紅慶河煤礦3-1402大采高工作面微震活動時空演化特征研究

張德兵

(內(nèi)蒙古仲泰能源有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

近年來,受響應國家能源轉(zhuǎn)型、碳達峰及碳中和等政策影響,煤炭開發(fā)增速得到一定控制,但我國富煤、貧油、少氣的能源結(jié)構(gòu)特點決定了煤炭作為我國主體能源地位短期內(nèi)不會改變,而且隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,對煤炭的需求將會越來越多[1-5]。我國淺部煤層資源逐步枯竭,越來越多的煤礦開采深度不斷增加,礦井安全生產(chǎn)面臨更加嚴峻的考驗。沖擊地壓是我國深部礦井面臨的主要災害之一[6-9],具有極大的危險性,常造成人員傷亡及重大財產(chǎn)損失。因此,掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、防治礦壓顯現(xiàn)事故尤為重要。

微震監(jiān)測具有靈敏度高和安全可靠等特點,在礦井沖擊地壓監(jiān)測中得到廣泛應用[10-11]。袁瑞甫等[12]分析了沖擊地壓期間微震信號的時序特征,進而得到了微震信號的頻譜特征及分布變化規(guī)律。王士超[13]分析了礦井微震事件的波形信號,獲得了沖擊礦壓發(fā)生前后的功率譜演變特征。彭明輝[14]綜合微震信號能量、震中位置及震源垂直標高等信息分析了工作面微震信號類別,并深入研究了微震事件的時空分布規(guī)律。

綜上所述,大量學者對微震信號時序特征、時空分布進行研究,但對大采高微震活動時空演化特征鮮有研究。本文以紅慶河煤礦3-1402工作面為研究對象,分析微震活動時空演化特征,以便預測沖擊地壓,防治礦壓顯現(xiàn)的事故。由于該礦采區(qū)3-1煤層采高較大,受回采的影響,在煤壁上方產(chǎn)生支承壓力,隨著工作面推進,頂板壓力增大,工作面煤壁受壓后,煤體變松,出現(xiàn)片幫、空頂,當頂板來壓時,頂板被壓碎,易產(chǎn)生冒頂。因此,生產(chǎn)后必須掌握礦壓顯現(xiàn)規(guī)律。紅慶河煤礦采用“ARAMIS M/E+ARP 2000 P/E”微震聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)[15],分析微震事件時空演變特征,掌握切眼、停采線、回采速度等對微震事件的影響,得出工作面沖擊地壓前兆特征,可為設定煤礦沖擊地壓預警指標提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 礦井概況

紅慶河煤礦井田面積140.76 km2,地質(zhì)資源儲量32.19億t,設計可采儲量21.69億t。礦井建設規(guī)模1 500萬t/a,目前根據(jù)沖擊地壓礦井管理的相關要求,生產(chǎn)能力調(diào)整為800萬t/a。礦井采用立井開拓方式,劃分為3個水平開采,一水平(3-1煤)3條大巷在井底車場兩翼南北方向布置,布設2個大采高一次采全高綜采工作面。開采標高為+429～+764 m,井田范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單,水文地質(zhì)類型為中等,礦井首采煤層為最上層的3-1煤,煤層傾角1°～3°,煤層賦存深度583～869 m,平均731 m。煤層厚度0.50～10.05 m,平均厚度6.23 m,f=2～3,單軸抗壓強度為29 MPa。煤層頂板巖性多為砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖,底板巖性多為砂質(zhì)泥巖及泥巖,砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖f=3～4。3-1煤層結(jié)構(gòu)較簡單,一般不含夾矸,個別見煤點含1～3層夾矸。

1.2 工作面條件

402工作面位于紅慶河煤礦3-1煤4采區(qū),東南方向為401采空區(qū);西南鄰北翼輔運大巷;切眼北東方向為實體煤柱,距井田邊界約50 m。402工作面所屬水平為+677 m,井下標高+670～+720 m,地面標高為+1 372.9～+1 430.7 m,地形最大標高差57.8 m左右,平均埋深709.3 m。工作面長度245.75 m,回采長度3 615.7 m,面積888 558 m2。煤層平均煤厚6.33 m,煤層傾角1°～3°,平均2°。工作面在巷道掘進中實見斷層15條,其中輔運順槽和切眼共揭露斷層8條,膠運順槽揭露斷層6條,402工作面斜聯(lián)巷揭露1條。其中BF37斷層斜跨整個工作面,長度1300 m,落差為0.6～3.1 m,對回采造成較大影響。如圖1、2所示。

