大傾角高瓦斯煤層采動(dòng)覆巖“三帶”微震監(jiān)測(cè)及瓦斯抽采效果

孟祥軍，趙鵬翔，王緒友，劉李東，楊俊生

(1.山東能源集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054;3.兗礦新疆礦業(yè)有限公司硫磺溝煤礦，新疆 昌吉 831100)

0 引 言

井下瓦斯事故是制約絕大多數(shù)煤炭企業(yè)安全、高效生產(chǎn)的重要因素，而解決井下瓦斯超限問(wèn)題，提高企業(yè)煤炭生產(chǎn)效率的最直接有效的手段就是進(jìn)行瓦斯抽采[1-2]。由于具有升浮、擴(kuò)散的特性，采動(dòng)覆巖中的卸壓瓦斯氣體常常會(huì)通過(guò)巖層裂隙，富集于斷裂帶中，若將高位瓦斯鉆孔布置于斷裂帶中，可以有效提高瓦斯抽采效率，控制井下巷道瓦斯?jié)舛萚3-5]。因此，能夠有效掌握巖層受采動(dòng)影響后的活動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而精準(zhǔn)辨別采動(dòng)覆巖斷裂帶范圍及發(fā)育特征，對(duì)卸壓瓦斯抽采參數(shù)設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。

為了對(duì)采動(dòng)覆巖受采動(dòng)影響后的活動(dòng)規(guī)律及裂隙發(fā)育特征進(jìn)行更為清晰的描述，國(guó)內(nèi)外眾多專(zhuān)家學(xué)者運(yùn)用多種手段對(duì)其進(jìn)行研究。李樹(shù)剛等[6-8]運(yùn)用數(shù)值模擬、物理相似模擬及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，發(fā)現(xiàn)采動(dòng)覆巖受擾動(dòng)破壞影響后，可以用橢拋帶對(duì)其形態(tài)加以表征，同時(shí)根據(jù)其壓實(shí)程度，又可將其分為內(nèi)、外橢拋帶。趙鵬翔等[9]、劉洪永等[10]運(yùn)用物理相似模擬、數(shù)值模擬的方法對(duì)工作面不同傾角、不同推進(jìn)速度下的瓦斯優(yōu)勢(shì)通道形態(tài)演化過(guò)程進(jìn)行研究，建立了采動(dòng)瓦斯優(yōu)勢(shì)通道演化模型。伍永平等[11-13]運(yùn)用物理相似模擬及理論分析相結(jié)合的方法，建立區(qū)段間圍巖失穩(wěn)模型，研究了區(qū)段煤柱的應(yīng)力分布規(guī)律和失穩(wěn)破壞準(zhǔn)則，確定了區(qū)段煤柱的合理尺寸。來(lái)興平等[14-15]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及理論分析等手段，綜合分析了急斜煤巖體失穩(wěn)時(shí)空演化特征，獲取了急斜煤巖體動(dòng)力失穩(wěn)理論判據(jù)，有效治理了急斜煤巖體動(dòng)力失穩(wěn)災(zāi)害。解盤(pán)石等[16-18]采用大比例三維物理相似模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的研究手段，深入分析了偽俯斜采場(chǎng)初采階段和正?；夭呻A段頂板應(yīng)力演化與變形破壞規(guī)律，垮落頂板充填特征以及“支架-頂板”相互作用規(guī)律，合理闡釋了大傾角偽俯斜采場(chǎng)頂板垮落運(yùn)移及其與支架相互作用關(guān)系?；陉P(guān)鍵層理論，朱慶偉等[19]通過(guò)公式推演結(jié)合離層在采動(dòng)覆巖凈空間的傳遞衰減作用與其自身的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程，推導(dǎo)出覆巖層的離層橫向?qū)挾?；周金龍[20]運(yùn)用物理相似模擬和UDEC數(shù)值模擬,分析了大采高采場(chǎng)覆巖單一關(guān)鍵層“高位斜臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)和雙關(guān)鍵層“斜臺(tái)階巖梁+砌體梁”結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,揭示了單一關(guān)鍵層工作面來(lái)壓迅猛和雙關(guān)鍵層工作面存在大小周期來(lái)壓的機(jī)制。

