基于微震監(jiān)測的特厚煤層綜放開采覆巖運移規(guī)律研究

王云峰

（陽煤集團壽陽景福煤業(yè)有限公司，山西 陽泉 045000）

煤礦開采深度和強度不斷增加，煤炭開采過程中造成的頂板垮落、礦井突水、煤與瓦斯突出和沖擊地壓等礦井重大災害頻發(fā)[1-2]。微震監(jiān)測技術是指利用煤巖受載破裂過程中產生的微震信號來研究和評價煤巖體穩(wěn)定性的一種地球物理實時監(jiān)測技術[3]，通過在采動區(qū)頂板和底板內布置多組檢波器并實時采集微震數(shù)據(jù)，經過數(shù)據(jù)處理后，采用震動定位原理，可確定破裂發(fā)生的位置，并在三維空間上顯示出來[4]。微震監(jiān)測技術可以研究應力分布、裂縫擴展、巖層運動、煤巖體破裂，并對沖擊地壓、煤與瓦斯突出和突水等煤巖動力災害進行監(jiān)測監(jiān)控，微震監(jiān)測技術已成為煤礦安全生產中的監(jiān)測預警手段之一[5-10]。

眾多學者利用微震監(jiān)測技術對煤礦覆巖運動規(guī)律方面做了大量的研究，姜福興等[11]采用微地震監(jiān)測揭示的采場圍巖空間破裂形態(tài)；肖鵬等[12]在物理相似材料模擬試驗中采用微震監(jiān)測覆巖裂隙演化規(guī)律，從微震能量積聚和釋放的角度探討上覆巖層裂隙演化規(guī)律；成云海等[13]采用微地震定位監(jiān)測技術，根據(jù)巖體在三維空間的破裂成像，揭示采場覆巖空間破裂與采動應力場的關系；孔令海等[14]采用高精度微地震監(jiān)測技術，研究了微震事件的動態(tài)發(fā)展規(guī)律和分布規(guī)律，得到了特厚煤層綜放工作面頂板巖層運動規(guī)律；程關文等[15]探討煤礦頂板巖體微震分布沿垂直方向分布規(guī)律與煤礦頂板沿垂直方向分帶的相互關系，建立基于微震監(jiān)測煤礦頂板分帶方法。

傳統(tǒng)監(jiān)測手段有限，難以全空間監(jiān)測到覆巖破斷特征，微震監(jiān)測技術正好可以彌補該不足。本文針對斜溝煤礦特厚煤層綜放面圍巖運動規(guī)律，采用高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)，獲得覆巖破斷運移的基本特征，研究成果為礦井的安全高效開采和礦壓控制提供了科學依據(jù)。

1 工程概況

斜溝煤礦礦井主要開采石炭系上統(tǒng)太原組的煤層，地勢呈現(xiàn)出南北高、中部低的特征，設計生產能力為15 Mt/a，服務總年限為64.8 a。以斜溝煤礦23103 工作面為研究對象，23103 綜放工作面是13號煤21 采區(qū)首采工作面，工作面位于21 采區(qū)西，東側、北側、西側均為實煤區(qū)。23103 工作面開采走向長2513 m、傾斜長242.4 m，煤層厚度平均14.38 m。23103 工作面巖層綜合柱狀圖如圖1。

圖1 巖層綜合柱狀圖

2 微震監(jiān)測方案

考慮到工作面的傾角較小并且四周由實體煤組成，開采后兩邊巖層運動與應力分布呈現(xiàn)對稱性，因此只需在23103 上巷布置測區(qū)。微震傳感器采用了外置和內置兩種不同的布置方式，可以確保精確監(jiān)測破裂位置的可靠性。

測區(qū)在材料巷內從距順槽口2935 m 開始，向外100 m 處開始布置第一個監(jiān)測點，之后每隔30～50 m 左右的位置布置一個鉆孔。為了保證工作面推進期間的巖層破裂規(guī)律的全面監(jiān)測，共布置了12 個三分量檢波器，監(jiān)測控制的距離達500 m。由于微震監(jiān)測信號的有效區(qū)域一般在200～300 m 的范圍內，對于堅硬巖層斷裂的監(jiān)測距離則可以達到1000 m以上。因此，布置的測區(qū)可以覆蓋走向800 m、順槽兩側各300 m 的區(qū)域。

本測區(qū)共布置了12 個鉆孔，每個鉆孔都安裝了一個三分量檢波器。具體的檢波器布置參數(shù)見表1，鉆孔的剖面與平面布置分別如圖2 和圖3 所示。

表1 檢波器布置參數(shù)

