文家坡煤礦沖擊地壓產(chǎn)生原因及微震監(jiān)測

馬志飛，李景潤，葛 普，張 卓

(陜西彬長文家坡礦業(yè)有限公司，陜西 彬州 713500)

0 引言

隨著我國煤炭淺部資源的不斷開采，煤礦采深不斷增大已成為主要趨勢。煤炭深部開采造成的高地應(yīng)力、沖擊地壓等災(zāi)害嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)，對此，大量學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。朱斯陶等[1]針對新疆特厚煤層復(fù)合頂板，采用現(xiàn)場調(diào)研、理論分析、現(xiàn)場監(jiān)測等方法，對復(fù)合厚煤層巷道掘進(jìn)顆粒彈射和沖擊地壓發(fā)生機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)果表明，復(fù)合厚煤層掘進(jìn)工作面沖擊前后煤體應(yīng)力及錨桿壓力無明顯變化，但復(fù)合厚煤層在沖擊期間的小顆粒彈射會對地音監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生重大影響，并基于此提出“地音大事件”概念。李振雷等[2]通過開展不同速率煤樣的加載試驗(yàn)，采集了全波形聲電數(shù)據(jù)并進(jìn)行針對性分析，對煤在沖擊過程中的時(shí)空演化規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明，聲發(fā)射法與電磁輻射法的時(shí)序分布具有同步性，且提出煤在沖擊期間分為若干階段，各沖擊階段與載荷下降有明顯的正相關(guān)關(guān)系，在沖擊期間，沖擊破壞發(fā)生在臨近自由面的應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)。楊光宇等[3]基于圍巖演化規(guī)律的掘進(jìn)工作面沖擊地壓事故分區(qū)概念，并結(jié)合各沖擊區(qū)域的可監(jiān)測特征，提出了“圍巖應(yīng)力狀態(tài)、圍巖震動、鉆屑量及錨桿支護(hù)力”的四位一體沖擊地壓監(jiān)測方法，并結(jié)合現(xiàn)場提出了工程條件沖擊地壓預(yù)警指標(biāo)。竇林名等[4]通過總結(jié)我國沖擊地壓的發(fā)生特征、影響因素、監(jiān)測預(yù)警手段等，提出沖擊地壓一般發(fā)生在巷道內(nèi)，且影響范圍一般在90～150 m，認(rèn)為對沖擊地壓的監(jiān)測應(yīng)結(jié)合靜載應(yīng)力場和震動場兩方面，其結(jié)果可有效提高沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警準(zhǔn)確性。

總體來說，盡管目前沖擊地壓防治技術(shù)的理論不斷創(chuàng)新、技術(shù)不斷更迭，但由于礦區(qū)地質(zhì)條件的差異，需要因地制宜的結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況，采取相應(yīng)的沖擊地壓防治技術(shù)。為此，通過分析文家坡煤礦沖擊地壓的產(chǎn)生原因，選擇合理的沖擊地壓綜合治理措施，以期有效降低礦區(qū)沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生頻次。

1 工程背景

文家坡煤礦目前正在回采4105工作面，工作面埋深536.4～778.9 m，4105工作面采用走向長壁綜合機(jī)械化智能化放頂煤方法開采，全部垮落法管理頂板。DSJ140/250/5×400可伸縮皮帶運(yùn)煤。4105工作面煤層平均厚度9.1 m，其中，機(jī)采高度3.5 m，放煤高度5.6 m，采放比為1∶1.6。工作面直接頂為厚1.98 m的泥巖，老頂為厚4.81 m的粗砂巖，直接底為0.5 m的泥巖，老底為厚5 m的粗砂巖。4105工作面綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 4105工作面綜合柱狀圖Fig.1 Comprehensive columnar of 4105 working face