圖1 402工作面平面布置

圖2 煤層綜合柱狀

2 工作面超前支承壓力分布規(guī)律

為了方便監(jiān)測工作面的支承壓力,了解支承壓力分布規(guī)律,便于防治礦壓顯現(xiàn),該礦安設“ARAMIS M/E+ARP 2000 P/E”微震聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)可實現(xiàn)微震波形自動記錄,實時進行震源定位、能量計算,為評價全礦范圍內(nèi)的沖擊地壓危險提供依據(jù)。3-1402工作面輔運順槽回采期間一個布置微震探頭1個,拾震器1個,探頭之間相距1 m,共布置6個測站,相鄰測站之間相距30 m。探頭隨工作面推進移動,確保全工作面均在微震探測范圍內(nèi),其布置如圖3所示。

圖3 3-1402工作面輔運順槽應力在線監(jiān)測系統(tǒng)布置

根據(jù)各監(jiān)測點在3-1402工作面推采過程中的數(shù)據(jù),分析3-1402工作面在側(cè)向采空的狀態(tài)下對超前范圍的影響規(guī)律。

2.1 59-14監(jiān)測點應力變化

59-14監(jiān)測點安裝里程1 845 m,在3-1402工作面不斷靠近59-14監(jiān)測點過程中,應力數(shù)據(jù)經(jīng)歷了“平穩(wěn)—緩慢增長—迅速增長—峰值—下降”的過程。如圖4所示,當3-1402工作面尚未影響到該監(jiān)測點時,應力計壓力維持在5 MPa左右。當工作面推進至距離監(jiān)測點150 m時,應力計壓力上升至6.5 MPa并開始持續(xù)緩慢上升,當工作面距離監(jiān)測點40 m時達到峰值38.3 MPa,當應力計進入超前工作面40 m范圍內(nèi)后應力值持續(xù)、迅速下降,直到距工作面17.5 m拆除該應力計,這說明40 m范圍內(nèi)的煤體發(fā)生了塑性破壞。

圖4 應力計壓力值歷史曲線

2.2 61-14監(jiān)測點應力變化

61-14監(jiān)測點安裝在里程1 779 m,在3-1402工作面不斷靠近的過程中,應力數(shù)據(jù)經(jīng)歷了“平穩(wěn)—緩慢增長—峰值—下降”的過程。由圖4可見,根據(jù)該點的監(jiān)測數(shù)據(jù)工作面的超前支承壓力影響邊界約為250 m,支承壓力峰值在距工作面50 m,原始壓力7.5 MPa,峰值壓力21 MPa。

2.3 64-14監(jiān)測點應力變化

64-14監(jiān)測點安裝在里程1 698 m,在3-1402工作面不斷靠近的過程中,應力數(shù)據(jù)經(jīng)歷了“平穩(wěn)—緩慢增長—峰值—下降”的過程。由圖4可見,根據(jù)該點的監(jiān)測數(shù)據(jù)工作面的超前支承壓力影響邊界約為300 m,支承壓力峰值在距工作面60.5 m,原始壓力6.1 MPa,峰值壓力13.7 MPa。

由表1、2可知,3-1401首采面超前支承壓力影響范圍平均110 m,應力峰值超前工作面距離20 m,支承壓力顯著變化區(qū)平均55.4 m,3-1401工作面采空后,由于側(cè)向采空區(qū)的存在,3-1402工作面的超前支承壓力影響范圍約為首采面的2倍,平均影響范圍約為233 m,最大影響范圍為300 m;同時應力峰值超前工作面的距離也比首采面大30.2 m,平均約為50.2 m,支承壓力顯著變化區(qū)變?yōu)槭撞擅娴?倍,平均133 m。綜上所述,采空區(qū)顯著影響支承壓力影響范圍,工作面回采后,采空區(qū)側(cè)向133 m范圍內(nèi)支承壓力應力不同程度調(diào)整,直至工作面后方233 m趨于穩(wěn)定。

表1 3-1401首采面鉆孔應力計觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表2 3-1402工作面鉆孔應力計觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3 3-1402工作面微震活動監(jiān)測與結(jié)果分析

