微震系統(tǒng)孤島工作面初次來壓及周期來壓步距研究

梁東輝，李興建，劉廣堯

（濟寧市金橋煤礦 ，山東 濟寧 272200）

0 前 言

近年來井工煤礦受村莊壓煤搬遷影響，多選擇進行條帶開采，導致孤島工作面數(shù)量逐步增加，受采空區(qū)、遺留煤柱等因素影響，加之開采強度的不斷增加，在動載、靜載的綜合作用下，煤巖體應(yīng)力集中程度越來越高，強烈礦壓顯現(xiàn)次數(shù)日趨頻繁，嚴重威脅礦井安全生產(chǎn)。特別是在工作面初次來壓、周期來壓期間，工作面頂板壓力和頂板下沉比平時大30%～40%[1]，微震事件能量、頻次成倍增加，極易發(fā)生沖擊地壓，因此開展綜放工作面初次來壓、周期來壓步距的研究迫在眉睫，掌握周期來壓規(guī)律可使沖擊地壓防治工作更有針對性、時效性。

1 工作面概況

金橋煤礦1304 工作面位于一采區(qū)北翼，設(shè)計為分層開采，前期受地面村莊壓煤影響，一采區(qū)北翼上分層采用條帶式開采，1304 工作面位于一采區(qū)北翼下分層，設(shè)計為 “刀把” 型工作，切眼長度為84.3/151.2m，回采工藝為綜放開采，1304 工作面上方為 1304上采空區(qū)，東側(cè)為 1302下采空區(qū)（2014 年回采完畢）和1302 上采空區(qū)（2010 年回采完畢），西側(cè)為1316上采空區(qū)，形成一個孤島工作面。

圖1 1304 工作面平面位置示意圖

圖2 1304 工作面剖面位置示意圖

2 初次來壓、周期來壓步距計算

1304 工作面回采初期，未到初次來壓時，隨著工作面推采，老頂未垮落，由切眼煤柱及工作面煤壁支撐，形成固支梁結(jié)構(gòu)，當工作面繼續(xù)推進，老頂斷裂垮落，斷裂時的極限跨距即為工作面初次來壓步距[2]。根據(jù)理論經(jīng)驗，因彎矩形成的極限跨距即為工作面初次來壓步距。

式中：L 為極限垮落跨距，m；h 為老頂厚度，m；RT為抗拉強度，MPa；q 為老頂巖層所承受載荷，MPa。

結(jié)合1304 工作面頂板運動規(guī)律，根據(jù)現(xiàn)場工作面頂?shù)装鍘r性資料分析推算：當允許巖層冒落運動的空間高度Si（自身厚度與下部空間之和）大于或等于其冒落充填厚度KAmi 時，則第i 層冒落，逐層向上推斷，直至（Si＜KAmi）不冒為止[3]，其中，KA 為直接頂巖層的碎脹系數(shù)，一般取1.25～1.5，這里取1.35，mi 為第i 層巖層厚度，m;Si 為允許第i 層冒落運動空間，m。

依據(jù)表1，從下到上的順序直到第5 層，因KAm5＞S5，故第5 巖層不冒落，由此可得出1304 工作面上覆第5 層粉砂巖為老頂，厚度為8.16m，所以h=8.16m。

根據(jù)金橋煤礦3# 煤層頂板沖擊傾向性鑒定，一采區(qū)巖樣測試結(jié)果如表 2 所示， 抗拉強度為3.64MPa。

老頂巖層承受的載荷一般主要來自老頂本身載荷的影響，老頂上方巖層由于本身強度較大，對老頂載荷基本不起作用， 因此 q=q1=r1h1=25 ×8.16=204kMPa=0.2MPa

將數(shù)值代入公式（1）：

況下，采煤工作面老頂初次來壓步距和老頂初次斷裂的極限垮落跨距相當，故1304 工作面初次來壓步距在49.2m 左右；另外周期來壓步距一般為老頂極限垮落跨距的0.25～0.5 倍[4]，故1304 工作面周期來壓步距在12.3～24.6m 之間。

