特厚煤層綜放工作面多參量監測預警分析*

張 寅，凡聰聰

(遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 引言

綜放開采技術是厚煤層礦區采煤技術的發展方向[1-3]。自上世紀八十年代以來，我國在綜放開采領域的研究取得了豐碩成果，解決了厚及特厚煤層開采面臨的諸多問題[4-8]。

目前，國內一些學者就綜放工作面的相關問題展開了進一步深入探討。綜放工作面礦壓顯現規律方面，于斌等[9]采用理論分析方法，對特厚煤層綜放回采巷道超前支護段的礦壓顯現機制進行了研究；史紅邈[10]通過對復雜地質條件下的松軟厚煤層綜放工作面支架阻力進行實測，得到了礦壓顯現規律；翟新獻等[11]采用理論分析和現場支架阻力觀測相結合的方法研究了巨厚礫巖層下的綜放工作面礦壓顯現規律。在綜放工作面巖層活動監測方面，劉杰[12]利用微震系統對特厚煤層綜放工作面的圍巖運動規律進行監測分析；于雷等[13]在采用微震監測技術的同時，又結合現場支架阻力觀測，對綜放工作面頂板活動規律進行了研究；孔令海等[14]采用高精度微地震監測技術，研究了微震事件的動態發展和分布規律，推斷得到了特厚煤層綜放工作面頂板巖層運動規律；而李春意等[15]則研究了大采深巨厚礫巖條件下的綜放開采工作面地表巖移沉陷規律。

上述研究表明，厚煤層綜放工作面的開采其礦壓顯現、巖移活動都具有一定的規律性，而對斷層影響下的特厚煤層綜放工作面受構造應力和自重應力作用形成的復雜應力場，采用單一監測手段難以把握規律性，會給安全生產帶來相當風險。為此，本文基于微震活動、鉆屑量、支架阻力和地表變形多種監測手段，分別分析回采過程中的參量變化情況，綜合考慮4種監測手段下參數變化規律，為該礦提供預警信息。

1 工作面概況

義馬煤田某礦12220工作面位于西二采區西翼，2-3煤軌道下山西側，該面北臨已回采的(2-3)12200工作面下巷(二者相隔8 m煤柱)，西至耿楊礦區邊界斷層，南部為未開采的2-3煤實體。上巷標高+184～+188 m，下巷標高+144～+155 m，地面標高+614～+648 m，平均采深約500 m。工作面標高+79～+156 m，工作面走向長度846 m，傾斜長度193 m，煤層傾角14°～17°。

該工作面煤層整體呈一向東南傾斜的單斜構造，但煤層結構較復雜，層理紊亂，煤層酥軟。F16逆沖斷層斜穿工作面，走向近東西，傾向南略偏東，斷層位置處煤層底板連續，沒有被斷層斷開。工作面頂板上部為泥巖、砂質泥巖、細粒砂巖；下部為灰色、深灰色細砂巖。底部夾有薄層黑灰色粉砂巖，近煤處變為灰黑色、黑色泥巖，中夾煤線，含植物化石碎片。底板上部為煤矸互疊層，灰褐色易碎鏡面發育，下面為細砂巖粉砂巖互層，灰色灰黑色局部含煤屑。該工作面所采煤層為2-3煤，黑色似層狀，主要由亮煤，暗煤組成，下部灰分增高，層面附有絲炭薄層。該面煤厚9～21.6 m，儲量利用厚度平均17.5 m，煤層結構復雜，含夾矸4～7層，均為泥巖，不穩定，累厚1.5～2.5 m左右。

2 微震活動監測

利用加拿大ESG公司生產的高精度微震監測系統對西區12220工作面自10月1日至12月27日回采期間發生的微震事件進行統計發現：該工作面共發生微震事件149個，其中5次方事件8個，占5.4%；4次方事件70個，占47%；3次方事件59個，占39.6%；2次方事件12個，占8.1%，其中最大事件能量為6.82×105J，發生在12月19日13∶20∶56。為進一步分析統計周期內微震事件當日總能量的周期性變化規律，繪制了1個不連續時間段內的能量-頻次時序變化圖，如圖1所示。

圖1 12220工作面微震事件總能量-頻次時序變化Fig.1 Time sequence variation of total energy-frequency for microseismic events in 12220 working face

