巨野礦區(qū)厚表土薄基巖綜放工作面微震響應(yīng)特征

殷海晨，劉國(guó)磊，曹安業(yè)，王澤東

(1.山東能源集團(tuán)有限公司 沖擊地壓防治研究中心，山東 濟(jì)南 250014；2.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000；3.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061；4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

我國(guó)煤礦開(kāi)采深度在逐年增加，沖擊地壓威脅也越來(lái)越嚴(yán)重。頂板動(dòng)載是誘發(fā)沖擊的關(guān)鍵因素之一，竇林名[1]、姜耀東[2]、齊慶新[3]、蔣金泉[4]等眾多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)其誘沖機(jī)理進(jìn)行深入探索，取得豐富研究成果，但關(guān)于山東巨野礦區(qū)深厚松散層薄基巖厚煤層開(kāi)采這種特定條件下的巨厚基本頂誘沖機(jī)理及其防治技術(shù)研究相對(duì)缺乏。巨野礦區(qū)近年來(lái)發(fā)生過(guò)多起沖擊地壓事故，造成了巨大生命財(cái)產(chǎn)損失，礦井開(kāi)采受沖擊地壓威脅越來(lái)越嚴(yán)重。針對(duì)該礦區(qū)3煤層，地層結(jié)構(gòu)具有顯著特征：①煤層厚，普遍為6～10m，采用綜放采煤工藝；②深井開(kāi)采，埋深普遍接近甚至超過(guò)1000m；③覆巖為厚松散層、薄基巖條件，頂板靜載高，低位存在厚度較大的細(xì)砂巖基本頂。在開(kāi)采過(guò)程中，厚松散層更多的沿采空區(qū)邊界發(fā)生剪切破壞，覆巖結(jié)構(gòu)與常規(guī)開(kāi)采存在明顯不同，高靜載直接作用于低位厚硬頂板，頂板破斷釋放大量能量，產(chǎn)生強(qiáng)動(dòng)載，受采空區(qū)、煤柱和斷層等因素疊加影響時(shí)應(yīng)力條件更加復(fù)雜，巷道圍巖出現(xiàn)明顯片幫、變形等動(dòng)力顯現(xiàn)現(xiàn)象，甚至采場(chǎng)支架壓死、冒頂和發(fā)生沖擊地壓災(zāi)害。

眾多學(xué)者針對(duì)厚表土薄基巖條件下的采煤工作面動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理進(jìn)行了深入研究，取得豐富研究成果，王乃國(guó)等[5]結(jié)合巨野礦區(qū)深厚表土薄基巖綜放工作面沖擊地壓防治問(wèn)題，開(kāi)展實(shí)測(cè)研究，驗(yàn)證了巖層運(yùn)動(dòng)、地表沉陷與沖擊地壓發(fā)生具有一定相關(guān)性；郭信山等[6]研究了深厚表土薄基巖采場(chǎng)合理支護(hù)阻力；王德超等[7]對(duì)巨野礦區(qū)新巨龍煤礦1306工作面走向煤體垂直應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測(cè)，確定不同回采階段的合理超前支護(hù)距離和解危措施；李江華等[8]建立了硬巖復(fù)合破斷上覆巖層載荷傳遞力學(xué)模型；左建平等[9]建立了巖層整體移動(dòng)的“類(lèi)雙曲線”模型；伊康等[10]采用離散元軟件3DEC與多元非線性回歸分析手段建立了塑性鉸連桿模型，確定了液壓支架工作阻力計(jì)算公式；杜鋒等[11]研究了薄基巖綜放采場(chǎng)支架-圍巖關(guān)系；譚云亮等[12]采用理論分析研究了堅(jiān)硬頂板型沖擊地壓發(fā)生機(jī)理；王家臣等[13]研究了厚沖積層作用下深埋弱膠結(jié)薄基巖頂板動(dòng)載沖擊效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制；王中州等[14]定量分析回撤通道與基本頂斷裂線位置不同空間關(guān)系下液壓支架承受的載荷，確定回撤通道的合理位置及支護(hù)參數(shù)。

