基于微震監(jiān)測(cè)的煤巖破壞與瓦斯涌出關(guān)系研究

侯 俊

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 安全生產(chǎn)管理中心，山西 太原 030024)

隨著礦井開(kāi)采深度的不斷增加，礦井瓦斯含量和瓦斯壓力逐步增大，瓦斯涌出量也逐漸增大，增加了瓦斯治理難度。探究瓦斯涌出來(lái)源及規(guī)律對(duì)做好瓦斯治理工作有著重大意義[1].目前，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)被廣泛用于煤礦安全管理中[2-5].在煤層開(kāi)采中，可以根據(jù)微震事件能量變化間接反映工作面煤體應(yīng)力變化和瓦斯涌出情況[5].李文福等現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)探測(cè)瓦斯富集區(qū)是可靠的[6].本文將結(jié)合前人的研究成果，利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)高瓦斯綜放面煤巖破壞影響瓦斯涌出的情況進(jìn)行研究。

1 工作面概況

東瑞煤礦3號(hào)煤層賦存穩(wěn)定，煤厚約為5.99 m，頂板以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，底板以黑色泥巖、粉砂巖為主，基本底主要是中細(xì)粒砂巖。S2205工作面可采走向長(zhǎng)度為1 204 m，傾斜長(zhǎng)度為265 m，采高為3.8 m，綜放開(kāi)采，共安設(shè)支架176臺(tái)。

2 監(jiān)測(cè)工作面煤巖破壞

采煤工作面因掘進(jìn)和回采的影響，破壞了原巖應(yīng)力的平衡狀態(tài)，重新分布應(yīng)力，若一部分巖層所受的應(yīng)力大于自身的強(qiáng)度，巖體會(huì)開(kāi)始斷裂甚至垮落下沉同時(shí)形成微震(應(yīng)力波)。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以定義為借助在采場(chǎng)周?chē)贾脗鞲衅?主要為拾震器或檢波器)，連續(xù)不間斷24 h采集微震信息，另外基于震動(dòng)定位機(jī)理，判斷巖體發(fā)生破裂的三維空間區(qū)域，也可利用震源機(jī)理研究巖體破裂性質(zhì)和尺寸，為分析采場(chǎng)裂隙演化規(guī)律及上覆巖體空間破壞冒落形態(tài)提供有效的方法[7-8].將ARAMIS M/E微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于東瑞煤礦S2205工作面，當(dāng)工作面推進(jìn)165.8 m時(shí)，微震事件分布情況見(jiàn)圖1.

巖體發(fā)生煤巖破壞與微震之間的關(guān)系是必要非充分條件，就是煤巖體發(fā)生微震現(xiàn)象不一定意味著煤巖體發(fā)生破壞，但是煤巖發(fā)生破壞一定會(huì)伴隨微震現(xiàn)象。

根據(jù)微震事件頻數(shù)、能量及距離的1～4階差分變化規(guī)律可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤巖破壞。如果發(fā)生微震事件密集度增大、連續(xù)貫通的現(xiàn)象，意味著煤巖發(fā)生破壞，如果僅發(fā)生單一的微震事件，并不表示煤巖體已經(jīng)發(fā)生破壞。

由圖1a)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)微震事件的分布規(guī)律得到，煤巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞的區(qū)域主要位于工作面前方煤體10～50 m，沿著工作面走向，較大能量的微震事件主要集中在工作面前方煤體10～30 m.同時(shí)，在工作面采空區(qū)也存在一部分微震事件，可得到在工作面回采階段，煤層頂?shù)装彘_(kāi)始失穩(wěn)斷裂或破壞，最終垮落形成采空區(qū)。從圖1b)發(fā)現(xiàn)，在煤層頂?shù)装鍘r體分布著大量的微震事件，且在煤層頂板中出現(xiàn)微震事件的數(shù)量明顯大于底板，然而微震事件相對(duì)較少發(fā)生在煤層中。結(jié)合微震事件分布的規(guī)律，能大致獲得工作面頂?shù)装迨Х€(wěn)破壞范圍，頂板的破壞高度在10～60 m，頂板以上30 m微震事件分布最為集中；底板的破壞高度在0～30 m，底板以下10 m內(nèi)微震事件較為集中。

圖1 微震事件在工作面分布情況圖

通過(guò)微震事件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到，在煤層頂板的基本頂破壞斷裂之前發(fā)生少量的微震事件，當(dāng)基本頂開(kāi)始破壞，微震事件突然增加，伴隨事件頻數(shù)多、密集度增大、能量高，基本頂破壞結(jié)束，微震事件突然減少，伴隨著事件頻數(shù)減小、能量降低；工作面不斷向前回采，微震事件的發(fā)生頻數(shù)、密集度及能量高低發(fā)生周期性變化規(guī)律。利用微震監(jiān)測(cè)方法，可大致獲得基本頂發(fā)生周期性失穩(wěn)破裂的時(shí)間及區(qū)域。

3 煤巖破壞與瓦斯涌出關(guān)系

因?yàn)榘l(fā)生微震事件的數(shù)量和釋放的能量表示了工作面煤巖破壞情況，所以通過(guò)研究微震事件和瓦斯涌出的關(guān)系，能掌握煤巖破壞對(duì)瓦斯涌出的影響。將監(jiān)測(cè)微震期間的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與工作面的最大瓦斯涌出量和平均瓦斯涌出量進(jìn)行對(duì)比分析，4月10日—4月24日微震事件數(shù)量、微震事件發(fā)生能量、最大瓦斯涌出量和平均瓦斯涌出量變化情況見(jiàn)圖2，圖3.

圖2 微震事件數(shù)量與瓦斯涌出之間關(guān)系圖

圖3 微震事件發(fā)生能量與瓦斯涌出之間關(guān)系圖

從圖2，3發(fā)現(xiàn)，工作面的瓦斯涌出量與微震事件的數(shù)量及能量大小的分布都具備一定的周期性。瓦斯涌出量隨著微震事件發(fā)生數(shù)量的升高而相應(yīng)增大，當(dāng)發(fā)生微震事件數(shù)量達(dá)到最大值階段，瓦斯涌出量繼續(xù)升高，但2天后迅速減少，微震事件發(fā)生數(shù)量的最大值要超前于瓦斯涌出量的最大值。伴隨煤巖體破壞不斷加強(qiáng)，瓦斯涌出量在逐步升高，但瓦斯的大量涌出要滯后于煤巖的完全破壞1個(gè)班，所以借助微震監(jiān)測(cè)手段能間接預(yù)估瓦斯涌出情況。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)研究結(jié)果得到工作面周期來(lái)壓的到來(lái)一般比微震事件峰值出現(xiàn)時(shí)間略晚，比瓦斯涌出量峰值出現(xiàn)時(shí)間略早。根據(jù)微震事件的能量、個(gè)數(shù)及頻數(shù)來(lái)判斷工作面來(lái)壓規(guī)律和瓦斯涌出規(guī)律。

2)在東瑞煤礦S2205工作面來(lái)壓之前，微震事件的能量和數(shù)量發(fā)生明顯升高；微震事件的數(shù)量和能量在周期來(lái)壓完成之后開(kāi)始下降，并逐步趨于正常；隨著煤巖破壞的增加，工作面瓦斯涌出量在不斷升高，且瓦斯大量涌出比煤巖的充分破壞要推遲1個(gè)班。