高瓦斯煤層覆巖空間破裂微震探測(cè)及應(yīng)用

李文福，賈 佳，徐文杰，吳志強(qiáng)

(安陽鑫龍煤業(yè)主焦煤礦，河南 安陽 455141)

瓦斯災(zāi)害是煤礦安全生產(chǎn)的“第一殺手”[1]，為了保障高瓦斯礦井安全可持續(xù)生產(chǎn)，就必須對(duì)瓦斯氣體進(jìn)行治理，防患于未然。而礦井在開采過程中，由于原始地應(yīng)力遭到破壞，導(dǎo)致煤巖體發(fā)生破壞、斷裂等現(xiàn)象，從而引起應(yīng)力的重新分配，在這個(gè)過程中積累在煤層中的瓦斯氣體被大量釋放出來，并通過煤巖體應(yīng)力重新分配過程中形成的大量裂隙升浮擴(kuò)散至采動(dòng)裂隙帶中，形成瓦斯積聚現(xiàn)象，從而造成瓦斯隱患[2-5]。針對(duì)卸壓瓦斯的抽采，學(xué)者們進(jìn)行了大量有價(jià)值的研究及實(shí)踐[6-19]。雖然巷道法、鉆孔法和綜合抽采法是最為常見的卸壓瓦斯抽采方法，但是采用巷道法治理瓦斯時(shí)存在較多問題，無論巖石巷道還是煤層巷道在掘進(jìn)過程中都需要大量資金和人力物力的投入，且巷道法也存在瓦斯治理效率低的問題，而采用鉆孔法則可大大節(jié)省瓦斯治理成本，提高瓦斯治理效果。為了解決主焦煤礦瓦斯隱患，采用微震探測(cè)技術(shù)對(duì)工作面回采過程中的覆巖活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，并通過對(duì)微震事件分析得到采動(dòng)裂隙帶范圍，進(jìn)而得到高位瓦斯富集區(qū)，并據(jù)此對(duì)高位瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工作面概況及鉆場(chǎng)布置范圍計(jì)算

1.1 工作面概況

安陽主焦煤礦2308工作面是23采區(qū)北翼最下部的工作面，東部為23采區(qū)邊界，西部為23采區(qū)設(shè)計(jì)2306工作面(尚未掘進(jìn))，南部為23采區(qū)軌道、皮帶、回風(fēng)三條下山，北部為西保障村莊保護(hù)煤柱，井下標(biāo)高為-401.41～-466.485m。該工作面上巷長(zhǎng)686m，下巷長(zhǎng)671.6m，切眼長(zhǎng)140.3m，可采平面積約78281.5m2。煤層平均傾角14°，平均厚度5.67m，采高2.2m。根據(jù)2018年瓦斯等級(jí)鑒定主焦煤礦屬高瓦斯礦井。

1.2 冒落帶和斷裂帶高度計(jì)算

由文獻(xiàn)[20，21]可知：冒落帶和斷裂帶的計(jì)算公式如下所示：

式中，H1為冒落帶高度，m；H2為斷裂帶高度，m；h為采高，m；k為垮落巖石的平均碎脹系數(shù)；α為煤層傾角，(°)；a，b，c分別為待定常數(shù)。

待定常數(shù)a，b，c的取值見表1。

表1 a，b，c取值

1.3 鉆孔垂距合理范圍

根據(jù)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的大量閱讀，學(xué)者們認(rèn)為高位鉆孔垂距應(yīng)當(dāng)滿足如下公式：

H1

(3)

式中，H為高位鉆孔的垂距，m；H2為斷裂帶高度，m。

根據(jù)主焦煤礦2308工作面的基本情況可知，該工作面采高為2.2m，冒落帶巖石平均碎脹系數(shù)為1.3，煤層傾角為14°，煤層覆巖主要以中硬巖石為主。因此將已有參數(shù)代入上述公式可得：冒落帶高度為7.6m，裂隙帶高度為25.3～36.5m，因此高位鉆孔垂距最合理的范圍為：7.6m

2 微震監(jiān)測(cè)方案及微震事件分析

2.1 微震監(jiān)測(cè)方案

主焦煤礦2308工作面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由主機(jī)系統(tǒng)、傳感器和采集儀三部分組成，通過對(duì)2308工作面長(zhǎng)度、進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷和采高等基本情況的考察和研究，制定了該工作面微震監(jiān)測(cè)方案。此次微震監(jiān)測(cè)試驗(yàn)主要采用八臺(tái)采集儀，并將其分為兩組，輪流監(jiān)測(cè)并采集數(shù)據(jù)。

