基于微震監(jiān)測的綜采面沖擊地壓防治技術(shù)研究

石超弘 丁國利 蘇士杰 于輝華 劉晨陽 姚 銳

(中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司煤炭分公司葫蘆素煤礦，內(nèi)蒙古鄂爾多斯市，017399)

沖擊地壓是世界范圍內(nèi)煤礦最嚴重的災(zāi)害之一。沖擊地壓發(fā)生原因極為復(fù)雜、影響因素較多、災(zāi)害后果嚴重，已成為巖石力學(xué)研究中的一個重大課題。隨著我國煤礦開采深度不斷增加，沖擊地壓災(zāi)害越來越嚴重。已經(jīng)成為制約我國煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。盡管國內(nèi)外學(xué)者在沖擊地壓發(fā)生機理[1-5]、監(jiān)測手段[6-7]及控制[8-11]等方面已經(jīng)取得了重要進展，但由于沖擊地壓發(fā)生機理極為復(fù)雜，到目前為止，還未從根本上解決沖擊地壓災(zāi)害的有效預(yù)測及防治問題。

目前在世界范圍沖擊地壓監(jiān)測領(lǐng)域中，微震監(jiān)測技術(shù)相對于其他手段應(yīng)用范圍廣、精度相對較高，是利用煤巖破裂產(chǎn)生的微震信息來研究煤巖結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的一種實時、動態(tài)、連續(xù)的地球物理監(jiān)測方法。能夠給出煤體開挖后圍巖應(yīng)力平衡和再平衡過程的豐富信息，并通過分析研究地質(zhì)構(gòu)造、采掘活動、高應(yīng)力區(qū)等與微震活動之間的相互關(guān)系[12-15]，研究巖爆、沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動力災(zāi)害發(fā)生過程中的微震活動空間分布規(guī)律與演化過程，并結(jié)合微震事件分布的位置，可以判斷潛在的礦山動力災(zāi)害活動規(guī)律，進而實現(xiàn)危險性評價和預(yù)警。

筆者從微震監(jiān)測在沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用出發(fā)，對微震事件在工作面推進過程中走向、傾向及層位上的分布情況進行了研究；并采用被動CT反演技術(shù)對微震事件進行平面投影，較為直觀地展現(xiàn)了綜采面推采過程中的應(yīng)力分布狀態(tài)以及過構(gòu)造期間的發(fā)展情況，并對沖擊危險區(qū)域提出了有針對性的防治措施。

1 工作面概況

21103工作面是葫蘆素煤礦東翼一盤區(qū)繼首采面21102工作面的第2個工作面，工作面傾向長度320 m，走向長4160 m，平均厚度2.54 m。其回采巷道3條，21103回風(fēng)巷為前期21102輔運巷留巷。21103工作面布置如圖1所示。21103工作面回采期間，回風(fēng)巷受21102采空區(qū)側(cè)向應(yīng)力與超前支承壓力的疊加影響，超前段圍巖變形嚴重，頂?shù)装逡平扛哌_1.5～2 m，有時伴隨著煤巖彈射或錨桿索崩斷等沖擊現(xiàn)象。

圖1 21103工作面布置圖

2 微震時空演化規(guī)律分析

2.1 時間序列上的演化規(guī)律分析

根據(jù)21103工作面歷史微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用每5 d為一個計算單位統(tǒng)計頻次、釋放能量及推進度數(shù)據(jù)，得出微震事件能量-頻次時間序列曲線,如圖2所示。

圖2 微震事件能量-頻次時間序列曲線

由圖2(a)可以看出，隨著工作面推進，微震事件的日總能量與頻次基本呈正相關(guān)關(guān)系，局部存在頻次滯后于日總能量變化的趨勢，該情況一般存在于剛發(fā)生大能量事件的1～2 d內(nèi)，造成這一現(xiàn)象的原因是煤巖裂隙隨大能量事件的震動而擴張，伴隨采動擾動裂隙迅速貫通破裂并以低能級事件形式釋放煤巖體內(nèi)殘余的部分彈性能。

由圖2(b)與(c)可以看出，微震頻次對推進度的變化敏感性更強，說明推進度越高，頂板受擾動越劇烈；微震能量變化整體上與推進度一致，但局部存在空白包絡(luò)，主要是由于推進度越高，煤巖體內(nèi)因受擾動積聚彈性能越多，彈性能可能會一直積聚，也可能會因煤巖體裂隙貫通而瞬間釋放，因此空白包絡(luò)的形成趨勢可以作為判定大能量事件或沖擊事件的發(fā)生依據(jù)。

