基于震動(dòng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的采動(dòng)覆巖運(yùn)移規(guī)律分析

李二峰

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)陽(yáng)城惠陽(yáng)煤業(yè)有限公司 ，山西 陽(yáng)城 048100）

1 地質(zhì)概況

沖擊地壓災(zāi)害作為一種煤礦動(dòng)力災(zāi)害，具有瞬時(shí)震動(dòng)性、突發(fā)性、類型多樣性、巨大破壞性，其井下顯現(xiàn)一般表現(xiàn)為瞬時(shí)煤巖體沖出，從而造成工作面及順槽支架壓彎，巷道瞬間閉合，沖擊過程短暫，持續(xù)時(shí)間僅為幾秒至幾十秒。近年來隨著對(duì)沖擊地壓研究深入，逐漸形成了一系列沖擊地壓防治與預(yù)防理論，主要包括能量理論、沖擊啟動(dòng)理論、剛度理論、三因素理論、動(dòng)靜載荷理論等[1-5]。潘俊峰教授[6]基于微震監(jiān)測(cè)與總結(jié)，將沖擊地壓發(fā)生過程劃分為三階段，通過引進(jìn)不確定性系統(tǒng)分析法，提出了煤礦沖擊地壓?jiǎn)?dòng)理論，表明采動(dòng)圍巖近場(chǎng)系統(tǒng)內(nèi)集中載荷的積聚是沖擊地壓發(fā)生內(nèi)因；竇林名教授[7]針對(duì)現(xiàn)階段沖擊地壓發(fā)生情況，綜合分析動(dòng)載與靜載發(fā)生沖擊地壓能量和應(yīng)力條件，系統(tǒng)提出了動(dòng)靜載荷疊加誘發(fā)沖擊地壓的理論。上述研究成果為現(xiàn)階段沖擊地壓研究與預(yù)防體統(tǒng)了完善的理論的與先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，本文在綜合在采用原有理論成果基礎(chǔ)上，通過微震監(jiān)測(cè)手段實(shí)現(xiàn)了采動(dòng)影響下覆巖裂隙發(fā)育高度、超前影響距離、覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律的監(jiān)測(cè)與分析，為礦井超前支護(hù)設(shè)計(jì)，覆巖頂板運(yùn)移規(guī)律研究提供技術(shù)參數(shù)，保證了礦井安全生產(chǎn)。

某礦井3306工作面為礦井正常接續(xù)面，其北側(cè)為3304采空區(qū)，南側(cè)為3308實(shí)體煤，區(qū)段煤柱寬度為5m，工作面傾斜長(zhǎng)度180m，走向長(zhǎng)度約650m，煤層單軸抗壓強(qiáng)度15MPa，礦井埋深約900m，煤層的直接頂為5.34m的泥巖，老頂為1.6m的中砂巖；直接底為0.27m的泥巖，0.95m的細(xì)砂巖和6.68m的粉砂巖。工作面范圍內(nèi)多地質(zhì)構(gòu)造，斷層分布較多，最大斷層落差30m，具備發(fā)生沖擊地壓的基礎(chǔ)條件。3306工作面平面示意圖如圖1所示。

圖1 3306工作面平面分布圖

2 理論分析與計(jì)算

3306工作面回采期間主要受到地質(zhì)斷層，采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)演化影響，因此在回采階段應(yīng)重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)單工作面見方及過地質(zhì)異常帶監(jiān)測(cè)。

隨著3306工作面回采，基于采動(dòng)影響從而造成采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育高度逐漸向上發(fā)育，從而造成單見方效應(yīng)顯現(xiàn)。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有基礎(chǔ)礦壓理論分析，現(xiàn)階段3306覆巖裂隙發(fā)育高度約為傾向長(zhǎng)度一半，后期隨著工作面推進(jìn)造成3306覆巖裂隙與原有3304工作面裂隙貫通，從而發(fā)育至該地質(zhì)條件下破裂高度最大值，在工作面推進(jìn)造成的覆巖裂隙發(fā)育高度變化過程中，容易造成關(guān)鍵層及上覆巖層不斷發(fā)生斷裂或滑移，極易誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害，因此應(yīng)加強(qiáng)后期工作面覆巖結(jié)構(gòu)演化過程中沖擊地壓防治工作。