此次微震監(jiān)測(cè)試驗(yàn)將在2308工作面進(jìn)風(fēng)巷及回風(fēng)巷分別布置兩臺(tái)采集儀，每臺(tái)采集儀對(duì)應(yīng)兩個(gè)傳感器，兩巷中傳感器超前工作面40m開始布置，每個(gè)傳感器之間的距離為15m。在監(jiān)測(cè)過程當(dāng)中，當(dāng)工作面推進(jìn)30m，即距離傳感器10m的時(shí)候，將兩巷距離工作面最近的采集儀及其對(duì)應(yīng)的兩個(gè)傳感器向后移動(dòng)，且仍保持各個(gè)傳感器的間距為15m，以此循環(huán)直至微震監(jiān)測(cè)活動(dòng)結(jié)束，如圖1所示。

圖1 2308工作面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

2.2 微震事件活動(dòng)規(guī)律分析

通過對(duì)主焦煤礦2308工作面覆巖的微震事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，并利用該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)2308工作面當(dāng)中及周圍微震事件進(jìn)行過濾處理，剔除誤差較大的點(diǎn)，最終發(fā)現(xiàn)該工作面的微震事件主要集中在采空區(qū)、兩巷、煤層及其頂?shù)装?。?jīng)過對(duì)此次微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的全面分析發(fā)現(xiàn)，微震監(jiān)測(cè)過程中共產(chǎn)生四次周期來壓，周期來壓步距大約為14m，為了分析每次周期來壓過程中微震事件的活動(dòng)規(guī)律，選取監(jiān)測(cè)過程中的一次周期來壓數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析。主焦煤礦2308工作面推進(jìn)4m，8m，14m時(shí)的微震事件如圖2—圖4所示。

由圖2可知，當(dāng)主焦煤礦2308工作面累積推進(jìn)4m的時(shí)候，采空區(qū)頂板出現(xiàn)較多微震事件，分布高度基本集中在10m以內(nèi)，同時(shí)工作面前方煤層頂板也出現(xiàn)了部分微震事件，分布高度在5m以內(nèi)。從微震事件傾向分布圖中可以看出，微震事件基本集中在工作面、采空區(qū)及兩巷上方。

圖2 回采4m時(shí)微震事件分布

圖3 回采8m時(shí)微震事件分布

圖4 回采14m時(shí)微震事件分布

由圖3可知，當(dāng)主焦煤礦2308工作面累積推進(jìn)8m的時(shí)候，采空區(qū)微震事件明顯增多，分布高度基本在20m以內(nèi)，工作面前方煤壁及煤壁頂板也新增了大量的微震事件，部分高度主要集中在15m以內(nèi)，同時(shí)從微震事件的傾向分布圖中可以看到，較圖1相比，工作面、采空區(qū)及兩巷上部微震事件均有增多。

從圖4中微震事件的分布情況可知，當(dāng)主焦煤礦2308工作面累積推進(jìn)8m的時(shí)候，微震事件急劇增加，從微震事件分布走向圖可知，采空區(qū)及工作面前方煤壁微震事件大幅度增多且向上發(fā)展，最終微震事件發(fā)育高度可達(dá)到38m左右，從微震事件的傾向分布圖中可知，兩巷上方微震事件以直線增長(zhǎng)的形式向上方延伸至38m處。

2.3 上覆巖層活動(dòng)規(guī)律分析

根據(jù)對(duì)上述微震事件分布特征的分析可知，當(dāng)工作面累積推進(jìn)4m的時(shí)候，采空區(qū)出現(xiàn)部分微震事件且向上部衍生10m左右，表明采空區(qū)頂板出現(xiàn)部分?jǐn)嗔哑茐默F(xiàn)象，但是沒有出現(xiàn)大面積破壞，工作面前方煤層也出現(xiàn)也出現(xiàn)也不同程度的破壞現(xiàn)象，而煤層底板只出現(xiàn)了個(gè)別微震事件，表明工作面推進(jìn)4m時(shí)煤層底板基本完好。

當(dāng)2308工作面持續(xù)推進(jìn)8m的時(shí)候，采空區(qū)微震事件持續(xù)增加，且高度衍生至采空區(qū)頂板20m左右位置處，表明此時(shí)的采空區(qū)已經(jīng)出現(xiàn)了較多處的破壞斷裂現(xiàn)象，且破壞不斷向上發(fā)展，而工作面前方煤層及其頂板也出現(xiàn)了大量的新破壞，其高度延伸至煤層頂板10m處。同時(shí)發(fā)現(xiàn)兩巷上部微震事件持續(xù)增多，這是因?yàn)楣ぷ髅婊夭蛇^程中，兩巷處于應(yīng)力集中區(qū)域，在高應(yīng)力作用下導(dǎo)致兩巷上部煤層巖層發(fā)生剪切破壞，進(jìn)而出現(xiàn)大量裂隙。

