微震監測系統在綜采工作面過復雜地質條件時的應用

徐明亮

(煤科集團沈陽研究院有限公司)

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微震監測系統在綜采工作面過復雜地質條件時的應用

徐明亮

(煤科集團沈陽研究院有限公司)

綜采工作面在通過復雜地質條件時，頂板壓力情況和工作面礦壓顯現較正?；夭蓵r有較大區別，給井下安全生產帶來了較大隱患。KJ768微震監測系統具有動態、遠距離、三維、實時監測的特點，可根據震源情況分析覆巖空間的破裂形態并對工作面不同區域劃定沖擊危險性等級，并通過前期的數據總結得出相應的微震事件數量和能量指標，以及時指導安全生產。石圪臺煤礦在31201工作面回采期間上覆不規則房柱式采空區以及地表為溝谷地形，該類復雜地質條件給礦井安全生產帶來了挑戰，為此，采用KJ768微震監測系統對該工作面過復雜地質條件時的頂板壓力及工作面礦壓進行了監測，監測結果對于確保31201工作面的安全生產發揮了積極作用。

微震監測系統綜采工作面房柱式采空區

神東煤田位于晉陜蒙交界處，為世界七大煤田之一，近年來隨著國家能源發展戰略的西移，其開發程度越來越高。神東煤田埋藏淺，地質條件簡單，可采煤層較多，地容地貌以丘陵為主，溝谷地形較常見。神東煤田在進行大規模開發之前大多采用房柱式開采，該采煤方法較現行綜采回采率較低，不但造成大量煤炭資源的浪費，而且遺留下的集中煤柱(隔離煤柱)易產生應力集中破壞圍巖的穩定性，更為嚴重的是在下層煤采動時上覆采區煤柱會發生連續失穩破壞，引發動載礦壓，嚴重危及工作人員和開采設備的安全。淺埋煤層綜采工作面在過溝谷上坡段期間極易發生動載礦壓，主要由覆巖主關鍵層被侵蝕缺失所致。相關研究表明，工作面發生動載礦壓的傾向性與溝深、溝谷坡角、所采煤層與被侵蝕上覆主關鍵層距離、溝谷走向與工作面推進方向夾角等因素密切相關。神東石圪臺煤礦31201工作面為典型的淺埋煤層，在該工作面推進過程中距回撤通道300～40m對應地表為柳根溝，且上覆不規則房柱式采空區地質條件較復雜，易引發動載礦壓，為使該工作面順利通過如此復雜的地質條件，該礦引進了KJ768微震監測系統對頂板壓力及工作面礦壓進行實時監測，以指導該工作面安全生產。

1　微震監測方案

1.1煤層特征

石圪臺煤礦31201工作面為31煤二盤區首采面，北側為31煤輔運大巷，其余方向均為實體煤。31201工作面回采期間上覆為22煤不規則房柱式采空區，22煤與31煤層間距為30～41.8m。31201工作面煤層起伏較小，煤層總體趨勢為東高西低，呈正坡回采，平均煤厚為3.9m。31201工作面煤層為較穩定煤層，埋深109.2～132.2m，局部煤層頂部有厚0.2～0.6m的砂質泥巖夾矸。31201工作面上覆基巖厚48～120m，在柳根溝流域和糖漿渠流域最薄。松散層厚0～55m，柳根溝南側最厚，柳根溝走向近似垂直于工作面的推進方向。31201綜采工作面采用走向長壁后退式一次采全高綜合機械化采煤法。

1.2微震監測原理

當煤巖體由于人為或自然因素發生破裂、位移時，會產生一種微弱的地震波向周圍傳播，在空間上不同方位設置的微震傳感器可記錄該類微地震波的到達時間、傳播方向等信息，在此基礎上采用各種計算方法在特定的波速場條件下進行三維定位以確定巖石的破裂點，即震源的空間位置，同時利用震相持續時間計算震源所釋放的能量和震級，將該類參數標入采掘工程平面圖，可圈定振動頻繁的區域，通過前期監測數據總結經驗并預測其對生產活動的影響，可提前進行危險性預警[1-6]。微震定位原理如圖1所示。KJ768微震監測系統是一款實時監測煤礦微震事件的計算機在線測量系統，該系統將計算機監測技術、數據通訊技術和傳感器技術融為一體，實現了復雜環境條件下對煤礦井下微震事件變化情況的自動監測和分析。