從圖1中可知，當日總能量在間隔一定時間周期后均會出現1個明顯的波峰，即達到峰值能量之后便會迅速下降。根據監測數據，統計了11個峰值能量的大小、間隔時間和回采間距，得到表1，取平均值，認為12220回采工作面微震事件的峰值能量周期約為3 d，回采間距約為4.5 m。

表1 12220工作面微震事件當日總能量峰值周期性統計Table 1 Periodic statistics of total energy peak on same day of microseismic event in 12220 working face

由此反映出煤巖體中彈性應變能在采動應力、自重應力、F16斷層牽引和推覆構造應力疊加作用下的周期性積聚-釋放-再積聚-再釋放過程。同時，應特別注意持續的能量低位表現特征(如10月16日總能量6.73×102J，10月17日總能量9.77×103J，10月18日總能量0)，這種情況通常預示著較大能量微震事件的發生，原因是煤巖體中的彈性應變能沒有得到有效釋放，當局部達到煤巖體強度極限時，就會發生準脆性斷裂破壞，同時釋放出較大能量。

此外，為分析統計周期內微震事件的平面投影分布位置和大能量積聚區域，分別繪制了投影分布位置和大能量積聚區域圖(見圖2和圖3)。

圖2 12220工作面微震事件平面投影分布Fig.2 Plane projection distribution of microseismic events in 12220 working face

圖3 12220工作面微震事件能量分布影像-能量范圍(1.52×102～1.00×105 J)Fig.3 Plane projection distribution of microseismic events in 12220 working face (1.52×102J～1.00×105J)

圖2及圖3中的斜線填充區域為10月1日至12月27日的回采區域，走向長度約114 m，后部不規則多邊形填充區域為采空區。以巨厚煤層影響帶為界，F16斷層上盤總計發生微震事件43個，5次方事件3個；F16斷層下盤總計發生微震事件96個，5次方事件5個；巨厚煤層影響帶內發生微震事件總計10個。

根據微震事件的能量大小，利用線性三角插值法，以微震事件1.0×105J作為判定高能量區的界限，繪制出整個工作面的高能量積聚區域，并將圖3中的數字1，2，3指定區域標定為3個重點高能量異常區。

具體而言，1區位于原切眼向外173～316 m，上巷下幫40 m～上幫46 m范圍內；2區位于原切眼向外240～376 m，下巷上幫31 m～下幫30 m范圍內；3區位于原切眼向外160～220 m，工作面中部。分析原因：1區所處位置特殊，一方面包含了上部已采12200工作面遺留的8 m寬條形煤柱帶，另一方面F16斷層影響下的巨厚煤層帶斜穿工作面和上巷，切割該煤柱，形成1個小三角區域。該區域在工作面回采推進過程中受超前支承壓力、煤柱側砌體梁結構支承端壓力、斷層推覆擠壓構造應力以及自重應力共同作用下，使得應力集中程度不斷加劇，導致4個5次方大能量微震事件發生；2區基本處在12月27日回采工作面下巷超前130 m位置，主要是受超前支承壓力和斷層構造應力以及自重應力三者疊加影響，共發生2個5次方事件；3區位于工作面中部，僅發生過1個5次方大能量事件，初步判斷是傾斜工作面中部受自重應力影響，導致上部巖體在煤層回采后發生了較大的撓曲變形，同時積聚了大量彎曲應變能，當該應變能超過彈性極限時，就會發生準脆性斷裂，以大能量微震事件的形式突然釋放出來。

3 鉆屑量監測

利用井下防爆慢速電鉆(功率1.5 kw、轉速430 r/min)，按照鉆屑法監測施工技術要求，采用42 mm麻花鉆桿，每節長1 m，插接式連接方式對上巷下幫和下巷上幫12 m范圍內的煤體稱取鉆屑量進行統計。具體而言，在上巷下幫不同位置累計施工鉆孔33個稱取鉆屑量，平均每米鉆屑量為2.71 kg。下巷上幫不同位置累計施工鉆孔12個稱取鉆屑量，平均每米鉆屑量為2.94 kg。并分別繪制了單孔內最大鉆屑量對應孔深位置的百分比餅狀，如圖4和圖5所示。

圖5 下巷上幫鉆屑量最大值對應孔深位置Fig.5 Hole depth corresponding to maximum drilling cuttings weight at rise side of lower roadway

從圖4，圖5中可以看出，上巷下幫和下巷上幫所占百分比份額最大的連續孔深范圍均為7～11 m。

根據現場監測，通過上、下巷共計45個鉆孔，累計540 m長度的鉆屑量統計數據，得出鉆孔深度與平均鉆屑量的關系近似為

V=0.17x+0.69

(1)

