巨厚堅(jiān)硬頂板下半孤島采場微震響應(yīng)特征研究

王澤東，劉國磊，2，田利華，崔 崳，鄭寓超，梁文昭，張欣榮

(1.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255000；2.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250012；3.棗莊礦業(yè)集團(tuán) 高莊煤業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 277605；4.山東能源集團(tuán)防沖中心，山東 濟(jì)南 250014)

隨著我國淺部煤炭資源的逐漸枯竭和深部資源的逐步開發(fā)，煤礦開采深度以每年約8～12m的速度遞增，尤其是在華東地區(qū)，遞增速度達(dá)到10～25m/a[1]。采深的快速增長導(dǎo)致沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量和沖擊地壓災(zāi)害頻次逐年增加，防治難度也不斷提高。眾多專家學(xué)者在沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理、監(jiān)測預(yù)警技術(shù)以及防治技術(shù)等方面開展了大量研究工作，取得了一系列成果，但當(dāng)前仍未能科學(xué)的揭示沖擊機(jī)理并徹底遏制災(zāi)害的發(fā)生[2-9]。近年來，部分專家學(xué)者提出“分類分區(qū)”的防治思想，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證可以揭示一定類型和范圍的沖擊動(dòng)力現(xiàn)象[10-15]。山東省魯西煤炭基地是我國重要的能源基地，該區(qū)域多個(gè)礦井面臨著采深大，且上覆巖層中存在巨厚堅(jiān)硬頂板，開采過程中容易造成大面積懸頂，礦壓顯現(xiàn)劇烈，巷道支護(hù)困難，沖擊危險(xiǎn)性高。依據(jù)翟明華、姜福興等提出的以“分類治理”為核心思想的沖擊地壓“分類-評價(jià)-解危-預(yù)警-檢驗(yàn)-支護(hù)-管理”“七模塊”治理技術(shù)體系[11]，本文以巨厚堅(jiān)硬頂板下的半孤島采場為工程背景，利用微震監(jiān)測對該條件下的礦壓顯現(xiàn)特征和沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警技術(shù)進(jìn)行針對性研究。

1 工程概況

山東省滕縣煤田某礦井主采3煤層，該煤層包含3上煤層和3下煤層，層間距較小，在復(fù)雜地質(zhì)和開采技術(shù)條件區(qū)域開采過程中礦壓顯現(xiàn)較強(qiáng)，巷道支護(hù)難度增大，受沖擊地壓威脅較嚴(yán)重。礦井3下煤層的3下1103工作面位于西十一采區(qū)中部，走向長1225m，傾斜長205m，平均埋深480m，平均煤層厚度4.15m，工作面采用走向長壁后退式采煤法，垮落法管理頂板。工作面于2019年6月至2021年1月期間回采完畢，中部留斷層煤柱(寬179m)。

3下1103工作面平面布置如圖1所示，工作面南側(cè)為大面積采空區(qū)，北側(cè)為寬421m的孤立煤體，如圖2所示，本工作面位于3上保護(hù)層內(nèi)(3上1103采空區(qū)和3上1101采空區(qū))，北側(cè)臨近孤立煤體(寬185m)，兩孤立煤體疊加后應(yīng)力集中程度大，該區(qū)域的沖擊風(fēng)險(xiǎn)較大。見表1，關(guān)鍵層以厚硬中砂巖為主，265m處存在116m厚的礫巖層，因此，雖然工作面處于保護(hù)層內(nèi)，且部分頂板已經(jīng)垮落，但頂板在半孤島、重復(fù)采動(dòng)、巨厚堅(jiān)硬頂板條件下仍可能形成大面積懸頂，造成局部應(yīng)力集中，高靜載或動(dòng)靜載疊加極易誘發(fā)沖擊地壓。后續(xù)3下1105、3下1107和3上1105工作面也面臨孤島、半孤島開采條件，其他礦區(qū)也普遍存在類似條件的工作面，對3下1103工作面開采期間的微震響應(yīng)特征進(jìn)行研究，分析該條件下的覆巖運(yùn)動(dòng)特征，能夠?yàn)闆_擊地壓防治提供實(shí)用和具有推廣價(jià)值的依據(jù)。

2 現(xiàn)場微震監(jiān)測方案及數(shù)據(jù)分析

2.1 微震拾震器布點(diǎn)方案

在3下1103工作面使用SOS微震系統(tǒng)監(jiān)測采動(dòng)過程中頂?shù)装宓倪\(yùn)動(dòng)情況，為沖擊地壓防治工作提供支撐和依據(jù)。在該工作面安裝6組拾震器，分別在兩巷道各安設(shè)3組，拾震器從距切眼50m處開始布置，間距300m～500m，始終保證1200m范圍內(nèi)不少于5組。拾震器均使用專用錨桿安裝，安裝地點(diǎn)避開圍巖破碎、構(gòu)造發(fā)育、滲水、較強(qiáng)震動(dòng)干擾、較強(qiáng)電磁干擾等區(qū)域。礦井已通過分析多個(gè)工作面開采期間的微震系統(tǒng)性能特性與沖擊危險(xiǎn)性間的關(guān)聯(lián)，制定了微震系統(tǒng)分級預(yù)警指標(biāo)，并在本工作面沿用。