以上研究成果豐富了厚表土薄基巖條件的工作面開(kāi)采理論，但多從厚表土薄基巖條件下的工作面突水防治、支架參數(shù)、地表沉降及覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律等方面開(kāi)展研究工作，且研究對(duì)象多為淺埋煤層，研究較少涉及巨厚表土層深井綜放工作面微震響應(yīng)規(guī)律。該開(kāi)采條件下沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理與普通基巖條件的煤層開(kāi)采差異明顯，應(yīng)對(duì)其開(kāi)采產(chǎn)生的頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律與微震響應(yīng)特征開(kāi)展深入研究。目前微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)在煤礦沖擊地壓監(jiān)測(cè)中廣泛應(yīng)用，其原理是利用巖體受力變形和破壞后本身發(fā)射出地震波來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)工程巖體穩(wěn)定性，微震是當(dāng)前表征和監(jiān)測(cè)覆巖運(yùn)動(dòng)最直觀的參量[15]。因此，本文對(duì)巨野礦區(qū)新巨龍煤礦1302(上)和1303綜放工作面微震響應(yīng)特征進(jìn)行分析，研究頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為該礦井及類(lèi)似條件下的防沖工作提供技術(shù)依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程及微震監(jiān)測(cè)概況

1.1 一采區(qū)3煤層及頂板概況

圖1 區(qū)域鉆孔柱狀

一采區(qū)3煤層厚5.0～8.8m，傾角3°～6°，含1層厚0.03～0.19m的泥巖夾矸，平均采高7m。3煤?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度16MPa，具有弱沖擊傾向性。區(qū)域鉆孔柱狀如圖1所示，3煤直接頂為厚1.49m的泥巖，基本頂為厚24.85m的細(xì)砂巖，巖層強(qiáng)度大，是主關(guān)鍵層。煤層上方70m處有20.8m的砂巖，120m處有20.8m的砂巖，這些巖層主要由粉砂巖、細(xì)砂巖和泥巖組成，強(qiáng)度較低，開(kāi)采過(guò)程中懸頂情況不明顯，巨厚松散層在煤層開(kāi)采后地表塌陷明顯，地表沉降量24mm以上區(qū)域占比87%，最大70mm，沉降速率達(dá)到45mm/a。因此，細(xì)砂巖基本頂是對(duì)工作面動(dòng)靜載疊加沖擊風(fēng)險(xiǎn)影響較大的主關(guān)鍵層。

1.2 單側(cè)采空1302(上)工作面

工作面平均采高6.98m，循環(huán)進(jìn)度0.8m，采放比1∶0.75，東側(cè)為1302工作面采空區(qū)，寬130m，區(qū)段煤柱寬5m，西側(cè)為實(shí)體煤，研究周期內(nèi)工作面共推采590m，最大埋深878m，走向長(zhǎng)1360m。

1.3 大煤柱跳采1303工作面

工作面兩側(cè)為實(shí)體煤，其中西側(cè)距1301工作面采空區(qū)230m，研究周期內(nèi)工作面共推進(jìn)770m，最大埋深1047m，平均采高7.03m，傾向長(zhǎng)245m，走向長(zhǎng)2575m，平面布置如圖2所示。

圖2 工作面平面布置

1.4 礦井微震監(jiān)測(cè)概況

微震是實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜載疊加型沖擊地壓監(jiān)測(cè)的有效手段[16，17]，微震事件整體分布情況如圖3所示，研究區(qū)間為2020年1月1日至次年2月28日，在此期間礦井僅在1302(上)和1303工作面進(jìn)行回采作業(yè)，期間內(nèi)共發(fā)生1×102J及以上能量事件12921個(gè)，其中1302(上)工作面5436個(gè)，1303工作面6633個(gè)，其他掘進(jìn)施工地點(diǎn)852次。微震事件主要集中在留煤柱跳采的1303工作面。1303工作面傾向和推采長(zhǎng)度均較大，且為實(shí)體煤中開(kāi)采，頂板受擾動(dòng)影響大，覆巖運(yùn)動(dòng)程度大，頂板大規(guī)模破斷產(chǎn)生大量微震事件，而單側(cè)采空的1302(上)工作面開(kāi)采范圍相對(duì)較小，且頂板整體完整性較差，微震事件數(shù)量相對(duì)較少，但也占據(jù)較大比例，表明采空區(qū)對(duì)微震事件的產(chǎn)生有很大影響，對(duì)單側(cè)采空和留大煤柱跳采這兩類(lèi)工作面的微震事件特征和差異進(jìn)行分析研究，對(duì)于明確礦井微震響應(yīng)機(jī)制，為優(yōu)化開(kāi)采設(shè)計(jì)提供依據(jù)，達(dá)到區(qū)域防沖目的有重要意義。