圖2 采動(dòng)覆巖運(yùn)移示意圖

式中：L為工作面傾斜長(zhǎng)度，m。

通過該礦井3306工作面傾向長(zhǎng)度計(jì)算得到覆巖裂隙發(fā)育高度約為90m。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)工作面震動(dòng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，保證工作面安全回采，在3306工作面兩順槽內(nèi)安裝了8組檢波器，其中檢波器安裝間距為100-300m，兩順槽之間采用交叉布置，從而降低設(shè)備移組對(duì)監(jiān)測(cè)精度影響。基于震動(dòng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的設(shè)備安裝示意圖如圖3所示。

圖3 微震監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝示意圖

3.2 基于微震監(jiān)測(cè)的覆巖運(yùn)移規(guī)律分析

通過微震監(jiān)測(cè)手段，主要實(shí)現(xiàn)了采動(dòng)影響下震動(dòng)事件定位，從而實(shí)現(xiàn)單工作面見方期間振動(dòng)事件平面分布距離，走向定位高度、傾向定位高度事件統(tǒng)計(jì)，進(jìn)一步得到采動(dòng)影響下超前支承壓力影響距離監(jiān)測(cè)，覆巖裂隙微觀發(fā)育高度監(jiān)測(cè)，基于微震監(jiān)測(cè)的事件分布如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 基于微震監(jiān)測(cè)的平面分布距離監(jiān)測(cè)

圖5 基于微震監(jiān)測(cè)揭示的走向剖面分布圖

圖6 基于微震監(jiān)測(cè)揭示的傾向剖面分布圖

通過圖4監(jiān)測(cè)可知，基于微震監(jiān)測(cè)揭示的采動(dòng)影響下單工作面見方階段震動(dòng)事件平面分布距離約超前工作面180m，微震事件定位超期距離區(qū)別于超前支承壓力峰值影響區(qū)域，這是由于震動(dòng)事件定位為覆巖微觀裂隙發(fā)育與裂隙貫通點(diǎn)，采動(dòng)影響下工作面超前支護(hù)距離應(yīng)小于或等于該監(jiān)測(cè)距離。

通過圖5監(jiān)測(cè)可知，采動(dòng)影響下工作面走向監(jiān)測(cè)事件基本呈現(xiàn)雙拱形，低位拱形運(yùn)移控制工作面動(dòng)壓顯現(xiàn)，其發(fā)育高度大致為90m，與理論分析結(jié)果較一致；高位拱形的運(yùn)移造成了覆巖頂板的運(yùn)移，基于微震監(jiān)測(cè)揭示的高位拱發(fā)育高度約180m。另外，大能量事件主要分布在頂板內(nèi)，底板集中分布小能量震動(dòng)事件。

通過圖6監(jiān)測(cè)可知，采動(dòng)影響下大能量事件主要集中分布在工作面高位頂板內(nèi)，小能量事件主要分布在低位頂板及底板范圍內(nèi)，這是由于工作面低位頂板無堅(jiān)硬巖層且頻繁受到超前支護(hù)擾動(dòng)造成的微震事件在空間展布形態(tài)的差異。

結(jié)合工作面地質(zhì)鉆孔資料可知，工作面頂板約80～90m范圍內(nèi)存在一層厚度約7m的砂巖頂板，同時(shí)結(jié)合微震監(jiān)測(cè)揭示的3306工作面微震事件走向剖面圖可知，微震大能量事件主要發(fā)育至頂板90m范圍的砂巖組內(nèi)，因此判定該層位屬于3306單工作面見方期間覆巖的一關(guān)鍵層位；基于微震監(jiān)測(cè)揭示的震動(dòng)事件剖面分布可知，大能量事件主要集中在工作面上部約140～200m范圍內(nèi)，小能量震動(dòng)事件主要分布在低位頂板及底板內(nèi)。

4 結(jié)論

1）基于理論計(jì)算分析得到單工作面見方期間是覆巖結(jié)構(gòu)演化期，理論計(jì)算得到覆巖裂隙發(fā)育高度達(dá)約為90m。

2）基于震動(dòng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的采動(dòng)影響下微震事件平面分布超前距離約180m，覆巖裂隙發(fā)育高度為90m，與理論計(jì)算結(jié)果較吻合，為超前支護(hù)優(yōu)化提供技術(shù)參數(shù)。

3）基于理論分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)監(jiān)研究得到工作面采動(dòng)影響下覆巖運(yùn)移規(guī)律，為沖擊地壓監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐，指導(dǎo)礦井超前支護(hù)設(shè)計(jì)，有效保證回采安全。