基于多源數(shù)據(jù)分析的綜放工作面礦壓異常顯現(xiàn)特征研究

辛憲耀，于健浩

(1.山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048000； 2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；3.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100014)

頂板災(zāi)害長(zhǎng)期以來一直是我國(guó)煤礦主要的災(zāi)害類型，無論從事故起數(shù)還是死亡人數(shù)，均占有較高比例[1-3]，頂板災(zāi)害的有效防控是煤礦安全生產(chǎn)的重要保證，而礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的深入研究是制定防控措施的有效途徑[4，5]。目前國(guó)內(nèi)煤礦工作面礦壓規(guī)律分析主要是基于液壓支架安裝的礦壓監(jiān)測(cè)設(shè)備或電液控設(shè)備采集支架壓力數(shù)據(jù)[6，7]，但由于缺少采場(chǎng)覆巖運(yùn)移觀測(cè)手段，無法準(zhǔn)確掌握工作面強(qiáng)來壓、頂板淋水、巷道大變形等礦壓異常顯現(xiàn)特征的具體原因，無法制定有效的工作面頂板及設(shè)備管理措施，進(jìn)而造成頂板問題治理效果不佳，導(dǎo)致生產(chǎn)延誤甚至頂板災(zāi)害的發(fā)生[8，9]。

隨著深部開采、堅(jiān)硬頂板、復(fù)雜地質(zhì)條件礦井的增多[10，11]，我國(guó)煤礦開采難度不斷提高，頂板管理難度隨之加大，尤其是穩(wěn)定性差的松軟頂板，由于頂板活動(dòng)規(guī)律難以掌握[12]，采用傳統(tǒng)的礦壓分析手段無法對(duì)異常礦壓顯現(xiàn)原因做出合理解釋。隨著微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)沖擊地壓礦井的應(yīng)用推廣，微震監(jiān)測(cè)對(duì)煤巖體活動(dòng)規(guī)律的觀測(cè)逐步得到業(yè)界認(rèn)可，并在非沖擊地壓礦井開展應(yīng)用[13-16]。長(zhǎng)平煤礦5302工作面作為礦井首個(gè)重型智能化綜放工作面，于2019年8月投產(chǎn)，并首次將微震監(jiān)測(cè)應(yīng)用到頂板活動(dòng)規(guī)律的觀測(cè)中，采用微震監(jiān)測(cè)配合工作面支架壓力監(jiān)測(cè)、巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)的綜合監(jiān)測(cè)手段，通過對(duì)礦壓、微震等多源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，從不同角度對(duì)工作面回采期間礦壓異常顯現(xiàn)原因進(jìn)行解釋，對(duì)工作面頂板管理及安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 工作面開采情況概述

1.1 工作面概況

長(zhǎng)平煤礦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，工作面走向長(zhǎng)度1509.17m，傾斜長(zhǎng)度295.00m，煤層平均厚度5.64m煤層直接頂為3.3m厚泥巖，強(qiáng)度較低，松軟易破碎，老頂為4.4m厚粉砂巖，老頂上方巖層以細(xì)粒砂巖、粉砂巖、泥巖為主。工作面地質(zhì)條件復(fù)雜，共揭露16條斷層、3個(gè)陷落柱、1個(gè)向斜，其中陷落柱及向斜對(duì)工作面回采影響較大。工作面共布置4條巷道，包括53021巷、53023巷、53022巷及五盤區(qū)南翼泄水巷，采用 “三進(jìn)一回”的通風(fēng)方式。

1.2 礦壓設(shè)備布置情況

工作面液壓支架采用天瑪電液控系統(tǒng)采集支架壓力數(shù)據(jù)，回采巷道采用天地科技股份有限公司生產(chǎn)的KJ21巷道礦壓無線監(jiān)測(cè)設(shè)備采集巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。53021、53023兩條巷道每個(gè)巷道布置36組測(cè)站，測(cè)站間距50m，其中3#測(cè)站和7#測(cè)站為鉆孔應(yīng)力集中監(jiān)測(cè)測(cè)站，每個(gè)測(cè)站布置3m、5m、7m、9m、11m、13m、15m、17m共計(jì)8個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)，以及2個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)(頂板一個(gè)、內(nèi)幫一個(gè))和1個(gè)頂板離層儀，其余測(cè)站布置1個(gè)鉆孔應(yīng)力計(jì)、2個(gè)錨桿測(cè)力計(jì)和1個(gè)頂板離層儀。由1#測(cè)站(靠近切眼)向36#測(cè)站依次布置。首次兩巷各布置20個(gè)測(cè)站，當(dāng)測(cè)站進(jìn)入采空區(qū)前，拆除鉆孔應(yīng)力計(jì)和錨桿測(cè)力計(jì)，并將拆除的設(shè)備安裝在巷道前方新增測(cè)站上。設(shè)備具體布置位置如圖1所示。

