基于微震監(jiān)測的掘進對巷道圍巖穩(wěn)定性影響規(guī)律*

吳昊,李青鋒,2,3*,朱川曲,2,3,唐佩

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 湘潭 411201;2. 湖南科技大學(xué) 礦業(yè)工程研究院,湖南 湘潭 411201;3.湖南科技大學(xué) 南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點實驗室,湖南 湘潭 411201)

微震監(jiān)測技術(shù)是利用煤巖破裂產(chǎn)生的微震信息來研究煤巖結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的一種實時、動態(tài)、連續(xù)的地球物理監(jiān)測方法[1,2],利用微震監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)檢測技術(shù)結(jié)合定量監(jiān)測圍巖破壞情況,能彌補傳統(tǒng)定性分析圍巖破壞的局限性[3].不同掘進階段的微震能量和頻次表現(xiàn)形式不同,但具有一定規(guī)律性[4].湯國水[5]基于高精度微震監(jiān)測技術(shù),發(fā)現(xiàn)了工作面開采擾動、臨近采空區(qū)覆巖運動和重疊煤柱的耦合作用引起微震事件能量級別變高,從而導(dǎo)致綜放工作面礦壓顯現(xiàn)更為劇烈；周春華[6]首次采用微震和電磁輻射聯(lián)合監(jiān)測方法對巖爆的前兆信息進行了識別和特征分析,得出了在巖爆誘發(fā)期,微震累計能量呈增加趨勢,同時呈現(xiàn)視應(yīng)力減小及累計視體積驟增等特征；孔令海[7]對采場圍巖破裂和微震事件分布進行分析,得出微震事件數(shù)量分布極值區(qū)與工作面煤壁的距離等于支承壓力高應(yīng)力區(qū)距工作面煤壁的距離與基本頂巖梁的一次斷裂步距之和；崔峰,楊彥斌[8]提出了實體煤下微震事件主要發(fā)生在工作面前方頂板巖層中,能量釋放值高于采空區(qū)下，采空區(qū)下微震事件主要發(fā)生在工作面后方頂板巖層中,發(fā)生的頻次高于實體煤下回采；程關(guān)文,王悅等[9]通過對煤礦采動影響微震區(qū)微震事件的空間和能量的空間分布規(guī)律分析,研究微震事件數(shù)沿垂直方向的突變性,進而確定煤礦頂板中對變形和破壞起控制作用的關(guān)鍵層.此外還有大量國內(nèi)外學(xué)者利用微震對礦山頂板的穩(wěn)定進行了大量研究并取得了許多成果[10-14].

筆者利用微震監(jiān)測系統(tǒng),以山西潞寧煤礦22117為研究背景,研究22117工作面上覆巖層破斷對煤柱、煤體及頂板產(chǎn)生的影響,得出了巷道頂板、煤柱以及煤體的微震響應(yīng)特征,并通過數(shù)值模擬方法驗證了試驗的可靠性,對22117工作面安全生產(chǎn)具有實踐指導(dǎo)意義,同時為類似工作面生產(chǎn)提供有效的建議.

1 工程概況

22117 回風(fēng)巷位于井田東南部的二二采區(qū),上部為二二采區(qū)22115 已回采工作面,保護煤柱為15 m,下部為二二采區(qū)22117 規(guī)劃工作面未采動區(qū)域,西南為二二采區(qū)三條下山,東北部為礦井井田邊界.其構(gòu)造簡單，無斷層及巖溶陷落柱等復(fù)雜地質(zhì)情況,工作面區(qū)域內(nèi)煤層結(jié)構(gòu)亦簡單,中部夾不連續(xù)的薄層炭質(zhì)泥巖夾矸,煤層直接頂主要由以長石為主的2.6 m 細粒砂巖、3.0 m 砂質(zhì)泥巖以及5.0 m 粉砂巖組成,總厚16 m;基本頂主要由2.6 m 中粒砂巖、以石英為主的23.0 m 細粒砂巖組成,總厚26 m.煤巖層綜合柱狀圖如圖1所示.