圖3 微震事件整體分布情況

2 單側(cè)采空工作面微震響應(yīng)規(guī)律

2.1 微震事件時(shí)空分布

微震事件垂直分布情況如圖4所示，點(diǎn)直徑大小根據(jù)能量值按比例繪制，大能量事件平面分布如圖5所示。微震事件在煤層頂?shù)装甯浇s30m范圍密集分布，大能量事件集中在細(xì)砂巖基本頂位置，高位頂板微震事件少且能量較小。表明工作面開(kāi)采過(guò)程中，頂板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受厚細(xì)砂巖基本頂控制明顯，覆巖自重應(yīng)力也大部分由基本頂承載，在采空區(qū)邊界、臨近構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力分布更加復(fù)雜，基本頂累積大量彈性能，開(kāi)采擾動(dòng)誘發(fā)頂板破斷并釋放大量能量，產(chǎn)生大能量微震事件。

圖4 1302(上)工作面微震垂直分布情況

圖5 1302(上)工作面大能量事件平面分布

圖6 1302(上)工作面超前影響范圍

根據(jù)工作面位置計(jì)算每個(gè)微震事件超前工作面的距離，以5m為一個(gè)單元區(qū)間，統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間內(nèi)的微震頻次和總能量情況，如圖6所示。基本頂控制的覆巖結(jié)構(gòu)在厚松散層高靜載影響下應(yīng)力傳遞距離遠(yuǎn)，超前70m產(chǎn)生大規(guī)模微震事件，工作面采動(dòng)影響范圍約為面后30m至面前170m，超前應(yīng)力峰值約為面前70m。工作面超前支護(hù)采用ZTC11900/25/50邁步支架和ZQ4000/20.6/45單元支架，支護(hù)長(zhǎng)度200m，在面前50～70m支架阻力升高明顯，甚至在基本頂強(qiáng)動(dòng)載作用下被壓死，應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)到峰值區(qū)應(yīng)力增量高達(dá)8MPa。

計(jì)算每個(gè)微震事件在工作面的側(cè)向距離，以5m距離為一個(gè)區(qū)間，統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)間內(nèi)的微震頻次和總能量情況，如圖7所示。微震事件受采空區(qū)影響明顯，主要分布在采空側(cè)，頂板呈S型覆巖空間結(jié)構(gòu)，工作面內(nèi)25～35m位置微震集中分布，該位置基本頂在頂板厚松散層高靜載和采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力作用下發(fā)生周期性斷裂，破斷后釋放大量能量，動(dòng)載影響明顯，存在誘發(fā)采空側(cè)巷道沖擊地壓的可能。

圖7 1302(上)工作面?zhèn)认蛴绊懛秶?/p>

2.2 微震事件頻次和總能量分布

對(duì)每月1×102J、1×103J和1×104J等級(jí)的微震事件頻次和總能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖8所示，發(fā)生1×104J以上微震事件19次，主要在斷層和臨近采空區(qū)位置，平面分布如圖5所示。工作面推采過(guò)程中基本頂周期性垮落，微震呈周期性頻繁發(fā)生，能量以1×102J最多，部分事件達(dá)到1×103J；在臨近斷層構(gòu)造時(shí)，圍巖活動(dòng)頻繁且劇烈，微震頻次增多，能量突增，達(dá)到1×104J；過(guò)斷層期間采取強(qiáng)化卸壓措施，降低推采速度，基本頂微震頻次和能量均明顯下降，推采過(guò)斷層后微震繼續(xù)呈周期性變化；隨采空面積擴(kuò)大，頂板應(yīng)力轉(zhuǎn)移程度不斷增加，在采空區(qū)走向邊界位置出現(xiàn)1×104J大能量事件。工作面開(kāi)采期間頂板微震事件整體較平穩(wěn)，但在臨近斷層、采空區(qū)邊界等特殊區(qū)域應(yīng)力集中程度較高，基本頂積聚大量彈性能，破斷后產(chǎn)生大能量微震事件。