圖2 鉆孔4、8、12 剖面圖

圖3 平面布置示意圖 （m）

3 微震監(jiān)測結果

3.1 微震事件顯現(xiàn)規(guī)律

為了深入研究特厚煤層頂板的運動規(guī)律及其結構參數(shù)，選取了7 月6 日至9 月19 日期間的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)作為分析基礎。在此期間，工作面推進了255.8 m。

23103 工作面的微震事件分布范圍約為260 m，其中上覆巖層的超前破裂區(qū)范圍約為120 m，當前工作面與采空區(qū)的破裂距離為140 m，微震事件的側向分布范圍約為21 m。這些微震事件呈現(xiàn)出周期性發(fā)生的特點。尤其在0～30 m 這一層位，微震事件密集發(fā)生，見表2。當高位巖層發(fā)生破裂后，低位巖層的微震事件會持續(xù)發(fā)生。這表明高位巖層的斷裂和沉降強迫低位巖層持續(xù)發(fā)生破裂。同時，高位巖層破裂后對工作面的影響范圍較大。

表2 7 月6 日至9 月19 日微震事件顯現(xiàn)規(guī)律

由圖4 可知，微震事件（圍巖破裂）隨著時間（工作面推進）趨勢為由“低—高—低”的循環(huán)過程，但是該循環(huán)過程中將出現(xiàn)多層次半橢圓弧型，出現(xiàn)該形狀也是符合覆巖破裂運動規(guī)律的。通過實測巖層破裂數(shù)據(jù)可知，出現(xiàn)5 個低層位巖層破裂周期，該周期約為15 d。

圖4 監(jiān)測事件高度分布折線圖

3.2 高低位巖層破斷規(guī)律

近水平煤層工作面上、下順槽的圍巖破裂范圍和礦山壓力分布近似相同，將工作面中線作為對稱軸，此時微震事件將呈現(xiàn)對稱映射的狀態(tài)，可以得到整個工作面圍巖的三維破裂規(guī)律。深色圓點表示巖層誘發(fā)微震波的震中位置，即微震事件的位置。

隨著工作面的推進，微震事件的分布以一定的距離領先于工作面發(fā)展，顯示出在特定區(qū)域內有密集的局部微震事件。在工作面附近，覆巖微震事件的分布呈現(xiàn)出分區(qū)性發(fā)展的規(guī)律，主要集中在高度約30～70 m 的區(qū)域。相比之下，低位巖層的微震事件則更為密集。此外，在煤柱附近，覆巖微震事件的分布相對固定在一定范圍內。從時間上看，微震事件每隔幾天就會出現(xiàn)一次事件較多、分布范圍相對較大的1～2 次，這反映了巖層周期性運動的規(guī)律。

微震事件平面分布規(guī)律如圖5（a）所示。微震事件前后范圍約為260 m，工作面上覆巖層超前破裂區(qū)范圍約為120 m，采空區(qū)破裂距當前工作面距離為140 m，工作面前方微震事件集中區(qū)距離工作面約85 m，采空區(qū)事件集中區(qū)距離工作面約為65 m，即知工作面前方85 m 附近為走向支承壓力峰值位置；微震事件側向分布范圍約為21 m，即知側向支承壓力峰值位于材料巷上幫21 m 附近。微震事件走向剖面分布如圖5（b）所示。工作面前方70～90 m 為支承壓力最高區(qū)域。微震事件傾向剖面分布如圖5（c）所示。工作面巖層高位破裂高度為70 m左右，低位破裂高度為30 m 內，側向支承壓力峰值距離材料巷巷幫21 m 左右。

圖5 微震事件分布規(guī)律

微震事件的垂直分布規(guī)律揭示了巖層的破裂規(guī)律，可分為低位破裂區(qū)和高位破裂區(qū)。低位巖層破裂區(qū)的范圍是在工作面上方距離煤層30 m、距離順槽21 m 范圍以內的區(qū)域，高位破裂區(qū)的范圍是在工作面上方距離煤層30～70 m 的區(qū)域。微震事件的顯現(xiàn)規(guī)律再現(xiàn)了巖層運動破裂的整個過程，揭示了巖層運動的范圍和圍巖應力分布規(guī)律。通過對比微震事件揭示的上覆巖層運動規(guī)律與工作面地質柱狀圖，可以更好地理解圍巖應力的分布和煤巖體的破裂過程。工作面上覆巖層運動的規(guī)律：