當(dāng)2308工作面持續(xù)推進(jìn)14m的時(shí)候，整個(gè)2308工作面新增大量微震事件，采空區(qū)、工作面前方煤壁及其頂板出現(xiàn)大面積破壞，且破壞高度直接延伸至上覆巖層38m左右；兩巷處由于裂隙上移且與采空區(qū)頂板離層裂隙相互溝通，最終形成了“裂隙溝通帶”，隨著采面的推進(jìn)，煤層中的原始瓦斯則源源不斷地被解析出來，最終通過“裂隙溝通帶”升浮擴(kuò)散至裂隙帶中，形成瓦斯富集區(qū)。而工作面前方則由于支撐壓力作用使得破壞現(xiàn)象主要集中在80m范圍內(nèi)，且該范圍會(huì)隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)而繼續(xù)向前發(fā)展。從微震事件的分布特征及增加趨勢(shì)明顯可知，此時(shí)2308工作面產(chǎn)生大面積來壓現(xiàn)象，即工作面推進(jìn)14m時(shí)為一個(gè)周期來壓。

綜上可知，主焦煤礦2308工作面煤層開采過程中周期來壓步距為14m左右，采動(dòng)裂隙帶高度在38m左右，礦井開采過程中卸壓瓦斯主要積聚于此，因此可通過上覆巖層裂隙帶的高度及周期來壓步距等對(duì)高位瓦斯抽采鉆孔的布置方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 高位瓦斯抽采鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)及瓦斯抽采效果檢驗(yàn)

3.1 高位瓦斯抽采鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過經(jīng)驗(yàn)公式及微震監(jiān)測(cè)技術(shù)得到裂隙帶的發(fā)育高度及周期來壓步距，并結(jié)合礦井的實(shí)際開采條件及作業(yè)特點(diǎn)等，確定每隔60m設(shè)置一個(gè)高位鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)內(nèi)共設(shè)計(jì)18個(gè)鉆孔，其中6個(gè)鉆孔為一排，共分三排。根據(jù)微震事件的分布特征，設(shè)計(jì)鉆孔距開孔點(diǎn)最大垂距為30m，距回風(fēng)巷里幫最大水平距為30m，鉆孔布置如圖5所示。

當(dāng)5號(hào)鉆場(chǎng)抽采失效后，由6號(hào)鉆場(chǎng)的18個(gè)鉆孔接力抽采，鉆孔交錯(cuò)，以保證鉆孔間互不干擾，立體式抽采采空區(qū)高位瓦斯富集區(qū)的瓦斯。

3.2 瓦斯抽采效果檢驗(yàn)

優(yōu)化后的高位鉆孔施工成功并正常工作后，收集鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后高位鉆孔的瓦斯抽采效果顯著，由于篇幅所限，選取較典型鉆孔的瓦斯抽采數(shù)據(jù)和鉆孔優(yōu)化前的瓦斯抽采情況進(jìn)行對(duì)比分析，以達(dá)到檢驗(yàn)瓦斯抽采效果的目的。優(yōu)化后的高位鉆孔開始運(yùn)行一個(gè)月內(nèi)的瓦斯抽采情況如圖6所示。

圖5 高位鉆場(chǎng)布置方案

圖6 高位鉆孔瓦斯抽采情況

由圖6可知，所選鉆孔的瓦斯抽采量為4.98～18.31m3/min，優(yōu)化前鉆孔的瓦斯抽采量為1.08～10.29m3/min，平均瓦斯抽采量提升了162%；所選鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)在15.37%～26.27%之間，優(yōu)化前鉆孔的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為2.19%～14.72%，平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提升了210%。由此可知，優(yōu)化后高位鉆孔的瓦斯抽采效果明顯提升，表明以微震監(jiān)測(cè)技術(shù)探測(cè)覆巖瓦斯富集區(qū)是可靠的。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)理論計(jì)算，得到了冒落帶高度約為7.6m，裂隙帶高度為25.3～36.5m，據(jù)此得到高位瓦斯抽采鉆孔垂距的最佳范圍為7.6～36.5m。

2)利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)手段，對(duì)工作面回采過程中上覆巖層的破壞斷裂現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，得到了大量與覆巖破壞活動(dòng)相對(duì)應(yīng)的微震事件，通過分析，發(fā)現(xiàn)采動(dòng)裂隙帶高度在38m左右，周期來壓步距在14m左右。

3)結(jié)合理論計(jì)算及微震監(jiān)測(cè)試驗(yàn)所得到的結(jié)果，對(duì)高位瓦斯抽采鉆孔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)優(yōu)化后鉆孔的瓦斯抽采效果進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)瓦斯抽采量提升了162%，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提升了210%，表明了微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的可靠性。