2 文家坡煤礦沖擊地壓產(chǎn)生原因分析

2.1 地質(zhì)條件

2.1.1 工作面埋深

文家坡煤礦目前主采4號煤層，推采4105工作面。4105工作面埋深536.4～778.9 m，平均埋深657 m，屬深部開采煤層。研究結(jié)果表明，埋深與沖擊地壓發(fā)生的概率有明顯關(guān)系[5-8]，關(guān)系對比圖如圖2所示。由圖2可知，在埋深接近400 m后，礦區(qū)開始出現(xiàn)沖擊地壓概率，但在埋深400～500 m范圍內(nèi)，沖擊地壓發(fā)生概率較低，尚不足10%；在埋深超過500 m后，沖擊地壓發(fā)生概率開始逐漸上升，在埋深500～700 m范圍內(nèi)，沖擊地壓發(fā)生概率劇增；與埋深在500～700 m的沖擊概率相比，埋深超過700 m后，沖擊地壓發(fā)生的概率趨勢較之前略顯平緩，上述結(jié)果表明，隨著埋深的不斷增大，沖擊地壓發(fā)生概率隨之增加，在埋深為500～700 m時(shí)，沖擊地壓發(fā)生概率較埋深小于500 m時(shí)大幅增長，漲幅速度快。結(jié)合文家坡煤礦4105工作面實(shí)際埋深，認(rèn)為4105工作面沖擊概率較大，需要采取相應(yīng)的解危措施。

圖2 埋深與沖擊地壓發(fā)生概率關(guān)系Fig.2 Relationship between buried depth and rock burst

2.1.2 煤層厚度及頂板巖性

4105工作面煤層平均厚度9.1 m，其中，機(jī)采高度3.5 m，放煤高度5.6 m，采放比為1∶1.6，采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝進(jìn)行回采。回采過程中，由于一次采空的高度較高，相應(yīng)的造成支承壓力積聚明顯，沖擊地壓發(fā)生概率大幅上升。4105工作面直接頂為泥巖，泥巖厚度較??；上層的基本頂為粗砂巖，厚度較厚，由于粗砂巖厚度較厚，且較為致密，隨著工作面的回采，容易形成工作面頂板大面積懸頂，進(jìn)而產(chǎn)生大量的能量積聚，一旦垮落，沖擊地壓發(fā)生概率較大。

2.1.3 沖擊地壓災(zāi)害評估

根據(jù)文家坡煤礦沖擊地壓災(zāi)害評估資料顯示，文家坡煤礦4號煤層屬中等沖擊危險(xiǎn)煤層，沖擊危險(xiǎn)性較大。通常，當(dāng)外部沖擊動載與煤巖體原有的靜載疊加后，采掘空間周圍原本穩(wěn)定的煤巖系統(tǒng)，其巷道圍巖體受到的地應(yīng)力超出了其所能承載的極限范圍，圍巖體的平衡被打破，導(dǎo)致沖擊地壓顯現(xiàn)，造成回采巷道破壞，動靜載疊加作用誘發(fā)煤巖系統(tǒng)沖擊地壓災(zāi)害。

2.2 開采條件

2.2.1 頂板管理辦法

頂板的管理方法是對沖擊地壓防治的重要管理措施之一，對沖擊地壓防治具有重要作用。由于頂板的垮落、斷裂，對工作面積聚的彈性能量均有較大影響。文家坡煤礦4105工作面基本頂為厚4.81 m的中砂巖，厚度較大，強(qiáng)度較高，工作面回采期間，頂板懸頂造成的能量積聚，容易誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害。

2.2.2 煤柱留設(shè)尺寸

文家坡煤礦留設(shè)的區(qū)段煤柱方式采用寬煤柱護(hù)巷，煤柱寬度35 m。統(tǒng)計(jì)資料顯示，深部礦井的寬煤柱留設(shè)方式造成的沖擊地壓事故遠(yuǎn)高于窄煤柱，區(qū)段煤柱留設(shè)尺寸不合理造成的沖擊地壓事故約占到總體的60%以上。但是，僅以防沖角度決定區(qū)段煤柱的寬度是片面的，一般情況下，煤柱寬度越窄，沖擊地壓發(fā)生事故概率越小，但煤柱寬度較小時(shí)，容易受煤柱兩側(cè)頂板作用力影響，發(fā)生崩塌。因此，合理地確定區(qū)段煤柱的尺寸十分重要。