筆者以新疆硫磺溝煤礦(4-5)06工作面為試驗(yàn)原型，研究在大傾角高瓦斯的煤層條件下，運(yùn)用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)采動(dòng)覆巖上覆巖層受采煤工作影響而出現(xiàn)的微震事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，進(jìn)而通過(guò)微震事件空間分布范圍及事件演化趨勢(shì)，分析得出采動(dòng)覆巖上覆巖層裂隙發(fā)育規(guī)律，明確裂隙帶發(fā)育高度，并以此為依據(jù)，對(duì)高位鉆孔瓦斯抽采設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 工作面概況及微震監(jiān)測(cè)原理

1.1 工作面概況

新疆硫磺溝煤礦(4-5)06工作面走向長(zhǎng)度為2 600 m，傾向長(zhǎng)度為180 m。軌道巷標(biāo)高+683.3～+702.6 m，巷道最大埋深557 m，最小埋深435 m。運(yùn)輸巷標(biāo)高+586.5～+613.7 m，巷道最大埋深662.5 m，最小埋深486.1 m。煤層厚度5.5～6.8 m，平均厚度6.15 m，煤層傾角為25°～33°，平均29°，煤層瓦斯相對(duì)含量3.5 m3/t，下距7煤層1.03～8.06 m，平均4.42 m。直接頂以塊狀致密、堅(jiān)硬的深灰色、灰綠色粉砂巖、泥巖為主，局部為炭質(zhì)泥巖，平均厚度約10.5 m。

1.2 微震監(jiān)測(cè)原理

上覆巖層受采動(dòng)影響產(chǎn)生微破裂，同時(shí)釋放彈性波，該彈性波沿周?chē)簬r介質(zhì)向四處擴(kuò)散，被微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)識(shí)別、記錄作為一次微震事件。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可通過(guò)對(duì)彈性波進(jìn)行處理分析并利用式(1)進(jìn)而確定該微震事件的具體發(fā)生地點(diǎn)。通過(guò)大量記錄微震事件的具體發(fā)生地點(diǎn)及時(shí)間，進(jìn)而分析掌握其隨工作面推進(jìn)的具體發(fā)育過(guò)程，空間分布及演化趨勢(shì)。

(1)

式中：a0,b0,c0為震源空間坐標(biāo)；t0為震源產(chǎn)生時(shí)刻；ai,bi,ci為系統(tǒng)傳感器坐標(biāo)(i為傳感器接收到微震信號(hào)時(shí)的先后排序,i=1,2，……)；ti為系統(tǒng)傳感器接收到震源的時(shí)刻；Vi為系統(tǒng)傳感器監(jiān)測(cè)到的波速。

2 微震監(jiān)測(cè)方案及系統(tǒng)定位精度測(cè)定

2.1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

選擇使用YTZ-3型微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其硬件部分主要由采集儀、傳感器和電纜線(xiàn)等部件組成，具有攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，如圖1所示。根據(jù)(4-5)06工作面具體地質(zhì)條件、工作面布置方式以及推進(jìn)速度等，將微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行合理布置。具體布置方案如下：運(yùn)輸巷及軌道巷各布置2個(gè)采集儀，每個(gè)采集儀接收2個(gè)傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采集儀之間間隔40 m，傳感器之間間隔20 m，超前工作面40 m，如圖1所示。傳感器固定于煤幫中突出的錨桿之上，采集儀通過(guò)掛鉤懸掛于側(cè)幫，采集儀與傳感器之間通過(guò)電纜線(xiàn)連接進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳遞，如圖3所示。

圖1 YTZ-3型微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件組成

圖2 傳感器布設(shè)示意

圖3 傳感器安裝示意

首次下井時(shí)，先確定測(cè)點(diǎn)位置，并由地測(cè)科測(cè)量測(cè)點(diǎn)大地坐標(biāo)，測(cè)點(diǎn)從超前工作面40 m處開(kāi)始布置，共用一個(gè)信號(hào)采集儀的兩個(gè)傳感器其測(cè)點(diǎn)間距為20 m，下一組傳感器布置的測(cè)點(diǎn)與前一組靠后的傳感器間隔40 m，因此測(cè)點(diǎn)布置總長(zhǎng)度為80 m；當(dāng)工作面離第一個(gè)傳感器10 m左右時(shí)，將第一組的采集儀與兩個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行撤離，安裝于第二組傳感器后方，間隔40 m。如此循環(huán)往復(fù)，直到完成整個(gè)監(jiān)測(cè)方案預(yù)訂時(shí)期的監(jiān)測(cè)任務(wù)。

