微地震監(jiān)測技術(shù)對塔山煤礦圍巖運動規(guī)律的研究

周霖

（大同煤礦集團技術(shù)中心，山西大同 037003）

微地震監(jiān)測技術(shù)對塔山煤礦圍巖運動規(guī)律的研究

周霖

（大同煤礦集團技術(shù)中心，山西大同 037003）

本文探討了采用高精度微地震監(jiān)測技術(shù)，對大同塔山煤礦特厚煤層綜放工作面開采過程中的圍巖活動規(guī)律、煤巖層破裂和相關(guān)的應(yīng)力場變化進行監(jiān)測與分析，對回采過程中超前支承壓力分布變化規(guī)律進行研究，并為推進特厚煤層放頂煤開采理論及技術(shù)的發(fā)展提供科學(xué)依據(jù).

微地震監(jiān)測技術(shù) 特厚煤層 放頂煤開采 圍巖活動

大同煤礦集團有限責(zé)任公司開采的塔山煤礦石炭系主采煤層厚度為11.1～31.7m(平均19.4m),變化幅度較大;煤層中含有6～11層夾矸,其最大厚度達0.6m;煤層與頂板間多有火成巖侵入破壞,開采難度極大.本項目以微破裂演化規(guī)律理論分析為基礎(chǔ),采用微震監(jiān)測技術(shù),探索覆巖三維破裂的內(nèi)在動因和前兆規(guī)律；以工作面上覆巖層破裂動態(tài)實時監(jiān)測為目標(biāo),建立基于微震監(jiān)測、高性能計算和分析的采場覆巖破裂預(yù)測模型,進而對圍巖的運移規(guī)律進行監(jiān)控研究.

1 微震檢測系統(tǒng)的標(biāo)定

微震監(jiān)測系統(tǒng)采用擁有北京科技大學(xué)提供的煤礦井下微震監(jiān)測儀和相關(guān)軟件,系統(tǒng)標(biāo)定采用的是放標(biāo)定炮,在塔山煤礦,高位巖層破裂產(chǎn)生的微地震波在煤巖層中以煤巖分裂的模式傳播,震源定位采用課題組研制的“四-四”定位法,計算原理采用非線性最小二乘法.通過分析計算,得到了塔山煤礦底板巖層微地震波的傳播速度為4.24 m/ms、頂板傳播速度為3.99 m/ms,平均傳播速度為4.12 m/ ms.系統(tǒng)定位精度平均誤差低于3m,達到了高精度要求.

2 現(xiàn)場微地震監(jiān)測

為了能夠精確監(jiān)測破裂位置,同時考慮到可靠性,在距離開切眼230 m處設(shè)第一個鉆孔,每隔30～ 50m左右布置一個鉆孔,其中2/3的鉆孔的鉆進方向垂直煤柱走向,向上傾斜60o角鉆進煤層頂板,深度60m;間隔布置1/3的鉆孔,向煤層底板下傾45o角鉆進,深度15 m.共打20個鉆孔,布置20個三分量檢波器,監(jiān)測控制的距離達到500m.由于微地震監(jiān)測信號的有效區(qū)域一般在200～300m,堅硬巖層斷裂的監(jiān)測距離可以達到1 000m以上.經(jīng)實測結(jié)果表明,該區(qū)可以覆蓋走向800 m、順槽兩側(cè)各300m的區(qū)域.鉆孔布置如圖1所示.

圖1 鉆孔布置圖

3 監(jiān)測結(jié)果分析

通過現(xiàn)場檢測共記錄事件5 085次,有效事件830次.微震事件顯現(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(yīng)力分布規(guī)律.監(jiān)測結(jié)果表明,該技術(shù)完全能夠?qū)μ睾衩簩泳C放工作面的圍巖運動進行監(jiān)測,并了解圍巖破裂情況,結(jié)合礦壓理論將對工作面地質(zhì)構(gòu)造異常帶、圍巖的運動及應(yīng)力進行科學(xué)可靠的指導(dǎo).該監(jiān)測技術(shù)作為煤礦較常規(guī)的監(jiān)測手段具有明顯的優(yōu)勢.

研究認為,兩邊為實體煤的近水平煤層工作面兩條順槽附近的圍巖破裂范圍和礦山壓力分布規(guī)律近似相同.因此,以工作面中線（見圖2）為對稱軸,將平面微震事件對稱映射后即可得到工作面巖層運動的三維破裂規(guī)律.