1）在投影平面上

沿傾向方向巖層彈塑性區(qū)（損傷區(qū)）范圍為距離巷道下幫煤壁41 m 左右，微震事件密集顯現(xiàn)位置距離巷道煤壁21 m 左右。

2）在高度方向上

低位巖層（0～30 m 高度層位）微震事件密集顯現(xiàn)，高位巖層（30～70 m 層位）中的微震事件周期性發(fā)生。

4 微震監(jiān)測結果的應用

4.1 工作面頂板管理

根據(jù)微震監(jiān)測的結果，巖層破裂在高度方向上表現(xiàn)出了明顯的層位效應。在工作面的平面位置上，頂?shù)装鍏^(qū)域是微震事件最頻繁發(fā)生的區(qū)域。在煤壁超前的層位上，高位頂板巖層會率先發(fā)生破裂，然后是低位巖層發(fā)生破裂。頂板結構參數(shù)見表3。

表3 微震揭示的特厚煤層綜放工作面圍巖三維破裂規(guī)律

基于微震監(jiān)測結果，以下是對工作面頂板管理采取的措施：

1）在滿足設備配套的前提下，應盡可能減小控頂距和控頂時間，同時提高支架的初撐能力。在現(xiàn)有工作面平均煤厚為13.88 m 的條件下，這些措施有助于更好地維護頂板。

2）對于基本頂巖層的支護，可采取“給定變形”的方案。這意味著支架不需承受老頂巖梁的作用力，以降低對頂板的壓力。

3）在工作面正常推進過程中，頂煤和直接頂巖層會在支承壓力作用下完全破壞。為保障工作面的安全，需要采取“給定載荷”的支護方案。這意味著支架需要承擔全部厚度的頂煤作用力和不規(guī)則垮落的直接頂巖層的作用力，以及部分規(guī)則垮落的直接頂“巖—矸”結構的部分作用力。

4）當基本頂斷裂或回轉下沉時，會在工作面支架上產生動壓。為應對這種情況，可以通過適當增加支架的可縮量來實現(xiàn)“讓壓”的工作方案，這樣可以降低因基本頂斷裂或回轉下沉帶來的對工作面支架的壓力。

4.2 超前支護段范圍及合理停采線和密閉位置

根據(jù)微震監(jiān)測結果，工作面的高位頂板在超前煤壁約64 m 處開始斷裂。根據(jù)巖石力學理論和煤巖的全應力應變關系，這個范圍內的巖體已經遭受破壞，裂隙發(fā)育。因此，在停采后，密閉墻與工作面的間距應保持在64 m 以上，以確保煤體的彈性區(qū)不受影響；距離小于64 m，密閉墻周邊圍巖需要進行注漿加固和密封處理。

工作面的超前范圍為120 m，是二次采動應力影響區(qū)。因此，為了保持足夠的間距以減輕潛在的影響，23103 工作面的停采線距離大巷的位置應至少為120 m。

綜合考慮這些因素，大巷的護巷煤柱寬度應為25 m，而密閉墻應在64～120 m 之間的位置構筑，可以確保工作面的安全停采，又能夠避免因巖體破壞和裂隙發(fā)育而帶來的潛在風險。

5 結論

1）微震事件周期性發(fā)生，在0～30 m 的地層中，微震事件常常密集發(fā)生。當高位巖層破裂后，低位巖層的微震事件會持續(xù)發(fā)生，這表明高位巖層的斷裂和沉降會強迫低位巖層持續(xù)破裂。此外，高位巖層破裂后對工作面的影響范圍較大。微震事件（圍巖破裂）隨著時間（工作面推進）趨勢為由“低—高—低”的循環(huán)過程，但是該循環(huán)過程中將出現(xiàn)多層次半橢圓弧型，出現(xiàn)5 個低層位巖層破裂周期，該周期約為15 d。

2）在投影平面上，巷道下幫煤壁附近的41 m范圍內，存在巖層彈塑性區(qū)（損傷區(qū)）。微震事件在距離巷道煤壁21 m 左右的范圍內密集顯現(xiàn)。在高度方向上，0～30 m 的高度范圍內，低位巖層微震事件密集顯現(xiàn)，高位30～70 m 巖層微震事件周期性發(fā)生。

3）根據(jù)微震監(jiān)測結果，獲得23103 工作面覆巖破斷運移的基本特征，可以得出23103 工作面頂板管理對策并確定超前支護段范圍及合理停采線和密閉位置。

4）采用高精度微震監(jiān)測技術，形成了針對淺埋深、大采高的特厚煤層條件下綜放面圍巖運動高精度微震監(jiān)測技術，為礦井的安全高效開采和礦山壓力控制提供科學依據(jù)，指導礦山安全、高效生產。