基于微震事件特性的大傾角煤層覆巖破壞規(guī)律研究

薛吉勝，陳法兵，趙鐵林，潘黎明

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013； 2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013)

微震監(jiān)測技術(shù)可用于監(jiān)測巖石變形、開裂等現(xiàn)象，根據(jù)微震監(jiān)測事件的波形、能量、頻度、空間位置等可記錄巖體破裂的時空演化規(guī)律，對于監(jiān)測工作面覆巖破壞高度、預測動力災害等具有重要指導意義[1-6]。國內(nèi)學者采用微震監(jiān)測技術(shù)對工作面覆巖高度進行了預測[7-13]。

微震監(jiān)測技術(shù)已作為成熟的技術(shù)用于監(jiān)測工作面覆巖破壞高度，以寧武礦區(qū)汾源煤業(yè)為背景，基于微震技術(shù)系統(tǒng)研究大傾角工作面頂板裂隙發(fā)育規(guī)律，分析了大傾角工作面的覆巖運動規(guī)律，通過物理相似模擬模型對微震監(jiān)測結(jié)果進行驗證。

1 工程概況

霍州煤電集團汾源煤業(yè)有限公司位于寧武煤田中南部，井田南北走向長6.38km，東西傾斜寬2.45km，面積12.69km2，呈一由東向西展布的不規(guī)則多邊形，設計年產(chǎn)120萬t。15-101工作面為礦井首個綜放工作面，回采5號煤層，煤層厚度8～12m，平均厚度10.5m，工作面傾斜長度105m，平均走向長度791m，煤層傾角32～45°，平均35°，屬大傾角穩(wěn)定特厚煤層。工作面綜合柱狀如圖1所示。

圖1 工作面綜合柱狀

2 大傾角特厚煤層采場覆巖破壞微震事件分析

2.1 工作面微震監(jiān)測方案

為研究大傾角工作面覆巖破壞規(guī)律，在工作面安裝了KJ1160微震監(jiān)測系統(tǒng)，共計5臺微震檢波器，其中5-1032巷安裝3臺，5-1012巷安裝1臺，車場平巷安裝1臺，微震臺站布置如圖2所示。

2.2 工作面微震事件分析

綜放工作面微震事件平面分布與密度分布如圖3所示。

從2020年4月24日至2020年6月19日，汾源煤業(yè)KJ1160微震監(jiān)測系統(tǒng)共接收到272個微震事件，總能量為3.2×104J，平均能量為1.5×102J，最大能量為1.5×103J。100J以下的微震事件占比高達70.96%；能量為100～1000J的微震事件占比為27.94%；大于1000J的微震事件只有3個。表明汾源煤業(yè)三軟煤層條件下，微震事件釋放能量較小，由于開采導致的頂板活動性不強。

2.3 工作面覆巖破壞規(guī)律

2.3.1 走向方向

工作面走向方向上覆巖破壞微震事件如圖4所示。

由圖4可知，相對較大能量事件主要分布在工作面前方，超前影響范圍為60m；工作面后方90m處達到峰值，表明采空區(qū)內(nèi)圍巖運動較為活躍。按照能量監(jiān)測等級[14]對大傾角三軟煤層綜放工作面頂板、底板破壞區(qū)進行了圈定，畫出了覆巖裂隙帶與底板破壞帶的包絡線。從圖4中可以看出，覆巖微震事件頻發(fā)距離工作面高度約為60m，裂縫帶高度約為160m。

圖2 微震臺站安裝布置

圖3 工作面微震事件平面分布與密度分布

圖4 大傾角三軟煤層頂板裂隙帶、垮落帶、底板破壞帶

2.3.2 傾向方向

工作面傾向方向上覆巖破壞微震事件如圖5所示。

圖5 微震事件傾向剖面投影

由圖5可知，傾向方向上覆巖裂縫帶形成“上高下低”的形態(tài)，工作面頂板巖層采動破壞產(chǎn)生的微震事件主要集中于工作覆巖80m高度范圍內(nèi)，按照大于100J微震事件，裂縫帶高度約為220m?？梢钥闯鰞A向方向由于煤層傾角原因，巖層破壞高度總體大于走向方向。

3 采場覆巖破壞相似模擬試驗研究

3.1 物理模型參數(shù)

實驗選用長×寬×高=3.2m×0.25m×1.3m的平面應力模型架，選取幾何相似比為1∶200，容重相似比為1.8∶2.5，應力及強度相似比為1.8∶500，時間相似比為1∶(200)0.5，模型中相似材料配比見表1。

表1 物理相似材料配比

3.2 覆巖破壞高度

根據(jù)綜放面進刀方式，采用中部進刀先上行再下行的方式進行模擬。大傾角特厚煤層綜放面巖層移動如圖6所示。

圖6 大傾角綜放面巖層移動情況

上行開采至21cm處，直接頂垮落，采空區(qū)中垮落巖塊沿下山方向滑移；上行開采30～35cm，采空區(qū)上方懸露的老頂出現(xiàn)離層；下行開采10cm，直接頂隨開采局部垮落，下行開采25cm，最大離層發(fā)育到采空區(qū)底板法線上方60cm處，老頂?shù)诙螖嗔巡骄酁?0cm；下行開采推進至48cm，懸臂老頂再次斷裂，發(fā)生順時針回轉(zhuǎn)，在斷裂處形成穩(wěn)定的鉸接結(jié)構(gòu)，垮落帶高度達到37cm，最大離層發(fā)育到采空區(qū)底板法線上方94cm處?？梢钥闯?，物理模擬覆巖離層最大高度略微小于微震監(jiān)測結(jié)果。

3.3 “三帶”高度校核

“三帶”高度計算公式主要采用碎漲系數(shù)法、實測法等，根據(jù)文獻[15]可知，由于為大傾角煤層，垮落后破碎巖石充滿采空區(qū)后，“垮落帶”高度可用式(1)計算：

HC=M/(kp-1)cos(α)

(1)

式中，HC為“垮落帶”高度，m；M為采高，m；kp為巖石碎漲系數(shù)；α為煤層傾角，(°)。

“裂隙帶”高度可用式(2)計算：

式中，Hf為“裂隙帶”高度，m。

根據(jù)綜放面地質(zhì)條件，取煤層采高12m，碎漲系數(shù)1.21，可求得“垮落帶”高度為75.6m，“裂隙帶”高度為187.3m，與物理相似模擬結(jié)果誤差為2.10%、0.37%。

4 結(jié) 論

1)大傾角特厚煤層工作面的覆巖破壞過程中，在工作面傾向上，覆巖垮落帶、裂縫帶均形成“上高下低”的形態(tài)，采空區(qū)呈現(xiàn)“上空下實”的狀態(tài)。從微震事件上分析，工作面上部為頂板破壞，下部為底板破壞。

2)在工作面走向上，覆巖破壞有滯后性，采空區(qū)內(nèi)頂板微震事件頻率高于工作面前方，在此等條件下工作面開采時的覆巖破壞的程度較低，采空區(qū)內(nèi)仍然會出現(xiàn)頂板的垮落破斷。

3)大傾角綜放工作面走向方向上，裂隙帶高度約為160m；傾向方向上，垮落帶高度為75m，裂隙帶高度約為187m。