綜放孤島工作面底板破壞微震規(guī)律分析

陳 龍，王國舉

（1. 冀中能源集團有限責(zé)任公司 東龐礦，河北 邢臺 54000；2.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺 054000；3. 河北省礦井微震重點實驗室，河北 邢臺 054000）

我國煤炭生產(chǎn)過程中受水害威脅嚴重，隨著機械自動化程度的增加，受來自工作面底板下的高水頭承壓水的威脅日益顯現(xiàn)。在我國華北地區(qū)，石炭二迭系煤田是最重要的煤炭產(chǎn)區(qū)之一，上部煤層所剩儲量已經(jīng)不多，紛紛進入下組煤開采階段，下組煤位于水量豐富的奧灰含水層或太原群灰?guī)r含水層之上，中間隔水層厚30～100 m，時常發(fā)生底板突水事故，專家、學(xué)者、現(xiàn)場工程師進行了該方面的研究[1-5]。為了煤炭的回收利用，許多礦井存在孤島工作面，孤島型工作面具有煤柱兩側(cè)臨空，且巷道煤柱應(yīng)力集中程度高的特點，進一步加大了底板突水威脅。以東龐礦北井9222 孤島工作面作為研究對象，應(yīng)用KJ1073 監(jiān)測系統(tǒng)對工作面進行實時、動態(tài)的監(jiān)測，對采動過程中的底板破壞深度發(fā)育規(guī)律進行分析，為工作面安全回采提供依據(jù)。

1 工程概況

北井位于東龐井田西部，隸屬于冀中能源股份有限公司東龐礦，開采9 號煤，為東龐礦下組煤試采區(qū)。東龐礦北井9222 工作面為9200 采區(qū)二期探巷煤柱工作面，布置如圖1 所示，南鄰9208、9210、9212 工作面，開采方向背向9222 工作面，北鄰9214、9216 工作面，朝向9222 工作面，西鄰九f22 斷層，東鄰九f20 斷層。9222 工作面為煤柱面，面內(nèi)存在多條老巷。9222 試采工作面長67 m，回采后退距離204 m，采放總高6.9 m，工作面埋深221.9～303.9 m，9 號煤底板至奧灰頂界面距離為41～46 m，均為43 m，9 號煤底板隔水層承受奧灰水壓2.14～2.96 MPa，突水系數(shù)0.05～0.07 MPa/m。

圖1 9222 工作面布置Fig.1 The layout of No.9222 fac

為了該工作面的安全回采，對底板進行注漿加固，與煤層底板隔水巖層形成統(tǒng)一的阻水體，在增強隔水巖層阻水能力的同時，降低直至消除薄層灰?guī)r巖溶裂隙水的導(dǎo)升裂隙發(fā)育高度。工作面底板注漿加固鉆孔按全面加固工作面底板隔水層的原則進行設(shè)計，均勻布孔，并且加固到工作面外側(cè)60 m，一般情況下，采用漿液擴散半徑不大于20 m，從底板裂隙發(fā)育程度及富水性考慮，重點區(qū)域要適當(dāng)加大底板注漿孔密度，采用漿液擴散半徑不大于15 m，鉆孔終孔層位為進入奧灰垂深10～15 m。

2 微震監(jiān)測方案

煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)該系統(tǒng)主要包括微震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和基于遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈⒄饠?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。9222 工作面主要面臨底板奧灰水及隱伏構(gòu)造的威脅，采用KJ1073 煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)，微震檢波器布置于9222 工作面底板，為確保監(jiān)測效果，結(jié)合9222 工作面現(xiàn)場情況采用包圍式方式構(gòu)建微震監(jiān)測系統(tǒng)，微震檢波器共計7個，皮帶巷4 個，軌道巷3 個，交叉布置在兩巷底板中，埋設(shè)孔深為9 m，檢波器間距80～100 m。為利于生產(chǎn)過程中對檢波器的維護，檢波器鉆孔均布置在運料巷和運輸巷外幫底板，檢波器線纜在外幫懸掛。

3 微震監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 微震事件發(fā)育深度分析

通過對9222 工作面的實時監(jiān)測處理，在整個監(jiān)測周期內(nèi)，共監(jiān)測微震事件30 473 個，其中底板微震事件15 758 個，依據(jù)微震事件的空間位置對其進行投影，得到了微震事件的剖面圖如圖2 所示，并對監(jiān)測到的底板微震事件按深度進行統(tǒng)計分析，見表1。