圖1 巷道礦壓設(shè)備布置情況

1.3 微震設(shè)備布置情況

采用ARAMIS M/E 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)5302工作面頂板斷裂情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別在五盤區(qū)泄水巷—53021巷中間橫川及53023巷—53022巷中間橫川布置了8臺(tái)拾振器，拾振器臺(tái)網(wǎng)具體布置方式如圖2所示。

圖2 微震拾振器布置方式

2 工作面礦壓異常顯現(xiàn)特征分析

由于工作面頂板松軟破碎，工作面支架壓力較低，整體來壓不明顯。在工作面回采初期發(fā)生三次頂板淋水現(xiàn)象，均位于工作面中下部120#—150#支架附近。53021巷在2020年1月—2月出現(xiàn)大變形，頂板下沉嚴(yán)重?；谝陨系V壓異?，F(xiàn)象，對(duì)各異常區(qū)的礦壓數(shù)據(jù)及微震數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，研究各異常礦壓顯現(xiàn)原因，指導(dǎo)工作面安全生產(chǎn)。

2.1 整體礦壓顯現(xiàn)較弱

2.1.1 礦壓數(shù)據(jù)分析

截止到2020年7月30日，工作面按不同架段分類共監(jiān)測(cè)到21～38次周期來壓，平均33次(其中17次工作面局部強(qiáng)來壓，部分支架安全閥開啟)，來壓步距在8～20.4m，平均12.7m。統(tǒng)計(jì)5302工作面支架壓力數(shù)據(jù)，對(duì)工作面來壓期間，安全閥開啟率較高的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)區(qū)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)具體時(shí)間及影響范圍見表1。

表1 工作面強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)區(qū)域劃分

由表1可知，5302工作面回采至今，共發(fā)生17次強(qiáng)來壓，其中，初次來壓影響范圍最大，循環(huán)末阻力最高，來壓持續(xù)距離達(dá)10m，平均達(dá)8507.5kN，安全閥開啟率為7.2%。強(qiáng)來壓主要集中在工作面中部及上部，平均傾向影響范圍53.8架，約93m，推進(jìn)方向影響范圍平均7.7m，影響范圍較大，工作面下部整體礦壓顯現(xiàn)不明顯(局部與支架工況有關(guān))。由此可知，5302工作面整體礦壓顯現(xiàn)較弱，強(qiáng)來壓周期較少，主要原因?yàn)轫敯逅绍涊^破碎，不易形成大范圍懸頂。

2.1.2 微震數(shù)據(jù)分析

圖3 工作面走向微震事件分布規(guī)律

微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示如圖3所示。微震事件活躍區(qū)主要分布在工作面前方60～220m，向兩側(cè)逐漸遞減，整體呈正態(tài)分布形態(tài)。表明松軟頂板條件下，位于工作面超前范圍的頂板巖層提前破裂，當(dāng)工作面回采至該位置時(shí)，頂板完整性較差，不易形成較大結(jié)構(gòu)，這也是造成工作面整體礦壓顯現(xiàn)較弱，強(qiáng)來壓區(qū)較少的主要原因。

2.2 工作面頂板淋水原因分析

根據(jù)工作面地質(zhì)報(bào)告可知，5302工作面上方25～49m處為K8細(xì)砂巖含水層，如圖4所示，110m處為K10含水層，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，工作面回采至今，共發(fā)生三次頂板淋水，均位于工作面中下部120#—150#支架附近，工作面頂板淋水情況見表2，工作面頂板淋水區(qū)如圖5所示。

圖4 綜合柱狀

表2 工作面頂板淋水情況

圖5 工作面頂板淋水區(qū)

1)10月3日，129#—139#支架開始來壓，其中133#—136#支架安全閥頻繁開啟，來壓持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)持續(xù)到10月12日，10月9日，142#—147#支架來壓，部分支架安全閥開啟，表明該時(shí)間內(nèi)129#—147#支架上方頂板活動(dòng)劇烈。根據(jù)微震系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，10月2日—10月11日，工作面共發(fā)生5次103J以上較大能量微震事件，其中1次最大能量事件發(fā)生在工作面靠近機(jī)尾附近，能量達(dá)到1.3×104J，層位位于頂板上方31m處，該能量事件可能是由于關(guān)鍵層斷裂導(dǎo)致，使得K8含水層導(dǎo)通工作面，造成工作面淋水。

2)11月14日，122#—141#支架附近頂板來壓，11月17日—18日來壓加劇，部分支架安全閥開啟，11月14日—11月19日共發(fā)生7次較大能量事件，其中11月17日在工作面距機(jī)尾30m位置發(fā)生一次1.1×104J大能量事件，位于頂板上方25m處，結(jié)合工作面礦壓分析結(jié)果，應(yīng)為工作面基本頂大范圍斷裂后導(dǎo)通K8含水層，造成工作面淋水。