2.2 空間上的演化規(guī)律分析

21103工作面微震事件沿工作面傾向的分布規(guī)律如圖3所示。

圖3 21103工作面微震事件沿工作面傾向的分布規(guī)律

由圖3(a)與(b)可以看出，以工作面中部為軸，微震事件主要分布在工作面中部至回風(fēng)巷附近，回風(fēng)巷以西深入21102采空區(qū)60 m、以東100 m 為礦壓顯現(xiàn)劇烈區(qū)域。(-160 m，-180 m)區(qū)間在21103回風(fēng)巷煤柱區(qū)，微震頻次及釋放能量曲線在該區(qū)間出現(xiàn)波峰、波谷兩種極端狀態(tài)，說明受集中靜載荷影響的煤柱區(qū)在工作面回采擾動一直處于積聚能量的過程，極易從回風(fēng)巷薄弱部位發(fā)生沖擊事件。

21103工作面微震事件沿工作面走向分布規(guī)律如圖4所示。由圖4(a)與(b)可以看出，微震活動主要分布在工作面以南(采空區(qū)側(cè))200 m至工作面以北400 m范圍，其中工作面以南50 m 至工作面以北300 m為微震活動頻繁區(qū)域。

圖4 21103工作面微震事件沿工作面走向分布規(guī)律

21103工作面以南50 m以外采空區(qū)基本頂已斷裂垮落完全，采空區(qū)基本充實；工作面以南50 m至工作面煤壁，9.5%的微震事件發(fā)生在該區(qū)域，主要由采空區(qū)破碎頂板壓實過程引發(fā)；74%以上的微震事件發(fā)生在超前工作面0～300 m范圍，此區(qū)域受工作面采動影響最大，煤體上方頂板受采空區(qū)基本頂彎曲下沉、斷裂及劇烈翻轉(zhuǎn)的影響，且該區(qū)域微震事件釋放能量為21103工作面微震事件總能量的90%以上。

2.3 微震事件發(fā)生層位分析

21103工作面微震事件投影如圖5所示。由圖5可以看出，21103工作面推進過程中，微震事件主要分布在煤層上下-20～+40 m范圍，在煤層上下-10～+20 m范圍出現(xiàn)叢集現(xiàn)象，4次方以上微震事件主要集中分布在煤層上方10～20 m范圍，個別發(fā)生在煤層上方20～40 m。從21103工作面直接頂、基本頂結(jié)構(gòu)分析，4次方及以上事件大多數(shù)是由厚硬砂巖基本頂斷裂誘發(fā)的礦震事件。從工作面傾向上來看，臨空寬煤柱側(cè)向直接頂板懸頂作用，在高強采動應(yīng)力疊加影響下導(dǎo)致回風(fēng)巷附近高能事件較多。

圖5 21103工作面微震事件投影

2.4 ARIMIS M/E 被動CT反演

采用3個時期內(nèi)的微震數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源，分別繪制波速AVR云圖，以研究21103工作面區(qū)域應(yīng)力場演變規(guī)律，如圖6所示。

圖6 分階段被動CT反演

由圖6可以看出，21103工作面回采過程中，回風(fēng)巷附近始終是應(yīng)力集中程度高、沖擊危險性較高的區(qū)域。回風(fēng)巷受到高強采動影響和21102采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力的疊加影響，宏觀上呈現(xiàn)出圍巖破碎、大變形現(xiàn)象，微觀上呈現(xiàn)出微震各能級事件叢集現(xiàn)象；在運輸巷揭露斷層、背斜等構(gòu)造時，工作面逐步推進至構(gòu)造過程中，受到構(gòu)造應(yīng)力集中影響，沖擊危險會呈現(xiàn)逐步向運輸巷附近轉(zhuǎn)移的趨勢。因此微震事件的顯現(xiàn)規(guī)律在一定程度上能預(yù)知煤巖動力災(zāi)害的發(fā)生。

3 防治措施

21103回風(fēng)巷為臨空巷道，受超前支承壓力和采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力的疊加作用，由于底板為無支護弱面狀態(tài)，煤巖體中積聚的彈性能一大部分通過底板變形釋放出來。