表1 微震事件發(fā)育深度占比Table 1 The proportion of microseismic events development depth

圖2 微震事件的垂向平面圖Fig.2 Virtical plane of microseismic events

從圖2 中發(fā)現(xiàn)，微震事件隨著底板深度的增加呈現(xiàn)減少的趨勢，據(jù)統(tǒng)計微震事件主要發(fā)育在底板15 m 以淺，累計占比為92.64%；25 m 以淺累計占比為99.21%；其中15～20 m、20～25 m 兩區(qū)段的事件數(shù)分別增加了4.72%與1.82%；25 m 以深的微震事件頻次占比僅增加了0.54%與0.19%。因此，開采形成底板最大破壞發(fā)育深度為20～25 m，與該礦其它工作面相比，破壞深度增大。結(jié)合煤層底板巖性組合特征分析，如9202c 破壞深度為16 m以淺，發(fā)育層位未突破本溪灰?guī)r，而9222 工作面底板采動裂隙已發(fā)育至本溪組灰?guī)r含水層下部，分析原因主要是該工作面為孤島工作面，受周邊采空區(qū)的作用及本工作面采動擾動應(yīng)力的共同作用，產(chǎn)生應(yīng)力集中，底板破壞深度加大，但未超過注漿層位，微震監(jiān)測結(jié)果顯示本溪灰?guī)r一定程度上阻止了底板采動裂隙向下延伸。

3.2 微震事件分布不均衡性分析

在對9222 工作面在采動過程中的微震事件進行展布，如圖3 所示。從圖上可以發(fā)現(xiàn)，微震事件主要集中在9222 工作面內(nèi)，工作面兩側(cè)微震事件呈現(xiàn)不均衡狀態(tài)，左側(cè)是9208、9210、9212 工作面采空區(qū)，微震事件分布距離工作面皮帶巷的距離是42 m，事件整體分布相對比較均衡，隨著離皮帶巷的距離的增大，微震事件由密集變的分散。右側(cè)是9214、9216 工作面采空區(qū)，微震事件分布距離工作面皮帶巷的距離是55 m，微震事件密集區(qū)域主要集中9214、9216 保護煤柱影響范圍區(qū)內(nèi)，分析原因是：①工作面朝向9222 工作面回采，所留的保護煤柱受9214、9216 工作面回采過程中的超前支承壓力的影響，圍巖遭受到一定程度的破壞，再經(jīng)過9222 工作面采動擾動應(yīng)力疊加的作用，產(chǎn)生應(yīng)力集中，保護煤柱下方的底板壓縮變形破壞，巖石產(chǎn)生微破裂，微震事件的密集程度增大；②9208、9210、9212 工作面采空區(qū)穩(wěn)定時間長，采動對其的影響程度弱于9214、9216工作面，在未采動時，采空區(qū)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)，一旦采動打破了原有的平衡，采空區(qū)穩(wěn)定程度決定了其破壞程度。注漿到工作面外側(cè)60 m，大于微震事件兩側(cè)的分布范圍，可以保證工作面的安全回采。

圖3 底板微震事件分布圖Fig.3 The distribution of floor microseismic events

3.3 微震事件分布與采動位置的關(guān)系分析

本灰到奧灰微震事件分布如圖4 所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，在9222 工作面采線60 m 范圍以內(nèi)，深部事件本灰到奧灰頂微震事件零散分布在工作面周圍；到工作面采線60 m 位置外，本灰到奧灰頂微震事件增多，微震發(fā)育深度增加，主要分布在工作面內(nèi)及9214、9216 保護煤柱范圍內(nèi)。分析在工作面回采初期，底板破壞程度較小，微震事件發(fā)育深度較小；隨著工作面的回采，工作面推進長度越大，底板破壞充分，微震事件的發(fā)育深度增加，當(dāng)工作面推進長度達到60 m 時，底板整體破壞范圍及深度增加。

圖4 本灰到奧灰微震事件分布圖Fig.4 The distribution of microseismic events from Benxi limestone to Ordovician limestone

4 結(jié) 論

通過對東龐礦9222 工作面采動全過程進行了連續(xù)、動態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)了安全回采，得出以下結(jié)論。

（1） 9222 工作面在回采過程中，微震事件隨著底板深度的增加呈現(xiàn)減少的趨勢，底板最大破壞發(fā)育深度為20～25 m。

（2） 微震事件主要集中在9222 工作面內(nèi)，工作面兩側(cè)微震事件呈現(xiàn)不均衡狀態(tài)，分布范圍分別為42 m、55 m，小于注漿范圍，注漿范圍60 m 能夠有效保證工作面安全回采。