2.2 系統(tǒng)定位精度測(cè)定

為了檢驗(yàn)所選用的YTZ-3型微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在新疆硫磺溝煤礦(4-5)06工作面的定位精準(zhǔn)度，在開(kāi)始監(jiān)測(cè)任務(wù)之前，進(jìn)行了一次人工震源的監(jiān)測(cè)定位。首先準(zhǔn)確記錄在軌道巷內(nèi)進(jìn)行的高位瓦斯鉆場(chǎng)爆破施工的具體時(shí)間、地點(diǎn)，然后分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所記錄的彈性波到達(dá)各個(gè)傳感器的時(shí)間，得到該區(qū)域的平均傳播波速，進(jìn)而通過(guò)波速對(duì)爆破施工地點(diǎn)進(jìn)行三維空間定位，最終將此數(shù)據(jù)與實(shí)際距離進(jìn)行比對(duì)，見(jiàn)表1(表1中X、Y、Z是指爆破點(diǎn)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的空間坐標(biāo))，可知其定位精度為7.58 m，其精度在10 m以?xún)?nèi)，以此可判斷該微震系統(tǒng)滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)任務(wù)的需要。

表1 定位精度檢驗(yàn)結(jié)果

3 采動(dòng)覆巖微震事件分布及上覆巖層發(fā)育特征

3.1 采動(dòng)覆巖微震事件分布

通過(guò)數(shù)據(jù)濾波軟件的處理及分析，可以有效得到微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)期間內(nèi)所記錄的有效微震事件，并在三維空間中進(jìn)行精確定位。因篇幅所限，選取其中一個(gè)典型的來(lái)壓事件及監(jiān)測(cè)末期的形態(tài)進(jìn)行分析，該時(shí)間段內(nèi)的微震事件具體分布如圖4—圖6所示。

由圖4可知，當(dāng)工作面累計(jì)推進(jìn)5 m時(shí)，采動(dòng)覆巖中下部產(chǎn)生了少量的微震事件，主要分布在采動(dòng)覆巖底板以上30 m，沿走向35 m范圍之內(nèi)(以開(kāi)切眼為起點(diǎn)，沿工作面推進(jìn)方向35m為終點(diǎn))。且在采動(dòng)覆巖上部及周邊出現(xiàn)零星的微震事件。

圖4 工作面累計(jì)推進(jìn)5 m期間微震事件分布

由圖5可知，當(dāng)工作面累計(jì)推進(jìn)10 m時(shí)，采動(dòng)覆巖中下部產(chǎn)生的微震事件增多，密集程度增加，主要分布范圍出現(xiàn)一定擴(kuò)大，集中于采動(dòng)覆巖底板以上55 m，沿走向70 m范圍之內(nèi)(以開(kāi)切眼為起點(diǎn)，沿工作面推進(jìn)方向70 m為終點(diǎn)),微震事件分布沿走向方向上呈現(xiàn)兩端擴(kuò)展，逐漸減少的形式。

圖5 工作面累計(jì)推進(jìn)10 m期間微震事件分布

由圖6可知，當(dāng)工作面累計(jì)推進(jìn)至15 m時(shí)，采動(dòng)覆巖中下部產(chǎn)生的微震事件驟然增多，密集程度驟然加劇，分布范圍也出現(xiàn)擴(kuò)大，且中下部微震事件發(fā)生區(qū)域出現(xiàn)更多重疊，上部微震事件發(fā)生地點(diǎn)距底板100 m。

圖6 工作面累計(jì)推進(jìn)15 m期間微震事件分布

由圖7可知，當(dāng)工作面累計(jì)推進(jìn)139 m時(shí)，此時(shí)間段內(nèi)在采動(dòng)覆巖中部和下部頂板產(chǎn)生了大量微震事件的聚集，事件分布狀態(tài)和趨勢(shì)以縱向?yàn)橹鳎胁宽敯逦⒄鹗录袇^(qū)域高度在60 m左右，底板上部新增較多微震事件。