3.1 微震事件時空演化特征

3.1.1 工作面微震事件分布特征

圖5為3-1402工作面微震事件與工作面距離的統(tǒng)計圖?？梢?無論是較大能量礦震(能量≥103J)還是小能量礦震(能量<103J),微震頻次都集中在3-1402工作面前方0～300 m范圍內(nèi),在工作面后方微震頻次分布較少。

圖5 3-1402工作面微震事件與工作面距離的統(tǒng)計

根據(jù)以上分析與超前支護壓力分布規(guī)律,表明超前支承壓力對產(chǎn)生微震事件起主要作用,并且在工作面超前300 m范圍內(nèi)為超前支承壓力影響較大的區(qū)域,在此區(qū)域微震活動性較為活躍。

對3-1402工作面一段時間內(nèi)傾向上的微震事件進行統(tǒng)計分析。由圖6可知:大部分微震事件均集中在3-1402工作面內(nèi)及兩側(cè)煤柱區(qū),其中靠近3-1401采空區(qū)側(cè)微震頻次明顯高于3-1403實體煤側(cè),傾向定位統(tǒng)計反映了3-1402工作面受采空區(qū)側(cè)向支承壓力影響較大。

圖6 3-1402工作面傾向微震事件分布柱狀圖

圖7為3-1402工作面回采期間沿走向微震剖面定位圖,由圖7可知,工作面推進至砂巖層頂板厚度較厚區(qū)時,大能量的微震事件主要集中在砂巖層下方的低位頂板附近;隨著工作面推進至砂巖層頂板較薄區(qū)域,大能量微震事件逐漸向高位擴展,主要集中在砂巖層頂板內(nèi)。表明當工作面回采到頂板較厚區(qū)至頂板變化區(qū)時,煤壁前方超前支承壓力與頂板厚度變化帶來的突變的原巖應力進行疊加,煤層內(nèi)的靜載應力較大,對微裂紋發(fā)育、裂隙擴展靜載應力起主要作用,因此大能量事件主要集中在砂巖層頂板下方及煤層內(nèi);而當工作面推進至砂巖層頂板較薄區(qū)域時,較薄的砂巖層頂板自承能量較弱,頂板破斷逐漸向高位延伸,此時頂板破斷產(chǎn)生較大的動載應力,因此,大能量微震事件在高位頂板分布較多。加之此處頂板厚度變化區(qū)BF37斷層、斜聯(lián)巷的存在,讓較大的集中應力有了充分的釋放空間。因此,此區(qū)域微震頻次、能量較高,沖擊危險性較大。

圖7 3-1402工作面回采期間各能級微震事件剖面定位圖

3.1.2 工作面過切眼、斜聯(lián)巷期間微震事件分布特征

隨著工作面回采,推進至3-1401切眼位置時,微震以3-1401開切眼出現(xiàn)分界,切眼后方兩側(cè)實體煤側(cè)微震頻次和能量明顯偏少,在3-1401切眼前方能量較為集中,且大能量事件頻發(fā),說明由于3-1402切眼外錯布置,受采空區(qū)側(cè)向支承壓力和超前支承壓力疊加影響,在推進至3-1401切眼附近這一段時間內(nèi),應力集中程度大,加劇了沖擊危險性。3-1402工作面切眼外錯區(qū)域各能級微震事件平面分布如圖8所示。

圖8 3-1402工作面切眼外錯區(qū)域各能級微震事件平面定位圖

當3-1402工作面回采經(jīng)過斜聯(lián)巷時,發(fā)現(xiàn)斜聯(lián)巷底板明顯鼓起,巷道變形較嚴重。此外,在工作面過斜聯(lián)巷期間,大能量事件在斜聯(lián)巷周圍聚集,且大部分位于工作面超期位置,說明斜聯(lián)巷受超前支承壓力影響較大。3-1402工作面過斜聯(lián)巷期間各能級微震事件平面分布如圖9所示。