圖8 1302(上)工作面不同能級(jí)微震分布情況

2.3 微震事件與回采進(jìn)尺關(guān)系

控制工作面回采速度是沖擊地壓防治的有效手段[18]。沖擊地壓防治相關(guān)規(guī)程、細(xì)則、手冊(cè)等系列文件也對(duì)合理控制沖擊地壓礦井回采強(qiáng)度做出專(zhuān)項(xiàng)規(guī)定[19，20]。統(tǒng)計(jì)工作面回采進(jìn)尺與能量、頻次關(guān)系如圖9所示，工作面進(jìn)尺與微震能量和頻次有著正相關(guān)性，工作面過(guò)斷層期間降低推采速度，基本頂微震頻次和能量均明顯下降，過(guò)斷層后一直保持高強(qiáng)度推采，頂板出現(xiàn)周期性斷裂、垮落，末采期間基本頂垮落不及時(shí)，出現(xiàn)小范圍懸頂，破斷后產(chǎn)生強(qiáng)動(dòng)載影響，微震能量大。高強(qiáng)度推采易造成關(guān)鍵層垮落不及時(shí)，出現(xiàn)懸頂現(xiàn)象，懸臂梁斷裂之前會(huì)有一個(gè)明顯的微震數(shù)量和能量下降期，2020年10月至11月微震頻次和能量顯著降低，期間彈性能在頂板內(nèi)積聚，隨后基本頂在12月發(fā)生大規(guī)模破斷，產(chǎn)生強(qiáng)動(dòng)載，因此，應(yīng)保持低強(qiáng)度勻速推采，避免引起基本頂?shù)哪芰糠e聚和大規(guī)模釋放，同時(shí)分析微震頻次和能級(jí)降低情況能預(yù)測(cè)基本頂后續(xù)大規(guī)模破斷的時(shí)機(jī)，提前采取專(zhuān)項(xiàng)防沖措施。

圖9 1302(上)工作面回采進(jìn)尺與能量、頻次關(guān)系

3 大煤柱跳采工作面微震響應(yīng)規(guī)律

3.1 微震事件時(shí)空分布

1303工作面微震垂直分布情況如圖10所示，大能量事件分布如圖11所示。微震事件主要分布在煤層頂板以上40m及煤層底板以下20m范圍，大部分集中在高20～30m細(xì)砂巖基本頂附近，高位頂板微震事件少且能量較小。開(kāi)采過(guò)程中頂板運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要受厚細(xì)砂巖基本頂控制。

圖10 1303工作面微震垂直分布

圖11 1303工作面大能量事件平面分布

如圖12所示，工作面基本頂控制的覆巖結(jié)構(gòu)在厚松散層高靜載影響下應(yīng)力傳遞距離遠(yuǎn)，超前80m微震事件集中分布區(qū)域基本頂彈性能積聚程度大，動(dòng)載影響明顯。1303工作面微震事件在工作面推進(jìn)方向的分布范圍為面后15m至面前200m，超前應(yīng)力峰值約為面前80m。在峰值區(qū)附近的支架和應(yīng)力計(jì)均出現(xiàn)應(yīng)力異常顯現(xiàn)，在工作面前方400m左右，受預(yù)卸壓施工擾動(dòng)影響，引起了5次較大能量事件。

圖12 1303工作面超前影響距離情況

如圖13所示，微震事件側(cè)向分布形態(tài)呈不對(duì)稱(chēng)雙峰型，微震整體向?qū)捗褐粋?cè)偏移，煤柱側(cè)應(yīng)力集中程度高于另一側(cè)。表明在厚松散層厚基本頂條件下，采空區(qū)應(yīng)力傳播距離遠(yuǎn)，基本頂斷裂規(guī)律受煤柱影響大，230m煤柱不能完全阻隔采空區(qū)應(yīng)力傳遞影響，因此煤柱側(cè)巷道是防沖的重點(diǎn)。

圖13 1303工作面?zhèn)认蛴绊懢嚯x情況

3.2 微震事件頻次和總能量分布

同樣將1303工作面不同能量級(jí)別微震事件繪制曲線，能量和頻次分布情況如圖14所示。工作面整體微震事件頻次和能量相對(duì)較平穩(wěn)，無(wú)明顯周期性變化，在臨近斷層期間出現(xiàn)峰值，在末采和斷層位置發(fā)生1×104J以上微震事件31次；由于工作面兩側(cè)為實(shí)體煤，初采期間微震頻次和能量均處于低水平狀態(tài)，見(jiàn)方區(qū)域突增，表明此時(shí)基本頂開(kāi)始大規(guī)?？迓?，見(jiàn)方后垮落持續(xù)且狀態(tài)平穩(wěn)；過(guò)斷層前，事件頻次和能量突增，表明構(gòu)造應(yīng)力引起基本頂內(nèi)彈性能積聚，開(kāi)采擾動(dòng)導(dǎo)致頂板破斷，高彈性能瞬時(shí)釋放，產(chǎn)生強(qiáng)動(dòng)載，過(guò)斷層后事件響應(yīng)水平迅速下降并維持在較低水平，再次臨近斷層時(shí)出現(xiàn)頻次和能量的突增。