表1 1304 工作面頂板巖性參數(shù)表

表2 金橋煤礦一采區(qū)巖樣測試結(jié)果表

3 基于微震系統(tǒng)初次來壓、周期來壓研究

3.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

微震監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對礦井包括沖擊地壓在內(nèi)的礦震信號進行遠距離、實時、動態(tài)、自動監(jiān)測，給出沖擊地壓等礦震信號的完全波形，通過分析研究，可準確計算出震動及沖擊地壓發(fā)生的時間、能量及空間三維坐標，確定出每次震動的震動類型，判斷出沖擊地發(fā)生力源，并且能分析出礦井上覆巖層的斷裂信息，實現(xiàn)描述空間巖層結(jié)構(gòu)運動和應(yīng)力場的遷移演化規(guī)律[5]。

初次來壓、周期來壓期間，老頂斷裂垮落，誘發(fā)大能量微震事件，因此通過發(fā)生的微震事件進行反推，可掌握上覆巖層斷裂的信息，進而可確定工作面初次來壓、周期來壓的時間及步距。

3.2 1304 工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)布置

1304 工作面回采期間在軌道順槽、皮帶順槽各布置2 個微震傳感器，間距150m，工作面共計安裝4個微震傳感器，呈“菱形”布置，微震傳感器隨著工作面推進前移，具體布置如圖3 所示。

圖3 1304 工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)布置圖

3.3 1304 工作面微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

1304 工作面自2 月28 日開始推采，截至10 月31 日累計推進555.1m，本文主要對2 月28 日至10月31 日之間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，初次來壓、周期來壓期間老頂折斷或垮落引發(fā)礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，因此初次來壓、周期來壓期間受老頂斷裂影響，微震事件頻次、能量較正常推采期間明顯增加，微震事件頻次、能量基本位于臨近幾日的峰值[6]，由圖4 工作面微震事件、能量走勢圖，可初步確定工作面周期來壓發(fā)生的時間，其中“CK”表示初次放頂，“CL”表示初次來壓，“ZL”表示周期來壓，并且結(jié)合工作面推進度，可確定初次來壓、周期來壓步距。

圖4 1304 工作面微震事件頻次、能量走勢圖

由表 3 可知，2 月 28 日至 10 月 31 日 1304 工作面共經(jīng)歷38 次周期來壓，周期來壓步距平均值為13.2m，初次來壓步距為44.9m。

表3 1304 工作面初次來壓、周期來壓統(tǒng)計表

4 總 結(jié)

1）根究固支梁理論計算老頂斷裂的極限跨距為49.2m， 因此確定 1304 工作面初次來壓步距為49.2m，周期來壓步距在12.3～24.6m 之間；根據(jù)微震監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，確定1304 工作面初次來壓步距為44.9m，周期來壓步距為13.2m。二者得出的數(shù)據(jù)基本吻合，因此可以通過微震監(jiān)測系統(tǒng)確定工作面的初次來壓、周期來壓時間及步距。

2）1304 工作面為“刀把”型工作面，切眼對接前周期來壓步距平均值為13.5m，切眼對接后周期來壓步距平均值為13.2m，二者相差不大，因此工作面寬度的變化對老頂斷裂、垮落影響不大，因此初步確定工作面寬度對周期來壓步距影響較小。

3）通過微震監(jiān)測系統(tǒng)確定周期來壓步距，可提前采取相應(yīng)的防沖措施，提高了防沖管理水平，降低了老頂垮落誘發(fā)沖擊地壓的風險。

4）利用微震監(jiān)測系統(tǒng)確定回采工作面初次來壓、周期來壓時間、步距可推廣應(yīng)用至所有安設(shè)微震監(jiān)測系統(tǒng)的沖擊地壓礦井，該方法確定初次來壓、周期來壓簡單、準確，可切實提高礦井頂板管理、沖擊地壓防治水平。