圖7 工作面累計(jì)推進(jìn)139 m期間微震事件分布

3.2 采動(dòng)覆巖裂隙發(fā)育特征

通過(guò)分析微震事件的具體空間分布形態(tài)和發(fā)展趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)工作面累計(jì)推進(jìn)5 m時(shí)，采動(dòng)覆巖中下部30 m范圍內(nèi)巖層出現(xiàn)了少量破壞，且沿走向35 m的范圍分布，說(shuō)明采動(dòng)覆巖中下部覆巖受工作面推進(jìn)影響，部分區(qū)域出現(xiàn)巖層破斷，產(chǎn)生少量的縱向擾動(dòng)裂隙，同時(shí)形成長(zhǎng)達(dá)35 m左右的離層裂隙。

當(dāng)工作面累計(jì)推進(jìn)10 m時(shí)，采動(dòng)覆巖中下部區(qū)域因工作面的持續(xù)推進(jìn)，受到進(jìn)一步的擾動(dòng)，底板以上30 m范圍內(nèi)的區(qū)域產(chǎn)生更多的縱向破斷，部分裂隙相互貫通。同時(shí)，受擾動(dòng)影響的范圍增大，在底板以上50 m左右?guī)r層同樣出現(xiàn)少量破斷。

當(dāng)工作面累計(jì)推進(jìn)至15 m時(shí)，采動(dòng)覆巖中下部發(fā)生大量且較為密集的覆巖破斷，事件分布狀態(tài)和趨勢(shì)以縱向?yàn)橹?，中部頂板微震事件集中區(qū)域高度在55 m左右，采動(dòng)覆巖底板上部(沿走向85 m)新增較多微震事件。由此階段微震事件的分布狀態(tài)和趨勢(shì)可得，此階段采動(dòng)覆巖中部和下部頂板有新的裂隙不斷產(chǎn)生，且中部頂板新生裂隙和原有裂隙之間、原有裂隙之間相互貫通，逐漸形成了頂板斷裂帶，斷裂帶的高度約55 m，采動(dòng)覆巖下部頂板裂隙貫通后發(fā)生較大范圍垮落，上部頂板出現(xiàn)離層現(xiàn)象，可斷定為一次周期來(lái)壓現(xiàn)象。

當(dāng)工作面累計(jì)推進(jìn)至139 m時(shí)，此時(shí)間段內(nèi)采空區(qū)頂板新增了較多微震事件，沿走向形成橢拋型斷裂帶高度約為60 m，沿傾向形成不對(duì)稱(chēng)型半圓，頂部位置向回風(fēng)巷一側(cè)傾斜。

在監(jiān)測(cè)時(shí)間段工作面推進(jìn)的過(guò)程中，根據(jù)采動(dòng)覆巖頂板微震事件的活動(dòng)規(guī)律及裂隙演化規(guī)律，可以分析得出該工作面的來(lái)壓步距約為15 m，斷裂帶高度約為60 m。

3.3 微震探測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，地層傾角小于54°，煤層頂板巖石抗壓強(qiáng)度小于40 MPa時(shí)，其垮落帶及斷裂帶最大高度可參考表2進(jìn)行計(jì)算。(4-5)06工作面煤層厚度5.5～6.8 m，平均6.15 m，結(jié)合表2可知，硫磺溝煤礦(4-5)06工作面垮落帶最大高度18.4～24.6 m，平均為21.5 m。斷裂帶最大高度54.0～64.2 m，平均為59.1 m。微震探測(cè)所得的斷裂帶高度同經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比，其最大誤差在6.5%～11.1%，且與平均值59.1 m極為接近，表明微震探測(cè)所得的斷裂帶高度60 m較為準(zhǔn)確。

表2 采動(dòng)覆巖“三帶”高度經(jīng)驗(yàn)公式

4 高位鉆場(chǎng)瓦斯抽采效果分析

4.1 鉆場(chǎng)瓦斯抽采效果分析

由微震監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，(4-5)06工作面上覆巖層受采動(dòng)影響，裂隙發(fā)育形態(tài)呈不對(duì)稱(chēng)橢拋帶，可確定其瓦斯運(yùn)移優(yōu)勢(shì)通道的外邊界位置。標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下卸壓瓦斯與空氣相對(duì)密度為0.554，因此瓦斯具有升浮擴(kuò)散的性質(zhì)，在考慮煤礦施工成本的前提下，為了進(jìn)一步提高瓦斯抽采效率，將高位鉆孔布置在卸壓瓦斯產(chǎn)生的源頭處，減少其擴(kuò)散、運(yùn)移活動(dòng)對(duì)工作面的影響。