3 微震監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)

文家坡煤礦采用ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)集成數(shù)字DTSS傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了礦山震動定位、震動能量計(jì)算及震動的危險(xiǎn)評價(jià)。傳感器(拾震器或其他)監(jiān)測震動事件并將其處理為數(shù)字信號，然后由數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)DTSS傳送到地面。系統(tǒng)可以監(jiān)測震動能力大于100 J、頻率范圍在 0～150 Hz及低于110 dB(抗干擾能力)的震動事件。礦區(qū)正在回采4105工作面，經(jīng)調(diào)整，現(xiàn)將4105工作面的微震監(jiān)測探頭調(diào)整為在初采期間，能夠持續(xù)保持6個(gè)拾震器的覆蓋，靈敏度小于1 100 V/g。

3.2 震動能量頻次監(jiān)測結(jié)果分析

3.2.1 4104工作面微震監(jiān)測

4104工作面微震監(jiān)測數(shù)據(jù)圖,如圖3所示。由圖3可知，在回采過程中，共計(jì)監(jiān)測到震動次數(shù)8 187次。震動能量在數(shù)量級103J的震動次數(shù)為3 687次，占總監(jiān)測次數(shù)的45.03%；震動能量在數(shù)量級104J的震動次數(shù)為3 952次，占總監(jiān)測次數(shù)的48.27%；震動能量在數(shù)量級105J的震動次數(shù)為496次，占總監(jiān)測次數(shù)的6.06%；震動能量在106J的次數(shù)為52次，占總監(jiān)測次數(shù)的0.64%。結(jié)合4104工作面微震監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果能夠發(fā)現(xiàn)，4104工作面震動能量范圍基本集中在103J～105J內(nèi)，其中，104J以上的震動次數(shù)超過總震動次數(shù)的50%，說明4104工作面微震監(jiān)測的震動能量主要集中在104J數(shù)量級，在監(jiān)測時(shí)間范圍內(nèi)，4104工作面微震活動規(guī)律變化較大。

圖3 4104工作面微震監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.3 Microseismic monitoring data of 4104 working face

3.2.2 4105工作面微震監(jiān)測

4105工作面微震監(jiān)測數(shù)據(jù)圖，如圖4所示。由圖4可知，在回采過程中，共計(jì)監(jiān)測到震動次數(shù)4 223次。震動能量在數(shù)量級103J的震動次數(shù)為2 046次，占總監(jiān)測次數(shù)的48.45%；震動能量在數(shù)量級104J的震動次數(shù)為1 833次，占總監(jiān)測次數(shù)的43.40%；震動能量在數(shù)量級105J的震動次數(shù)為344次，占總監(jiān)測次數(shù)的8.15%；震動能量在106J的次數(shù)為0次，占總監(jiān)測次數(shù)的0%。綜合4105工作面微震監(jiān)測數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，相比4104工作面，4105工作面發(fā)生震動的次數(shù)減少了51.58%，且同等數(shù)量級下，各級震動次數(shù)也有所減少，故可分析認(rèn)為，4105工作面相對4104工作面沖擊發(fā)生頻率有所減弱。

圖4 4105工作面微震監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig.4 Microseismic monitoring data of 4105 working face

3.3 震動相對高程監(jiān)測結(jié)果分析

3.3.1 沖擊地壓發(fā)生的時(shí)間及空間關(guān)系

在時(shí)間關(guān)系上，工作面回采過程之間，沖擊地壓活動比較頻繁。沖擊地壓的出現(xiàn)是一個(gè)由小變大、積少成多的過程，只有當(dāng)強(qiáng)沖擊地壓發(fā)生后，集聚能量被釋放后能量才開始逐漸下降，并再次開始逐級集聚能量，重新孕育下一個(gè)強(qiáng)沖擊地壓。所有的強(qiáng)沖擊地壓都不是單獨(dú)出現(xiàn)的，可以看出沖擊地壓具有明顯的叢集顯現(xiàn)。一旦發(fā)生了強(qiáng)沖擊地壓，該區(qū)域在短期內(nèi)會重復(fù)出現(xiàn)沖擊地壓。在平面空間關(guān)系上，沖擊地壓主要發(fā)生在工作面前方和臨空區(qū)側(cè)的位置，其主要是受工作面超前支承壓力和臨空區(qū)壓力的影響[9]。震動發(fā)生的位置不同，震動造成的效果也有所差異，通過對沿著煤層走向剖面的震動時(shí)間相對高程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析得出在回采過程中不同高程下發(fā)生震動對能量積聚產(chǎn)生的影響。