圖2 固定工作面巖層運動平面投影圖

微震監(jiān)測揭示的上覆巖層運動規(guī)律為:在投影圖上,沿傾向方向高位巖層(煤層頂面向上75～150m高度的頂板巖層)運動影響范圍為距離巷道下幫煤壁100 m左右;而微震事件密集的破裂區(qū)位置在低位巖層(煤層頂面向上0～75m高度頂板巖層),距離巷道煤壁35 m左右.沿走向在工作面后方影響區(qū)為160m,在工作面前方為100m,其中工作面前方75m范圍為應(yīng)力高峰區(qū);在高度方向上,低位巖層破裂顯著,是微震事件密集顯現(xiàn)區(qū).而高位巖層中微震事件周期性發(fā)生.

表1 直接頂、老頂?shù)暮穸燃斑\動參數(shù)對比

直接頂、老頂厚度及運動情況對比如表1所示.直接頂“巖--矸”結(jié)構(gòu)隨頂煤放出的動態(tài)演化過程如圖3所示.

圖3 直接頂“巖--矸”結(jié)構(gòu)隨頂煤放出的動態(tài)演化過程

圖4 特厚煤層綜放工作面沿走向覆巖結(jié)構(gòu)運動參數(shù)圖

通過與鉆孔柱狀圖和現(xiàn)場其它觀測分析研究,工作面下位老頂厚度為25 m左右 (由多個巖層組成),周期斷裂步距15～25 m;上位老頂周期性斷裂步距為30±10 m,厚度為75 m左右 (由多個巖層組成),如圖4所示.下位老頂?shù)膩韷翰骄嗍苌衔焕享斨芷谶\動的影響,1個上位老頂?shù)倪\動周期之內(nèi)包含2～3個下位老頂?shù)倪\動周期.上位老頂來壓后,下位老頂來壓一般持續(xù)1～2 d.下位老頂?shù)闹芷趤韷翰骄嗖幻黠@,主要是因為受上位老頂周期運動影響較大;若無上位老頂周期運動影響,一般下位老頂周期來壓步距為15～25m,步距大小受到推進步距、巖層特性變化等因素影響.

4 生產(chǎn)實踐結(jié)果

根據(jù)項目分析研究結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場實際,塔山煤礦采納了課題組提出的頂板控制建議,通過采取提高初撐力、適當(dāng)加快推進速度(每天不低于3.5 m)等措施后,對工作面生產(chǎn)影響較大的劇烈礦山壓力顯現(xiàn)明顯減少,2008年6月份綜放工作面產(chǎn)量僅為647 323.4 t,而按課題組的建議采取措施后,在生產(chǎn)技術(shù)條件基本相似的情況下7，8，9三個月綜采產(chǎn)量逐月提高,分別達到了825 363 t，983 964.3 t和1 020 582.5 t,經(jīng)濟效益明顯提高.

基于微地震技術(shù)對塔山煤礦火成巖侵入復(fù)雜地質(zhì)條件下特厚煤層綜放工作面圍巖運動規(guī)律的研究,攻克了火成巖侵入復(fù)雜地質(zhì)條件下特厚煤層綜放開采的技術(shù)難題,有效的控制了頂板及頂煤,使煤炭資源得到了安全合理的開采,提升了企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平,取得了巨大的經(jīng)濟效益.

[1]宋振騏.實用礦山壓力[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1988.

[2]錢鳴高,劉聽成.礦山壓力及其控制[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1983.

[3]姜福興.礦山壓力與巖層控制[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004.

[4]陳軼平.綜采工作面超前支護支承壓力觀察與分析[J].山西大同大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,25(3):63-65.

A Study of the Law of Surrounding Rock Activity of Tashan Colliery w ith M icro Earthquake M onitoring Techniques

ZHOU Lin
（Technical Center，Datong CoalMines Group，Datong Shanxi，037003）

The author，by applying high－precision micro earthquake monitoring techniques，monitors and analyzes the law of surrounding rock activity，coal seam rupture，and stress field changes in mining ultra－thick seams in Tashan Colliery，and studies the stress distribution of the pilot support in mining，thus provides scientific basis for the development of cavingmining theories and technology.

micro earthquakemonitoring technique；ultra－thick coal seams；cavingmining；surrounding－rock activity

O213

A

〔編輯石白云〕

1674-0874（2010）01-0072-03

2009-12-01

山西省科技攻關(guān)計劃項目[2007031121-02]

周霖(1973-),男,山西大同市人,工程師,研究方向:礦井建設(shè)與安全技術(shù).