基于微震系統孤島工作面初次來壓及周期來壓步距研究

梁東輝，李興建，劉廣堯

（濟寧市金橋煤礦 ，山東 濟寧 272200）

0 前 言

近年來井工煤礦受村莊壓煤搬遷影響，多選擇進行條帶開采，導致孤島工作面數量逐步增加，受采空區、遺留煤柱等因素影響，加之開采強度的不斷增加，在動載、靜載的綜合作用下，煤巖體應力集中程度越來越高，強烈礦壓顯現次數日趨頻繁，嚴重威脅礦井安全生產。特別是在工作面初次來壓、周期來壓期間，工作面頂板壓力和頂板下沉比平時大30%～40%[1]，微震事件能量、頻次成倍增加，極易發生沖擊地壓，因此開展綜放工作面初次來壓、周期來壓步距的研究迫在眉睫，掌握周期來壓規律可使沖擊地壓防治工作更有針對性、時效性。

1 工作面概況

金橋煤礦1304 工作面位于一采區北翼，設計為分層開采，前期受地面村莊壓煤影響，一采區北翼上分層采用條帶式開采，1304 工作面位于一采區北翼下分層，設計為 “刀把” 型工作，切眼長度為84.3/151.2m，回采工藝為綜放開采，1304 工作面上方為 1304上采空區，東側為 1302下采空區（2014 年回采完畢）和1302 上采空區（2010 年回采完畢），西側為1316上采空區，形成一個孤島工作面。

圖1 1304 工作面平面位置示意圖

圖2 1304 工作面剖面位置示意圖

2 初次來壓、周期來壓步距計算

1304 工作面回采初期，未到初次來壓時，隨著工作面推采，老頂未垮落，由切眼煤柱及工作面煤壁支撐，形成固支梁結構，當工作面繼續推進，老頂斷裂垮落，斷裂時的極限跨距即為工作面初次來壓步距[2]。根據理論經驗，因彎矩形成的極限跨距即為工作面初次來壓步距。

式中：L 為極限垮落跨距，m；h 為老頂厚度，m；RT為抗拉強度，MPa；q 為老頂巖層所承受載荷，MPa。

結合1304 工作面頂板運動規律，根據現場工作面頂底板巖性資料分析推算：當允許巖層冒落運動的空間高度Si（自身厚度與下部空間之和）大于或等于其冒落充填厚度KAmi 時，則第i 層冒落，逐層向上推斷，直至（Si＜KAmi）不冒為止[3]，其中，KA 為直接頂巖層的碎脹系數，一般取1.25～1.5，這里取1.35，mi 為第i 層巖層厚度，m;Si 為允許第i 層冒落運動空間，m。

依據表1，從下到上的順序直到第5 層，因KAm5＞S5，故第5 巖層不冒落，由此可得出1304 工作面上覆第5 層粉砂巖為老頂，厚度為8.16m，所以h=8.16m。

根據金橋煤礦3# 煤層頂板沖擊傾向性鑒定，一采區巖樣測試結果如表 2 所示， 抗拉強度為3.64MPa。

老頂巖層承受的載荷一般主要來自老頂本身載荷的影響，老頂上方巖層由于本身強度較大，對老頂載荷基本不起作用， 因此 q=q1=r1h1=25 ×8.16=204kMPa=0.2MPa

將數值代入公式（1）：

況下，采煤工作面老頂初次來壓步距和老頂初次斷裂的極限垮落跨距相當，故1304 工作面初次來壓步距在49.2m 左右；另外周期來壓步距一般為老頂極限垮落跨距的0.25～0.5 倍[4]，故1304 工作面周期來壓步距在12.3～24.6m 之間。

表1 1304 工作面頂板巖性參數表

表2 金橋煤礦一采區巖樣測試結果表

3 基于微震系統初次來壓、周期來壓研究

3.1 微震監測系統工作原理

微震監測系統可實現對礦井包括沖擊地壓在內的礦震信號進行遠距離、實時、動態、自動監測，給出沖擊地壓等礦震信號的完全波形，通過分析研究，可準確計算出震動及沖擊地壓發生的時間、能量及空間三維坐標，確定出每次震動的震動類型，判斷出沖擊地發生力源，并且能分析出礦井上覆巖層的斷裂信息，實現描述空間巖層結構運動和應力場的遷移演化規律[5]。

初次來壓、周期來壓期間，老頂斷裂垮落，誘發大能量微震事件，因此通過發生的微震事件進行反推，可掌握上覆巖層斷裂的信息，進而可確定工作面初次來壓、周期來壓的時間及步距。

3.2 1304 工作面微震監測系統布置

1304 工作面回采期間在軌道順槽、皮帶順槽各布置2 個微震傳感器，間距150m，工作面共計安裝4個微震傳感器，呈“菱形”布置，微震傳感器隨著工作面推進前移，具體布置如圖3 所示。

圖3 1304 工作面微震監測系統布置圖

3.3 1304 工作面微震監測數據分析

1304 工作面自2 月28 日開始推采，截至10 月31 日累計推進555.1m，本文主要對2 月28 日至10月31 日之間的監測數據進行分析，初次來壓、周期來壓期間老頂折斷或垮落引發礦壓顯現現象，因此初次來壓、周期來壓期間受老頂斷裂影響，微震事件頻次、能量較正常推采期間明顯增加，微震事件頻次、能量基本位于臨近幾日的峰值[6]，由圖4 工作面微震事件、能量走勢圖，可初步確定工作面周期來壓發生的時間，其中“CK”表示初次放頂，“CL”表示初次來壓，“ZL”表示周期來壓，并且結合工作面推進度，可確定初次來壓、周期來壓步距。

圖4 1304 工作面微震事件頻次、能量走勢圖

由表 3 可知，2 月 28 日至 10 月 31 日 1304 工作面共經歷38 次周期來壓，周期來壓步距平均值為13.2m，初次來壓步距為44.9m。

表3 1304 工作面初次來壓、周期來壓統計表

4 總 結

1）根究固支梁理論計算老頂斷裂的極限跨距為49.2m， 因此確定 1304 工作面初次來壓步距為49.2m，周期來壓步距在12.3～24.6m 之間；根據微震監測系統數據分析，確定1304 工作面初次來壓步距為44.9m，周期來壓步距為13.2m。二者得出的數據基本吻合，因此可以通過微震監測系統確定工作面的初次來壓、周期來壓時間及步距。

2）1304 工作面為“刀把”型工作面，切眼對接前周期來壓步距平均值為13.5m，切眼對接后周期來壓步距平均值為13.2m，二者相差不大，因此工作面寬度的變化對老頂斷裂、垮落影響不大，因此初步確定工作面寬度對周期來壓步距影響較小。

3）通過微震監測系統確定周期來壓步距，可提前采取相應的防沖措施，提高了防沖管理水平，降低了老頂垮落誘發沖擊地壓的風險。

4）利用微震監測系統確定回采工作面初次來壓、周期來壓時間、步距可推廣應用至所有安設微震監測系統的沖擊地壓礦井，該方法確定初次來壓、周期來壓簡單、準確，可切實提高礦井頂板管理、沖擊地壓防治水平。