表1 局部鉆孔揭露的煤層頂?shù)装迩闆r

2.2 微震監(jiān)測結(jié)果

利用SOS微震系統(tǒng)監(jiān)測3下1103工作面整個(gè)回采周期，不同能量等級的微震事件在采空側(cè)(材料巷)分布情況如圖3所示，平面分布如圖4所示。

由圖3、圖4可知，工作面超前影響距離約175m，采空側(cè)影響范圍約46m，實(shí)體煤側(cè)約53m，由于保護(hù)層的作用，頂板活動(dòng)程度相對較小且應(yīng)力均勻傳遞，頂板破斷平面形狀較規(guī)整。里段初采期間覆巖應(yīng)力逐漸調(diào)整，僅發(fā)生一次大的震動(dòng)事件，里段末采時(shí)在斷層區(qū)域的底板內(nèi)出現(xiàn)大能量事件，此時(shí)主要受地塹構(gòu)造影響。

微震事件在空間上主要均勻散布在工作面外段，且大多位于底板附近，這是保護(hù)層開采使得頂板應(yīng)力向底板轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的，由于遺留煤柱內(nèi)應(yīng)力集中程度較大，臨近煤柱區(qū)域(推采600m附近)底板破壞嚴(yán)重，同時(shí)高位中砂巖也因應(yīng)力集中而斷裂，發(fā)生大的震動(dòng)(高度為74m)。外段開采中期(推進(jìn)約1011m)，頂板161m處發(fā)生大的震動(dòng)事件，隨后也出現(xiàn)較低層位的巖層運(yùn)動(dòng)，此時(shí)覆巖結(jié)構(gòu)調(diào)整程度較大，是發(fā)生動(dòng)靜載疊加型沖擊地壓的高風(fēng)險(xiǎn)期，而前期微震事件能量和頻次的顯著降低是明顯預(yù)兆。

綜合分析圖3—圖8可知：①3下1103工作面微震事件頻次和能量變化不同步，且總頻次較低，共計(jì)有效事件約565個(gè)，覆巖運(yùn)動(dòng)程度相較3上保護(hù)層(圖8)降低明顯；②微震事件頻次和能量變化滯后于推采速度變化，這一現(xiàn)象隨采空區(qū)面積增大而更顯著，即參數(shù)增長優(yōu)先度為推進(jìn)速度>頻次>能量，外段中部的斷層延伸長度小，受保護(hù)層采動(dòng)影響后活化，能量被釋放，區(qū)域破碎頂板運(yùn)動(dòng)是引起小能量微震頻次陡增的原因；③保護(hù)層開采已經(jīng)引起上覆關(guān)鍵層的大范圍破斷，本面開采期間堅(jiān)硬頂板區(qū)域事件數(shù)量較少，但能量巨大，如初采期間微震頻次低，能量大，堅(jiān)硬頂板破斷釋放大量能量，危害較大，外段末采期間堅(jiān)硬頂板內(nèi)應(yīng)力不斷積累，破斷后瞬時(shí)釋放大量能量；④積聚大量能量的斷層、煤柱附近頂板微震事件數(shù)量明顯增多和能量變大，說明構(gòu)造和煤柱應(yīng)力集中對頂板、底板活動(dòng)影響較大，區(qū)域的沖擊危險(xiǎn)大；⑤半孤島工作面煤柱側(cè)影響距離增大，且?guī)r層震動(dòng)能量增大，說明在半孤島結(jié)構(gòu)影響下的S型覆巖空間結(jié)構(gòu)向孤島側(cè)偏移如圖9所示，導(dǎo)致實(shí)體煤側(cè)覆巖活動(dòng)加劇。

3 結(jié) 論

1)保護(hù)層條件下，工作面回采過程中微震事件數(shù)量較少，但初次來壓、臨近斷層、煤柱區(qū)域頂板破斷釋放能量巨大，危害較大。

2)煤柱、斷層區(qū)域應(yīng)力集中向底板傳遞，導(dǎo)致底板破壞嚴(yán)重，微震能量較大，該區(qū)域不應(yīng)留底煤。

3)隨采空區(qū)面積增大，覆巖結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，有參數(shù)增長優(yōu)先度為推進(jìn)速度>微震頻次>微震能量的規(guī)律，微震頻次或能量的降低是強(qiáng)動(dòng)載出現(xiàn)的預(yù)兆，此時(shí)應(yīng)防范動(dòng)靜載疊加型沖擊地壓的發(fā)生。

4)半孤島結(jié)構(gòu)影響下的S型覆巖空間結(jié)構(gòu)向孤島側(cè)偏移，孤島煤柱側(cè)覆巖活動(dòng)加劇，沖擊危險(xiǎn)性增加。