根據(jù)檢監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)高位鉆場(chǎng)的鉆孔參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化：設(shè)計(jì)鉆孔分為3個(gè)層次，其中低位鉆孔終孔距巷道頂板3～6 m、中位鉆孔終孔距巷道頂板9～12 m、高位鉆孔終孔距巷道頂板15～18 m。3個(gè)層位的鉆孔全部布置于瓦斯運(yùn)移優(yōu)勢(shì)通道以?xún)?nèi)，低層位鉆孔位于垮落帶下部，中層位鉆孔位于垮落帶上部，高層位鉆孔則位于垮落帶與斷裂帶交界范圍。鉆孔上下2排布置，上排孔距鉆場(chǎng)底板2.0 m，下排孔距鉆場(chǎng)底板1.5 m，第一排鉆孔距離鉆場(chǎng)邊緣0.4 m，其余鉆孔間距0.8 m。鉆場(chǎng)內(nèi)布置10個(gè)鉆孔，上下排各5個(gè)，高位鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2、圖8所示。

圖8 高位鉆孔布置示意

表3 高位鉆場(chǎng)鉆孔布置參數(shù)

通過(guò)對(duì)(4-5)06工作面軌道巷高位鉆場(chǎng)中鉆孔瓦斯抽采濃度、抽采流量以及工作面與鉆場(chǎng)間距進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄，得到了鉆場(chǎng)瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律圖，如圖9所示。

圖9 鉆場(chǎng)抽采效果與工作面推進(jìn)距離變化關(guān)系(2019年)

工作面推進(jìn)至距鉆場(chǎng)65 m時(shí)，高位鉆場(chǎng)開(kāi)始抽采，由于高位鉆孔設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為100 m(鉆孔搭接35 m)，在鉆場(chǎng)抽采初期，鉆孔抽采流量較高，而抽采濃度較低，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，在工作面距鉆場(chǎng)20～45 m處時(shí)，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)較大，而鉆場(chǎng)抽采流量偏小，在此范圍內(nèi)，鉆場(chǎng)抽采流量在63～100 m3/min，鉆場(chǎng)抽采體積分?jǐn)?shù)6.22%～10.94%，回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)保持在0.1%～0.5%，上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)保持在0.5%以下。

4.2 不同層位鉆孔瓦斯抽采效果分析

通過(guò)對(duì)鉆場(chǎng)高抽巷瓦斯抽采進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到圖10所示的不同層位瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)以及抽采流量隨工作面推進(jìn)的變化規(guī)律。

圖10 不同層位瓦斯抽采效果(2019年)

鉆場(chǎng)中低層位鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)平均為7.2%，抽采流量平均為1.3%，中層位鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)平均為11.2%，抽采流量平均為7.5%，高層位鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)平均為5.5%，抽采流量平均為7.2%。中層位鉆孔抽采流量與抽采體積分?jǐn)?shù)最高，高層位鉆孔次之，低層位抽采效果最低。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)使用高位鉆場(chǎng)人工爆破制造震源的方式，對(duì)微震監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行精度檢測(cè)，結(jié)果顯示該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位精度為7.58 m，其精度在10 m以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)任務(wù)的需要。

2)根據(jù)采動(dòng)覆巖頂板微震事件的活動(dòng)規(guī)律及裂隙演化規(guī)律，可以分析得出該工作面的來(lái)壓步距約為15 m，斷裂帶高度約為60 m，斷裂帶最終發(fā)育形成頂部偏向回風(fēng)巷的不對(duì)稱(chēng)橢拋帶。

3)通過(guò)分析微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)高位鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并檢驗(yàn)了高位鉆場(chǎng)瓦斯抽采效果。結(jié)果表明：鉆場(chǎng)抽采流量在63～85 m3/min，鉆場(chǎng)抽采體積分?jǐn)?shù)6.22%～10.94%，鉆場(chǎng)中層位抽采效果最佳，井下瓦斯體積分?jǐn)?shù)低于1%，有效保證了工作面的安全推進(jìn)。