圖1 煤巖層綜合柱狀圖

2 微震監(jiān)測與數(shù)據(jù)分析

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)及其安裝

煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生破裂并伴隨有聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生,煤巖體所受的應(yīng)力越高破裂形成也越快,聲發(fā)射頻次也隨之增加[15],對于煤巖體破裂及其聲發(fā)射信號可以由高精度寬頻聲發(fā)射、微震監(jiān)測系統(tǒng)進行采集并分析.如圖2所示,為武漢長盛煤安科技有限公司自行研發(fā)的新一代巖石破裂高精度智能聲發(fā)射、微震監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成,主要由傳感器、采集儀及其配置軟件、數(shù)據(jù)傳輸軟件、監(jiān)控軟件、波形實時動態(tài)監(jiān)測軟件、圍巖災(zāi)害孕育過程微震信息實時辨識與分析軟件、圍巖災(zāi)害孕育過程信息三維動態(tài)顯示軟件組成.可以實現(xiàn) 24 h實時監(jiān)測和自動采集、分析以及定位等,對監(jiān)控范圍的巖體進行穩(wěn)定性評估,為礦山安全提供技術(shù)保障.根據(jù)圖3設(shè)置安裝示意圖,以主機位置為中心向兩邊布設(shè)傳感器.

圖2 微震監(jiān)測系統(tǒng)

圖3 設(shè)備安裝

2.2 監(jiān)督設(shè)備及其安裝概況

為了解22117風(fēng)巷煤柱、煤壁以及頂板受前方掘進的影響,于2019年5月23日在22117風(fēng)巷上幫煤柱以及下幫煤壁處安裝高精度聲發(fā)射微震與電磁耦合一體化監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測.監(jiān)測時共安裝主機一臺,加速度傳感器9個以及電磁傳感器2個,安裝時主機位置位于離風(fēng)巷入口處556.86 m左右的煤柱側(cè),主機正下方是5#和10#傳感器,其中4#傳感器位于主機前方,與5#(10#)傳感器距離為6.44 m,6#傳感器位于主機后方,與5#(10#)傳感器距離為6.54 m,而1#，2#，3#，7#，8#，9#以及11#傳感器位于煤壁一側(cè),其中11#傳感器與10#(5#)傳感器位置相對,1#，2#，3#傳感器位于前方,7#，8#，9#傳感器位于后方,其中1#與2#傳感器距離為7.4 m,2#與3#傳感器距離為6.04 m,3#與11#傳感器距離為14.2 m,11#與7#傳感器距離為14.05 m,7#與8#傳感器距離為5.4 m,8#與9#傳感器距離為4.7 m.傳感器空間分布圖如4所示.

圖4 22117風(fēng)巷傳感器空間分布

2.3 微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

通過微震監(jiān)測,統(tǒng)計了5月24日—6月17日巷道頂板、煤柱頂板、煤體頂板的微震事件次數(shù)以及事件發(fā)生的位置,選取具有代表性的日期繪制變化圖,如圖5～圖7所示.其中22117掘進工作面掘進日進度如表1所示.

(a) 5月25日

(a) 5月29日

(a) 6月12日

表1 22117 風(fēng)巷掘進日進度

由于微震儀初始安裝位置距離掘進頭較近,故在掘進影響下,儀器1#～9#傳感器范圍內(nèi)巷道頂板微震活動較為強烈.由圖5a～圖5c可以看出：隨著掘進工作的進行,1#～9#傳感器范圍內(nèi)頂板微震事件次數(shù)逐漸降低,煤柱頂板的微震頻次逐漸增加,到5月27日時(此時1#傳感器距離掘進頭32.6 m),巷道頂板微震事件次數(shù)與前幾日相比降到最低值,說明掘進對巷道頂板的影響范圍為距掘進迎頭32.6 m范圍內(nèi);與此同時,煤柱頂板微震事件次數(shù)突然增加且微震強烈位置發(fā)生在9#傳感器之后的范圍內(nèi)(此時9#傳感器距掘進頭84.59 m),說明掘進對煤柱及其頂板的影響滯后掘進迎頭84.6 m左右.

如圖6a所示，到5月29日時,微震事件達到1 000次左右,基本還是集中在9#傳感器后方,但在5月30日(圖6b)時煤柱頂板微震事件次數(shù)達到最高,此時微震范圍向前移動到了1#與9#傳感器之間,與此同時巷道頂板的微震事件次數(shù)再次升高,直到6月7日(圖6c),此時1#傳感器距離掘進頭93.3 m,微震事件次數(shù)才趨于穩(wěn)定,在此期間微震事件基本都發(fā)生在1#與9#傳感器之間,說明隨著煤柱頂板巖層回轉(zhuǎn)斷裂、滑移,巷道圍巖再次誘發(fā)較強烈的微震,即表現(xiàn)出巷道頂板和煤柱頂板(包括其下方煤柱)同時出現(xiàn)強烈的微震.