針對21103回風(fēng)巷設(shè)計采用由上至下分源治理措施：超前頂板水力壓裂鉆孔卸壓；煤層大直徑鉆孔卸壓；超前高強度起底卸壓。

3.1 頂板“鉆-切-壓”水力壓裂鉆孔

在21103回風(fēng)巷沿走向超前施工頂板水力壓裂鉆孔，每組施工2個鉆孔，鉆孔位于頂板上靠兩側(cè)幫肩窩位置，組間距15 m，鉆孔施工完畢后采用30～60 MPa高壓水進行切縫、壓裂。一是切斷臨空巷道上覆堅硬巖層，降低采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力對回風(fēng)巷的影響；二是對堅硬厚層砂巖頂板進行分層切縫、壓裂，降低頂板的蓄能能力，降低動載荷對回風(fēng)巷的影響，降低了堅硬厚層頂板難垮落、易造成大面積來壓的風(fēng)險。具體施工參數(shù)見表1。

表1 21103回風(fēng)巷頂板壓裂鉆孔參數(shù)

3.2 大直徑鉆孔卸壓

隨著工作面回采，在21103回風(fēng)巷超前工作面300 m范圍兩幫施工煤層大直徑鉆孔，鉆孔距底板1～1.5 m，孔深15 m，孔間距1 m，孔徑?150 mm，鉆孔方位角90°/270°，順煤層施工。一是釋放煤層中積聚的彈性能，降低超前段巷道沖擊危險；二是沖擊顯現(xiàn)時，通過對大直徑鉆孔孔壁的擠壓、破裂、密實過程釋放掉一部分沖擊能量，降低沖擊危險程度。

3.3 臨空巷道起底卸壓

對回風(fēng)巷采取“二次起底”超前主動釋放底板中積聚的能量：“一次”超前單體外段高強起底卸壓，平均起底1.0 m以上，保證巷道高度在1.8 m左右，釋放底板中積聚的彈性能；“二次”超前單體前起底卸壓，平均起底0.4 m，保證巷道高度在2.0 m以上。確保超前單體支護及通風(fēng)行人需要。

在回采期間，除采取以上常規(guī)卸壓措施外，對于監(jiān)測具有沖擊危險區(qū)域，采取大直徑鉆孔或小孔徑爆破解危措施，降低了21103回風(fēng)巷沖擊危險程度，確保21103工作面的安全回采。

4 結(jié)論

(1)微震事件的日總能量與頻次基本呈正相關(guān)關(guān)系，局部存在頻次滯后于日總能量變化的趨勢。微震能量變化整體上與推進度一致，但局部存在空白包絡(luò)，空白包絡(luò)的形成趨勢可以作為判定大能量事件或沖擊事件的發(fā)生依據(jù)。

(2)在工作面傾向上微震頻次及釋放能量曲線在21103回風(fēng)巷煤柱區(qū)出現(xiàn)波峰、波谷兩種極端狀態(tài)，說明受集中靜載荷影響的煤柱區(qū)在工作面回采擾動一直處于積聚能量的過程，極易從回風(fēng)巷薄弱部位發(fā)生沖擊事件。

(3)在工作面走向上，微震事件主要分布在工作面以南50 m至工作面以北300 m，74%以上的微震事件發(fā)生在超前工作面0～300 m范圍，該區(qū)域釋放能量占總能量的90%以上，因此，21103回風(fēng)巷超前工作面300 m為回采過程中沖擊地壓重點管控區(qū)域。

(4)21103工作面推進過程中，微震事件在煤層上下-10～+20 m范圍出現(xiàn)叢集現(xiàn)象，受厚硬砂巖基本頂斷裂誘發(fā)，4次方及以上微震事件主要集中分布在煤層上方10～20 m范圍，且高強采動及采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力疊加影響下導(dǎo)致回風(fēng)巷附近高能事件較多。

(5)21103工作面回風(fēng)巷受到高強采動及采空區(qū)側(cè)向支承應(yīng)力的疊加影響，宏觀上呈現(xiàn)出圍巖破碎、大變形現(xiàn)象，微觀上呈現(xiàn)出微震各能級事件叢集現(xiàn)象；在運輸巷揭露斷層、背斜等構(gòu)造時，工作面逐步推進至構(gòu)造過程中，受到構(gòu)造應(yīng)力集中影響，沖擊危險會呈現(xiàn)逐步向運輸巷附近轉(zhuǎn)移的趨勢。

(6)針對21103回風(fēng)巷沖擊危險性高的問題，設(shè)計采用由上至下分源治理措施，并針對監(jiān)測具有沖擊危險區(qū)域采取大直徑鉆孔或爆破解危措施，降低了21103回風(fēng)巷沖擊危險程度，確保21103工作面的安全回采。