式中：V為鉆屑量，kg/m；x為鉆孔深度，m，其合理取值范圍x=1～12 m。

式(1)表示了該礦不發生沖擊時的鉆孔深度與平均鉆屑量的關系，低于式(1)計算的結果一般不會發生沖擊地壓，高于式(1)計算的結果，也不一定發生沖擊地壓，需要現場監測后再做定論。鉆孔深度與平均鉆屑量的關系如圖6所示。

圖6 預警沖擊地壓的指標確定Fig.6 Determination of indicators for early-warning of rockburst

所以由以上分析知，為防止該礦沖擊地壓的發生，現將平均鉆屑量3 kg/m作為黃色預警臨界值，3.5 kg/m作為紅色預警臨界值，并依據孔深位置所占百分比份額，定性認為上巷下幫7～11 m和下巷上幫9～11 m為較高應力集中區。

4 支架阻力監測

12220綜放工作面共安裝液壓支架136架，自下拐頭到上拐頭，支架號從1號依次到136號。根據現場支架實時壓力數據，選擇10號、20號、30號、……、130號架的前柱工作阻力數據繪制了10月3日至12月15日的綜采支架前柱阻力云圖(見圖7)。

圖7 工作面支架前柱阻力Fig.7 Nephogram for resistance of front pillar in support of working face

圖7中，分別用黑色多邊形圈定了2個相對連續變化的高壓力區。10月3日至10月15日期間，工作面中下部10架～70架范圍內前柱壓力普遍在20 MPa以上；10月15日至11月6日期間，工作面高壓力區范圍明顯縮小，僅體現在中下部40～70架之間；11月21日至12月12日，工作面高壓力區范圍轉移至工作面上部90～120架之間。

分析原因，主要是受放頂煤開采工藝影響，支架前、后柱初撐力偏低，存在不接頂、虛頂現象，導致整個支架梁上部煤體處于卸荷帶影響范圍內，較低的初撐力使煤體在自重和構造應力作用下發生撓曲變形。接近無約束狀態下的煤體底部受拉，發生準脆性斷裂破壞，因而可以在現場觀察到多數支架頂梁上部煤體呈現大小不一的塊狀破碎情況。

5 地表變形監測

5.1 走向測點地表變形量

根據9月13日至12月6日，為期84 d的地表走向變形量數據，以12月6日工作面回采位置為界(上巷219.6 m，下巷212 m)，繪制了走向各測點的累計下沉量曲線圖(見圖8)。

圖8 走向測點地表累計下沉量曲線Fig.8 Curves for cumulative surface subsidence of strike survey points

再結合12220工作面地表變形測點分布圖(見圖9)可以發現，截至12月6日，走向最大下沉量為0.762 m(N19測點，位于回采工作面后84.9 m)，最小下沉量為0.016 m(N4測點，位于回采工作面后612.3 m)。特別注意圖9中N4～N13測點，9月13日～11月29日下沉量曲線較9月13日～11月22日的下沉量曲線有向上偏移現象，說明該走向范圍內地表已發生隆起，隆起最大處為N4測點(位于回采工作面后612.3 m)，隆起0.038 m；隆起最小處為N13測點(位于回采面后273 m)，隆起0.007 m。總體而言，走向各測點依然維持了漏斗狀下沉趨勢。但從曲線的下凸斜率上看，面后N4～N12測點走向長度斜率最小，下沉角度為0.033°；N12～N19測點走向長度斜率最大，下沉角度為0.159°；面前N21～N23測點走向長度斜率居中，下沉角度為0.112°

圖9 12220工作面地表變形量測點分布Fig.9 Distribution of survey points for surface deformation in 12220 working face

另外，通過繪制6個時間段內的走向測點日平均下沉速率曲線圖(見圖10)，可以進一步觀察其動態變化過程。

圖10 走向測點地表日均下沉速率曲線Fig.10 Curves for daily average surface subsidence rate of strike survey points

由圖10可以看出，11月29日～12月6日7 d時間內各測點的日平均下沉速率，其變化較11月22日～11月29日7 d時間內的日平均下沉速率曲線發生明顯上凸偏離，其中N19測點偏離程度最大，為17.285 mm/d。總體而言，面后N6～N19測點較之前1個周期下沉速率明顯增大，反映出距回采工作面越近，高位巖層變形下沉活動越強烈；但N20～N23測點下沉速率曲線與之前1個周期基本重合，說明下沉速率維持恒定，面前高位巖層變形活動相對穩定。