由圖7a～圖7c可知,在6月7日之后由于巷道的繼續(xù)掘進,微震儀與掘進頭距離逐漸增加,信號逐漸減弱,巷道頂板、煤柱頂板以及煤體頂板微震事件次數(shù)整體趨于平穩(wěn),但煤柱頂板較巷道頂板及煤體頂板來說,微震事件次數(shù)依然較多,在6月12日之后煤體頂板微震事件次數(shù)相對較多,但是相對來說不是太明顯,由此可見此時頂板活動不劇烈,對巷道穩(wěn)定性影響較小.

從整個監(jiān)測結(jié)果來看,掘進對頂板影響表現(xiàn)為由巷道頂板—煤柱頂板(包括其下方煤柱)—煤體頂板(包括其下方煤體)的一個過渡過程,巷道頂板受掘進直接影響的范圍為距掘進迎頭32.6 m范圍內(nèi);隨后,隨著巷道向前掘進,掘進引起圍巖應(yīng)力重新分布并應(yīng)力集中,以及掘進動力擾動使基本頂下方矸石壓密,煤柱上方基本頂結(jié)構(gòu)繼續(xù)動態(tài)彎曲回轉(zhuǎn)、破裂,微震表現(xiàn)較為劇烈,且煤柱頂板(包括其下方煤柱)微震事件發(fā)生位置由9#傳感器后方逐漸前移至1#與9#傳感器之間,說明因應(yīng)力重新分布再平衡、矸石壓密需要一定的時間保證,即掘進動力擾動對后方煤柱頂板破裂的微震具有滯后效應(yīng),受影響范圍約滯后掘進頭93.3 m左右.

3 巷道掘進期數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值計算模型的建立

利用FLAC3D數(shù)值模擬分析軟件建立22117工作面的三維數(shù)值計算模型(圖8),為盡可能精確模擬,對煤層采用應(yīng)變硬化/軟化模型,其他巖層則采用比較常見的Mohr-Coulomb模型,模型整體尺寸為(X)150 m×(Y)30 m×(Z)67 m共劃分為201 000個六面體單元,21 2908個節(jié)點.采空區(qū)為50 m,煤柱寬度為15 m,巷道寬度取5 m,高度取4 m.模型設(shè)置左右邊界及底部邊界速度為0,巖層上部按不同埋深施加應(yīng)力,表2為根據(jù)礦山資料得出的煤巖體力學(xué)參數(shù).

圖8 數(shù)值模型

表2 煤巖體力學(xué)參數(shù)

3.2 FLAC3D模擬結(jié)果分析

根據(jù)22117風(fēng)巷的掘進情況對巷道進行分步掘進,導(dǎo)出每一步掘進后的塑性區(qū)分布圖并對其進行分析[16],圖9為各次掘進過程中模型塑性區(qū)分布云圖.

圖9 掘進過程中塑性區(qū)分布

由圖9可以看出：在巷道未掘進時,靠近采空區(qū)側(cè)的煤柱頂板及其下方煤柱出現(xiàn)塑性區(qū),但此時塑性區(qū)的范圍較??；巷道在掘進0.8 m后,巷道頂板開始發(fā)生塑性破壞,靠近巷道側(cè)與采空區(qū)側(cè)的煤柱及頂板也出現(xiàn)了塑性區(qū)；在巷道掘進 1.6 m 時可以發(fā)現(xiàn),隨著掘進的繼續(xù)進行,煤柱及其上方頂板塑性區(qū)繼續(xù)發(fā)育,且出現(xiàn)較大面積的塑性區(qū),煤體側(cè)則開始發(fā)生塑性破壞；巷道掘進2.4 m后,煤柱側(cè)的塑性區(qū)發(fā)展整體趨于穩(wěn)定,但煤體側(cè)塑性區(qū)的發(fā)展相對較大.

從數(shù)值模擬結(jié)果來看,掘進對頂板的影響是一個逐漸發(fā)展的過渡過程,該過程大致為巷道頂板—煤柱頂板(包括其下方煤柱)—煤體頂板(包括其下方煤體),根據(jù)本次數(shù)值模擬結(jié)果可以進一步驗證微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的正確性.

4 結(jié)論

1)掘進對頂板影響規(guī)律為由巷道頂板—煤柱頂板(包括其下方煤柱)—煤體頂板(包括其下方煤體)逐漸發(fā)展的一個過渡過程.

2)掘進對巷道頂板的影響范圍為距掘進迎頭32.6 m范圍內(nèi),對煤柱及其頂板的影響滯后掘進迎頭84.6 m左右.

3)由于應(yīng)力重新分布再平衡和矸石的壓密需要一定的時間,所以掘進動力擾動對后方煤柱頂板破裂的微震具有滯后效應(yīng),受影響范圍約滯后掘進迎頭93.3 m左右.