3)12月5日，工作面140#—153#支架陸續(xù)來壓，145#—153#支架安全閥頻繁開啟，礦壓顯現(xiàn)明顯。對(duì)應(yīng)微震事件可以看出，12月2日—12月6日，工作面靠近機(jī)尾附近發(fā)生6次較大能量微震事件，其中兩次發(fā)生在底板中，一次發(fā)生在煤層中，三次發(fā)生在頂板，最大震動(dòng)能量為5.5×104J，發(fā)生層位在頂板上方30m位置，通過層位判斷應(yīng)為K8含水層附近頂板斷裂所致。

2.3 巷道大變形原因分析

2.3.1 巷道礦壓數(shù)據(jù)分析

2020年1月—2月期間，53021巷初切眼以北350～400m巷道變形量增大，部分測(cè)站錨桿應(yīng)力增大，通過現(xiàn)場(chǎng)安裝的礦壓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)繪制頂板位移量及錨桿應(yīng)力曲線如圖6所示。

圖6 53021巷頂板下沉及錨桿應(yīng)力變化曲線

由圖6可知，進(jìn)入1月份后，6#(開切眼以北350m)、7#(400m)測(cè)站頂錨桿應(yīng)力明顯增大，尤其是6#測(cè)站，應(yīng)力增幅明顯，峰值達(dá)118kN。同時(shí)該測(cè)站頂板下沉量迅速增大，淺層位移量由1月7日的31mm增至1月13日的451mm，表明該時(shí)間段內(nèi)，53021巷350～400m巷道頂板處于應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)，使得巷道在高應(yīng)力的作用下產(chǎn)生較大變形。

2.3.2 微震數(shù)據(jù)分析

通過分析53021巷1月1日—2月25日微震事件，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析，該時(shí)間內(nèi)53021巷周邊范圍內(nèi)共監(jiān)測(cè)到60個(gè)二次方以上微震事件，其中二次方事件34個(gè)，三次方事件26個(gè)，最大能量達(dá)8300J，發(fā)生在1月13日，在53021巷以東24m、巷道頂板上方53m、超前工作面119m位置。

大能量事件(三次方以上事件)發(fā)生位置大多集中在巷道兩側(cè)30m范圍內(nèi)，發(fā)生層位在頂板上方1～58m之間，6個(gè)事件發(fā)生層位在1～20m，11個(gè)事件發(fā)生在20～40m層位，40m以上層位大能量事件有9個(gè)。超前工作面距離集中在20～100m之間，超前工作面20～50m的大能量事件有5個(gè)，50～100m有13個(gè)，超過100m的事件為7個(gè)，工作面后方11m事件1個(gè)。大能量事件集中在53021巷超前工作面初始切眼以北310～467m處。微震事件能量分布曲線如圖7所示。

圖7 微震事件能量分布

由圖6可知，1月9日—1月22日微震事件較為活躍，1月22日能量達(dá)13400J，2月7日達(dá)9900J，其余大部分時(shí)間每日微震能量均超過三次方，說明該時(shí)間內(nèi)53021巷頂板活動(dòng)頻繁。同時(shí)在1月4日—16日期間，53023巷較大能量事件頻發(fā)。微震事件位置分布如圖7所示。微震事件可分為顯著影響區(qū)和次要影響區(qū)，顯著影響區(qū)內(nèi)微震事件更為集中。

圖7 微震事件分布

3 結(jié) 論

1)長(zhǎng)平煤礦5302工作面整體礦壓顯現(xiàn)較弱，工作面主要采動(dòng)影響范圍為工作面前方220m至面后60m，由于基本頂強(qiáng)度較低，整體性差，超前頂板破斷所產(chǎn)生的微震事件較多，因此，強(qiáng)來壓周期較少，且來壓期間，僅局部支架載荷明顯增大，基本頂多呈現(xiàn)分區(qū)域斷裂和非同步垮落的特征。

2)工作面初采期間發(fā)生的頂板淋水均集中在工作面中下部120#—150#支架附近，通過微震事件能量及層位分析可知，應(yīng)為K8含水層周邊頂板斷裂所致，并非K10含水層破斷所致。

3)采用微震數(shù)據(jù)、巷道礦壓數(shù)據(jù)相結(jié)合的分析方法，分析了53021巷大變形區(qū)域頂板的微震分布特征及主要影響范圍，大能量事件主要集中在53021巷超前工作面20～100m范圍內(nèi)，且以20m以上高位頂板破斷為主，是導(dǎo)致該區(qū)域巷道變形量較大的主要原因。