采空區遺留煤柱微震分布規律分析

王廣露++曹建波++崔猛

摘 要：在海孜煤礦Ⅲ1012綜采工作面回采過程中，以SOS微震監測系統監測到的礦震數據為基礎，對工作面回采期間礦震分布規律進行了研究，結果表明：Ⅲ1012工作面采空區微震活動強度較低，能量均在105J以下，且頻次較低；而其上區段采空區遺留煤柱附近微震活動較為強烈，最大能量達4.52×107J，且頻次較高，分布異常集中。分析認為，上區段采空區覆巖運動處于極限平衡狀態，受采動影響引發煤柱失穩，釋放大量能量。分析區段遺留煤柱對礦震分布規律的影響，為工作面安全回采提供重要依據。

關鍵詞：遺留煤柱；微震監測；煤柱失穩；分布規律

海孜煤礦Ⅲ1012工作面開采深度達730m，加之煤層上覆巖層含堅硬厚層砂巖組影響，礦震顯現日益明顯，已成為必須要防治的災害之一。基于SOS微震監測系統數據，分析區段遺留煤柱對礦震分布規律的影響，以便更好的掌握礦震分布規律，為工作面安全回采提供重要依據。

1 開采技術條件

Ⅲ1012綜采工作面為Ⅲ101采區首工作面，其上區段為Ⅱ101采區。受地質構造等因素的影響，Ⅱ101采區各工作面在回采期間遺留部分不規則煤柱，如圖1所示，陰影部分為遺留煤柱。

工作面設計走向長745m，實際回采550m，傾斜長175m，平均煤厚3.05m，平均煤層傾角23°。偽頂為炭質泥巖，厚0～0.3m；直接頂為泥巖或粉砂巖，厚1.9～4.7m；基本頂為中砂巖，厚9.9～19.7m。上覆巖層多為砂巖、粉砂巖互層，Ⅲ1012-1、Ⅲ1012-2、Ⅲ1012-3鉆孔顯示，砂巖、粉砂巖分別占基巖的85.2%、72.1%、56.3%。

圖1 Ⅱ101采區遺留煤柱平面圖

2 SOS微震監測布置

SOS微震監測系統主要由井下安裝的檢波測量探頭，地面安裝的信號采集站和信號記錄器等組成，它們相互配合形成一個整體系統。該系統能夠即時、連續、自動采集礦山巖體震動信號，實現微震信號的可視化，并可對其進行分析、波群分離和篩選，還能完成三維空間定位，震動能量推演及其他煤巖體震動參數的物理計算等[1]。

基于SOS微震監測系統的監測原理，將Ⅲ101采區作為重點監測區域，合理優化臺網布置后，共設置了9個探頭進行監控[2]。對Ⅲ1012工作面回采期間發生的100 J以上微震事件進行統計分析，包括震源分布位置、能量和頻次等。

3 微震分布規律及分析

3.1 微震分布規律

自2014年9月至2015年6月5日，對Ⅲ1012工作面回采期間的微震分布情況進行平面定位分析，如圖2～4所示。結果表明，能量>103J的微震震源分布范圍較廣，遍布于Ⅲ1012工作面采空區至Ⅱ1015采空區內，其中有2處分布較為集中，即Ⅱ10111采空區煤柱和Ⅱ101上山保護煤柱附近，其余震源較均勻出現在老采空區內，說明老采空區上覆頂板受周圍遺留煤柱的支撐作用，達到極限平衡狀態，在受采動工作面頂板斷裂擾動后應力重新分布，較大范圍頂板活動較為頻繁，但能量并不大。

能量在104～105J之間和大于105J的微震分別為62次和15次，其中分布于Ⅱ101采空區分別為37次和12次，分別占59.7%和80%，且集中在Ⅱ1019和Ⅱ10111采空區遺留煤柱附近。能量在104～105J之間的震動出現在Ⅲ1012采空區5次，占8%，而大于105J的震動未出現在Ⅲ1012工作面。

分析結果表明，微震能量越大，震源分布集中程度越高。分布于Ⅱ101采空區、大于105J的微震均在Ⅲ1012工作面沿上區段采空區回采之后出現，說明回采工作面采空區與上區段采空區連通之后，形成協同運動，覆巖活動更加劇烈。隨著采空區懸露面積不斷擴大，應力在遺留煤柱位置不斷集中，煤巖體中靜載荷與礦震形成的動載疊加之和大于誘發煤巖體強礦震顯現的最小載荷，就會誘發大能量礦震，釋放較大能量[3]。

3.2 原因分析

當采深達到一定程度時，采空區覆巖是否充分運動的判別標準為其寬度是否達到臨界開采寬度（采深的0.4倍）。Ⅱ101采區采深620m，覆巖充分運動的臨界開采寬度為250m，而采區遺留煤柱之間采空區的寬度之和為254m，說明上覆巖層運動處于極限平衡狀態。

Ⅲ1012工作面采深730m，覆巖充分運動臨界開采寬度280m，而Ⅲ1012工作面和鄰近采空區寬度之和為285m，說明Ⅲ1012覆巖運動也處于極限平衡狀態。

隨著Ⅲ1012工作面不斷向前推進，采空區內發生的礦震最大能量在105J以下，且頻次很低，而采動面對上區段采空區產生擾動時，覆巖的極限平衡狀態被打破，引發遺留煤柱應力進一步集中，造成失穩，特別是不規則煤柱的尖端部位，釋放更大能量，其中監測到的最大一次能量為4.52×107J，地面有震感，井下有較大悶響，但并未造成巷道明顯變形和瓦斯異常涌出。

4 結論

①Ⅲ1012工作面回采期間，采空區微震活動強度較低，能量均在105J以下，且頻次較低；而其上區段采空區遺留煤柱附近微震活動較為強烈，最大能量達4.52×107J，且頻次較高，分布異常集中。

②Ⅲ1012工作面采空區與上區段采空區連通之后，形成協同運動，使覆巖活動更加劇烈，隨著采空區懸露面積不斷擴大，應力在遺留煤柱位置不斷集中，煤巖體中靜載荷與礦震形成的動載疊加之和大于誘發煤巖體強礦震顯現的最小載荷，就會誘發大能量礦震。

③上區段采空區覆巖運動處于極限平衡狀態，受采動影響時，覆巖的極限平衡狀態被打破，引發遺留煤柱應力進一步集中，造成失穩，特別是不規則煤柱的尖端部位，釋放大量能量。

參考文獻：

[1]張明偉，竇林名，王占成，等.深井SOS微震監測系統建設與應用[J].煤礦開采，2010，15（2）：16-20.

[2]鞏思園，竇林名，曹安業等.煤礦微震監測臺網優化布設研究.地球物理學報，2010，53（2）：457-465.

[3]竇林名，何學秋.沖擊地壓防治理論與技術[M].徐州：中國礦業大學出版社，2001.