圖1　震源定位原理

1.331201工作面微震監測測點分布

為拾取更多有效信號及進行精確定位，測點采用井下和地面相結合的布置方式，具體布置方式為：31201膠運及回風順槽各布置拾震器8個，間距30m，隨工作面推進向前移動；在工作面上方分散布置測點5個，共布置拾震器21個。

2　微震監測結果

經過前期的微震數據總結，得到了31煤頂板和22煤頂板來壓的數量和能量預警值，31201工作面通過柳根溝的起止日期為2014年6月7日—7月5日，在此期間的微震監測數量和能量指標如圖2所示。

圖2　31201工作面過柳根溝期間的微震數量和能量分布□—微震事件數量；◆—微震事件能量

結合井下支架壓力數據繪制了31201工作面過柳根溝期間的礦壓云圖，如圖3所示。

圖3　31201工作面過柳根溝期間礦壓云圖

由圖3可知：在過柳根溝期間，31201工作面的周期來壓步距較正常回采期間變化非常大，在過柳根溝期間有5次較大的來壓，第1次、第2次較大來壓發生于剛進入柳根溝底的位置，第3次、第4次較大來壓發生于剛出柳根溝底的位置，第5次強烈來壓發生于上坡最后階段。第1次來壓集中于35～125架，來壓步距為13.04m，來壓持續7.06m，來壓強度大，持續長度大，最大片幫為1m，40～120架最大壓力為50MPa。第2次來壓集中于35～110架，來壓步距為16.09m，來壓持續3.35m，40～110架最大壓力為49.2MPa，最大片幫0.8m，弱于上一次來壓。第3次來壓集中于50～120架，來壓步距為18.14m，來壓持續4m，來壓強度劇烈，50～100架安全閥開啟，立柱下沉1.2～1.5m。第4次來壓集中于40～85架，來壓步距為11.65m，來壓持續4.32m，來壓強度較強，片幫深度800mm，40～90架安全閥局部開啟，立柱下沉300mm。第5次來壓集中于20～150架，來壓步距為11.12m，來壓一直持續至坡頂，來壓強度劇烈，30～120架最大壓力為48MPa，片幫深度800mm，漏矸高度最大達到1 000mm，30～120架安全閥局部開啟。

31201工作面在正?；夭蓵r的周期來壓平均步距為13.6m，來壓段平均持續6.16m，來壓時壓力峰值達到46.5MPa，與其過柳根溝期間出現了較大差別：①在下坡期間將近50m未出現較大壓力，在溝底期間也將近52m未出現較大壓力，上坡期間近30m壓力處于較低水平(圖3矩形框區域)；②過柳根溝期間工作面共出現5次強烈來壓，5次來壓步距無規律可循，前4次來壓段持續距離較正常回采期間減小，第5次來壓持續距離較長；③正?；夭善陂g大部分為局部交替來壓，而過柳根溝期間來壓則表現為工作面整體來壓，來壓范圍增大，壓力峰值也由正?；夭善陂g的46.5MPa增大至50MPa。

3　結　語

綜采工作面推進過程中遇到復雜地質條件時，來壓步距以及壓力持續距離無規律可循，給工作面安全生產帶來了較大隱患，微震監測系統可對礦壓提前預警，對煤礦的安全生產提供了必要的幫助。在石圪臺煤礦31201綜采工作面順利通過上覆房柱式采空區和溝谷地形的過程中，應用KJ768微震監測系統對該工作面通過復雜地質條件時的微震時間數量、能量分布以及礦壓變化情況進行了監測，在31201工作面正常推進過程中，由微震事件的數量和能量指標基本可實現對動壓的提前預警，便于生產人員有相對充裕的時間提前采取措施規避風險，為確保該工作面的安全生產提供了技術保障。

[1]王方田.淺埋房式采空區下近距離煤層長壁開采覆巖運動規律及控制[D].徐州：中國礦業大學，2012.

[2]孔令海，齊慶新.長壁工作面采空區見方形成異常來壓的微震監測研究[J].巖石力學與工程學報，2012，31(2)：3889-3896．

[3]張沛.淺埋煤層長壁開采頂板動態結構研究[D].西安：西安科技大學，2012.

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[5]陳炎光，錢鳴高.中國煤礦采場圍巖控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，1994.

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2016-06-22)

徐明亮(1981—)，男，工程師，碩士，110000 遼寧省沈陽市沈河區東濱河路108號。