圖14 1303工作面不同能級(jí)微震分布情況

3.3 微震頻次及能量與回采進(jìn)尺關(guān)系

微震事件頻次及能量與回采進(jìn)尺變化關(guān)系如圖15所示。工作面推進(jìn)速度開(kāi)始較小，在見(jiàn)方階段后逐步提升，并維持在較高水平，其變化趨勢(shì)同樣與微震響應(yīng)有正相關(guān)性。因工作面為實(shí)體煤中開(kāi)采，采空區(qū)影響程度小，頂板完整性較好，開(kāi)采過(guò)程中基本頂破斷、垮落釋放的能量等級(jí)較小，工作面微震事件整體呈現(xiàn)出三個(gè)階段：一是初采階段，基本頂未發(fā)生明顯破斷，見(jiàn)方后頂板開(kāi)始周期性垮落，表現(xiàn)出微震事件的增多，但微震頻次和能級(jí)偏低；二是臨近斷層階段，微震數(shù)量顯著增多，但能級(jí)處于較低水平；第三階段是過(guò)斷層后的高強(qiáng)度推采階段，此時(shí)地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，期間微震事件數(shù)量和能級(jí)在8、9月出現(xiàn)明顯降低，10月出現(xiàn)小幅回升后在11月下降，在12月至次年2月微震能量和數(shù)量出現(xiàn)迅速增長(zhǎng)。因此，留大煤柱跳采工作面基本頂破斷垮落的難度大，高強(qiáng)度推采更易引起微震的明顯時(shí)滯性，且時(shí)間跨度大，頂板突發(fā)性斷裂引起的強(qiáng)動(dòng)載對(duì)煤柱側(cè)巷道的沖擊危險(xiǎn)性影響更大。

圖15 1303工作面回采進(jìn)尺與能量、頻次關(guān)系

4 結(jié) 論

1)巨厚松散層在煤層開(kāi)采后地表塌陷明顯，微震事件集中在基本頂區(qū)域，表明細(xì)砂巖基本頂是對(duì)工作面動(dòng)靜載疊加沖擊風(fēng)險(xiǎn)影響較大的主關(guān)鍵層。

2)單側(cè)采空區(qū)工作面超前50～70m位置的采空側(cè)巷道、采空區(qū)走向邊界、地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域是強(qiáng)微震事件高發(fā)區(qū)域，動(dòng)靜載疊加誘發(fā)沖擊的風(fēng)險(xiǎn)較大。

3)留230m煤柱跳采的工作面微震事件數(shù)量和能量在傾向上呈偏向采空區(qū)一側(cè)分布的雙峰型，大尺寸煤柱不能完全阻隔采空區(qū)應(yīng)力傳遞影響，超前工作面60～80m的煤柱側(cè)巷道、臨近地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域是強(qiáng)微震高發(fā)區(qū)域，也是重點(diǎn)防沖區(qū)域。

4)留大煤柱跳采工作面基本頂破斷垮落的難度大，高強(qiáng)度推采更易引起微震的明顯時(shí)滯性，且時(shí)間跨度大，頂板突發(fā)性斷裂引起的強(qiáng)動(dòng)載對(duì)煤柱側(cè)巷道的沖擊危險(xiǎn)性影響更大。

5)對(duì)比兩類(lèi)工作面的微震響應(yīng)特征，單側(cè)采空工作面的頂板完整性差，頂板活動(dòng)頻繁，微震事件隨推采周期性波動(dòng)，留大煤柱跳采工作面頂板完整性好，破斷垮落難度相對(duì)較大，頂板易懸頂而積聚大量彈性能，特別是高強(qiáng)度推采易導(dǎo)致局部突發(fā)性破斷而集中釋放，微震事件出現(xiàn)明顯時(shí)滯性。

6)為有效防治沖擊地壓，工作面應(yīng)保持低強(qiáng)度勻速推采，避免引起基本頂?shù)拇笠?guī)模能量積聚和突發(fā)性釋放，同時(shí)分析微震頻次和能級(jí)降低情況能預(yù)測(cè)基本頂后續(xù)大規(guī)模破斷的時(shí)機(jī)，提前防沖。