5.2 傾向測點地表變形量

根據9月13日至12月6日，為期84 d的地表傾向變形量數據，繪制了傾向累計下沉量曲線擬合圖(圖11)和日均下沉速率曲線擬合圖(見圖12)。從圖11整體上看，累計下沉曲線較符合二次拋物型擬合方程，說明存在1個下沉量最大點。傾向累計下沉量擬合曲線方程如下所示：

圖11 傾向測點累計下沉量擬合曲線Fig.11 Fitting curves for cumulative subsidence of inclination survey points

圖12 傾向測點日均下沉速率擬合曲線Fig.12 Fitting curves for daily average subsidence rate of inclination survey points

(2)

y2=0.001 8x2-0.043 4x-0.192 6，R2=0.833 7

(3)

y3=0.018 8x2-0.126 4x-0.268 9，R2=0.946 7

(4)

y4=0.021 9x2-0.147 7x-0.334 8，R2=0.946 7

(5)

y5=0.021 2x2-0.129 4x-0.423 1，R2=0.712 3

(6)

y6=0.028 2x2-0.191 8x-0.421 2，R2=0.949 6

(7)

式中：x為距離上巷下幫的投影直線距離，m；y為傾向累計下沉量，m；y1，y2,…,y6依次為9月13日～10月16日、9月13日～11月5日、9月13日～11月13日、9月13日～11月22日、9月13日～11月29日和9月13日～12月6日的累計下沉量擬合曲線。

根據以上方程不難發現，傾向下沉量最大點為S14測點，基本處于工作面中部，從而反映出中部上覆巖層受自重應力影響，撓曲變形最大的事實。

此外，從圖12中知，日均下沉速率擬合曲線方程如下所示：

y7=-0.285 7x2+1.920 3x+4.215 2，R2=0.951 8

(8)

y8=0.382 1x2-0.997 9x+2.675 0，R2=0.828 3

(9)

y9=-2.125x2+10.375x+9.537 5，R2=0.882

(10)

y10=-0.383 9x2+2.666 1x+8.237 5，R2=0.947 3

(11)

y11=-2.071 4x+11.957，R2=0.724 8

(12)

(13)

式中：x為距離上巷下幫的投影直線距離，m；y為日均下沉速率，mm/d；y7，y8，…，y12依次為9月13日-10月16日、10月16日-11月5日、11月5日-11月13日、11月13日-11月22日、11月22日-11月29日和11月29日-12月6日的累計下沉速率擬合曲線。

由圖12和傾向測點日均下沉速率擬合方程知，傾向測點的下沉速率變化情況較為復雜，擬合方程有一次型、二次型和三次型，規律性不明顯。但11月29日-12月6日的下沉速率曲線較之前1個周期發生明顯向上偏移，應引起足夠重視。

6 結論

1)通過對微震事件能量、頻次的統計分析發現，12220綜放工作面微震事件的峰值能量周期約為3 d，回采間距約為4.5 m。另外，微震事件能量分布表明上巷斷層下盤較下巷斷層上盤的煤巖體應力重分布活動更劇烈，并劃定了3個高能量異常區，建議重點對1號和2號異常區加強監測，加大綜合卸壓力度。

2)利用小直徑鉆桿對上、下巷煤體打孔取鉆屑稱量，統計發現每米鉆屑量最大值出現在上巷下幫7～11 m和下巷上幫9～11 m范圍內，劃定該區域為巷幫高應力集中區，并將平均鉆屑量3 kg/m作為黃色預警臨界值，3.5 kg/m作為紅色預警臨界值。

3)分析了支架阻力前、后柱數據，劃定了云圖中2個連續變化的高壓力區，發現在初撐力偏低，甚至支架不接頂、虛頂情況下，支架梁頂部煤體受自重和構造應力作用易發生準脆性受拉斷裂破壞，且在穿越逆沖斷層的回采過程中，支架阻力峰值呈現由中下部向上部轉移的變化規律。

4)通過對工作面地表走向、傾向測點的變形量數據進行統計分析發現，走向面后84.9～284.8 m范圍內地表下沉量較大，下沉速率增幅明顯；而工作面傾向中部對應地表位置的下沉量最大，整體下沉變形呈二次拋物型，其中下部下沉速率增幅明顯。