3.3.2 震動相對高程分析

通過對震動能量數(shù)量級在105J的震動次數(shù)相對高程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，震動能量數(shù)量級在105J的震動相對高程在頂?shù)装?0 m范圍內(nèi)最為集中，其次繼續(xù)延伸至頂?shù)装?0～100 m范圍內(nèi)，在頂?shù)装?00 m范圍外，震動次數(shù)不多。由此可認(rèn)為，震動能量在數(shù)量級105J的強(qiáng)烈震動主要發(fā)生在煤層頂?shù)装宸秶鷥?nèi)，尤其集中在工作面頂板位置。對比文家坡煤礦實(shí)際工作面地質(zhì)資料可知，4105工作面頂?shù)装鍡l件普遍堅(jiān)硬，充分說明在堅(jiān)硬頂?shù)装鍡l件下，工作面開采過程中積聚了大量能量，在頂?shù)装灏l(fā)生斷裂后能量突然釋放，誘發(fā)了工作面沖擊地壓現(xiàn)象。

圖5 不同推進(jìn)距離下震動相對高程統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)Fig.5 Statistics of relative elevation of vibration under different mining distances

3.3.3 頂?shù)装迤茢嗥骄叱谭治?/p>

通過對震動能量數(shù)量級在105J的震動所在的頂?shù)装鍘r層破斷平均高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖6所示。可以看出，震動能量數(shù)量級在105J的震動頂板破斷現(xiàn)象基本集中在煤層上方40 m范圍內(nèi)，超過頂板40 m范圍后頂板基本不發(fā)生破斷，即可認(rèn)為關(guān)鍵層基本位于煤層上方40 m范圍內(nèi)，且破斷位置在煤層上方25 m左右破斷現(xiàn)象最明顯，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，頂板破斷平均高度開始逐漸下降；震動能量數(shù)量級在105J的震動底板破斷現(xiàn)象基本集中在煤層下方40 m范圍內(nèi)，且破斷位置在煤層下方25 m左右破斷現(xiàn)象最明顯，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，底板破斷平均高度開始逐漸增大?？傮w來說，隨著工作面的不斷推進(jìn)，頂?shù)装迤茢嗑嚯x逐漸逼近工作面煤層。

圖6 不同推進(jìn)距離下頂?shù)装迤茢嗥骄叱蘁ig.6 Average elevation of roof and floor breaking under different mining distances

4 結(jié)論

(1)通過對文家坡煤礦沖擊地壓產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)文家坡煤礦沖擊地壓的產(chǎn)生主要受地質(zhì)與開采兩方面影響，主要包括采深、采高、煤層頂?shù)装濉㈨數(shù)装骞芾矸椒ā⒚褐粼O(shè)方式等。

(2)對比微震事件的發(fā)生頻次能夠發(fā)現(xiàn)，調(diào)整4105工作面微震探頭監(jiān)測布置方式后，4105工作面微震發(fā)生頻次較4104工作面衰減51.58%，說明4104工作面回采對臨近的4105工作面應(yīng)力積聚產(chǎn)生積極作用。

(3)對比微震事件相對高程監(jiān)測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，震動能量數(shù)量級在105J的震動底板破斷現(xiàn)象基本集中在煤層下方40 m范圍內(nèi)，且破斷位置在煤層下方25 m左右破斷現(xiàn)象最明顯，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，底板破斷平均高度開始逐漸增大。總體來看，隨著工作面的不斷推進(jìn)，頂?shù)装迤茢嗑嚯x逐漸逼近工作面煤層。