圖9 3-1402工作面過斜聯(lián)巷期間各能級微震事件平面定位圖

3.1.3 工作面過停采線外錯期間微震事件分布特征

2020年5月—2020年10月工作面推進至停采線外錯影響區(qū)域,此時3-1401工作面早已回采完畢,受3-1401采空區(qū)的影響,3-1402工作面?zhèn)认蛑С袎毫^大,工作面頂板逐漸發(fā)生破斷,但是由于3-1401停采線的影響,3-1401停采線前方煤體對頂板起到一定的支承作用。因此,3-1402工作面頂板破斷線與3-1402工作面的推采線形成一定的夾角,在3-1402工作面的膠帶運輸巷附近形成三角區(qū)域的懸頂結(jié)構(gòu),在此區(qū)域微震頻次較少,但是容易誘發(fā)大能量礦震,沖擊危險性較高。3-1402工作面過停采線外錯影響區(qū)域期間各能級微震事件平面分布如圖10所示。

圖10 3-1402工作面過停采線外錯影響區(qū)域期間各能級微震事件平面定位圖

3.2 工作面微震時序分布規(guī)律

為直觀展示煤礦生產(chǎn)班與非生產(chǎn)班由于采動對工作面煤體造成的擾動影響,對生產(chǎn)班與非生產(chǎn)班微震事件個數(shù)及能量進行統(tǒng)計,生產(chǎn)班與非生產(chǎn)班能量統(tǒng)計如圖11所示。

圖11 3-1402工作面生產(chǎn)班微震能量占比統(tǒng)計表

①生產(chǎn)班內(nèi)微震數(shù)量明顯高于非生產(chǎn)班微震數(shù)量,一般情況下生產(chǎn)班微震數(shù)量是非生產(chǎn)班數(shù)量的3～5倍;②能量統(tǒng)計方面生產(chǎn)班為非生產(chǎn)班能量的3～5倍;③生產(chǎn)班時間占比約為30%,微震頻次占比約為56%,總能量占比約為62%。

由于生產(chǎn)期間回采擾動下煤體承載載荷增大,容易造成覆巖頂板能量的積聚與釋放,從而產(chǎn)生大量煤炮,產(chǎn)生震動事件。這種情況下,由于生產(chǎn)期間能量釋放相對比較充分,在非生產(chǎn)期間,微震頻次會相對較小,且發(fā)生大能量微震事件的概率相對較小。

3.3 3-1402工作面回采速度對微震活動的影響與聯(lián)系

以3-1402工作面2018年4月15日—2018年10月7日微震事件為例,如圖12所示。

圖12 3-1402工作面微震活動規(guī)律與進尺關系

統(tǒng)計2019年3月至2019年10月回采期間不同推進度與微震事件的關系,如圖13所示。從圖13中可得出:推進速度較慢時(日進4刀),微震事件發(fā)生頻次較低,圍巖活動與能量釋放比較均衡,推進速度較快時(日進7刀),微震事件發(fā)生頻次明顯增多,表明工作面推進速度越快,圍巖活動越頻繁,活動強度越劇烈。

圖13 3-1402工作面回采速度與微震活動關系

4 結(jié)論

(1)微震事件具有明顯的時空前移性,在工作面超前400 m范圍內(nèi)分布比較集中,隨著工作面推進,微震事件跟隨向前發(fā)育。其中,3-1402工作面超前工作面-50～200 m分布最為集中,峰值出現(xiàn)在50～70 m;微震事件大部分分布在工作面內(nèi),靠3-1401采空區(qū)側(cè)、斷層區(qū)域、斜聯(lián)巷影響區(qū)域以及開切眼、停采線外錯影響區(qū)域,小煤柱工作面靠近輔運順槽側(cè)分布居多。

(2)工作面超前支承壓力出現(xiàn)“平穩(wěn)—緩慢增長—迅速增長—峰值—下降”的過程,最大影響范圍為超前工作面300 m左右。其中,3-1402工作面最大影響范圍為300 m,平均約233 m,應力峰值在超前工作面約50.2 m。這一影響范圍與微震事件發(fā)生范圍相一致,說明微震主要受工作面超前支承應力,采空區(qū)側(cè)向支承應力及巷道煤柱兩側(cè)集中應力,三者應力疊加影響。

(3)微震事件頻次和能量基本上與工作面回采速度呈正相關關系,推進速度較慢時(日進4刀),微震事件發(fā)生頻次較低,圍巖活動與能量釋放比較均衡,推進速度較快時(日進7刀),微震事件發(fā)生頻次明顯增多。勻速回采有利于巷道圍巖彈性能的均勻釋放,可降低巷道圍巖發(fā)生高能震動事件甚至沖擊地壓的可能性。