急傾斜煤層復(fù)雜條件下礦震時空演化規(guī)律研究

楊文連 趙象卓

（1.靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司王家山煤礦；2.陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司）

目前，我國煤炭資源逐步進(jìn)入深部開采狀態(tài)［1-3］，急傾斜煤層深部開采因其地質(zhì)條件復(fù)雜性以及采煤方法的特殊性，開采過程中易出現(xiàn)強(qiáng)礦壓、沖擊地壓等動力失穩(wěn)現(xiàn)象，嚴(yán)重制約了煤礦的安全生產(chǎn)［4］。回采工作面礦震時空強(qiáng)演化特征研究對沖擊危險(xiǎn)預(yù)測及卸壓解危措施至關(guān)重要，前人在此方面進(jìn)行了大量有益研究。蔡武等［5］根據(jù)采場礦震與采掘區(qū)域的相對時空關(guān)系，提出了工作面礦震應(yīng)分區(qū)監(jiān)測的觀點(diǎn)，并自編程實(shí)現(xiàn)了采場礦震時空分區(qū)監(jiān)測和篩選，分析了礦震時空分布特征。竇林名等［6］將礦震震動波速度層析成像和微震實(shí)時監(jiān)測相結(jié)合，研究了強(qiáng)礦震與高波速區(qū)或高波速變化梯度區(qū)的關(guān)系。李康等［7］采用微震監(jiān)測系統(tǒng)和沖擊地壓應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，確定了工作面臨空巷道礦震誘發(fā)沖擊顯現(xiàn)的原因及規(guī)律。趙志鵬等［8］對微震事件時空演化規(guī)律展開研究，建立了反映煤巖體能量釋放異常程度的微震能量和頻次偏差值指標(biāo)，分析確定了沖擊地壓發(fā)生前微震能量、頻次、偏差值及空間分布的演化規(guī)律。李永靈［9］運(yùn)用微震監(jiān)測技術(shù)對深部開采導(dǎo)致的壓力顯現(xiàn)進(jìn)行了研究，總結(jié)了深部巖層在開采條件下的運(yùn)動規(guī)律。朱廣民等［10］基于微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了工作面回采過程中礦震“時—空—強(qiáng)”演化特征。趙毅鑫等［11］統(tǒng)計(jì)了現(xiàn)場礦震監(jiān)測數(shù)據(jù)的時間統(tǒng)計(jì)特征及震源空間分布規(guī)律，分析了過斷層前后礦震活動差異性。歐陽廣臣等［12］利用微震、電磁輻射及地音多參量監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)礦震多參量監(jiān)測預(yù)警，為工作面安全生產(chǎn)提供了指導(dǎo)。檢索發(fā)現(xiàn)，目前對急傾斜煤層復(fù)雜開采條件下礦震活動規(guī)律研究較少，本研究基于現(xiàn)場微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，對某煤礦急傾斜煤層復(fù)雜開采條件下的回采工作面礦震時空演化規(guī)律進(jìn)行研究，以期為后續(xù)工作面沖擊危險(xiǎn)監(jiān)測預(yù)警及卸壓解危提供有益指導(dǎo)。

1 工程概況

甘肅省某礦一號井一采區(qū)主采2#和4#煤層，煤層埋深400～450 m，傾角50°～60°，兩煤層間距50～70 m。采煤工作面沿煤層水平布置，采用水平分段輕型綜采支架放頂煤采煤方法，水平分段高度為30 m，回風(fēng)順槽沿煤層頂板布置，運(yùn)輸順槽沿煤層底板布置。目前，一采區(qū)一403和一203工作面已回采結(jié)束，正回采一405工作面，兩工作面分布見圖1、圖2。本研究基于一203工作面和一405工作面回采過程中礦震監(jiān)測數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析臨近不同急傾斜煤層工作面礦震活動規(guī)律。

2 一采區(qū)輕放工作面礦震活動時空強(qiáng)規(guī)律分析

2.1 微震時間序列分布

2018年3—7月，一203輕放工作面回采過程中微震監(jiān)測系統(tǒng)共監(jiān)測到有效事件約990個，其分級統(tǒng)計(jì)見表1。

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由表1可知，一203輕放工作面礦震以1×104J以下事件為主。不同能量級別微震事件的月震動頻次與回采進(jìn)尺關(guān)系如圖3所示（其中條形圖為各能量級震動的頻次）。對比不同能級礦震頻次柱狀圖可知，102～104J礦震事件日震動頻次變化趨勢相近，而能級為105J及以上的2次大能量礦震均發(fā)生3月份（一203工作面初采）；而在4月與5月份，工作面礦震事件頻次明顯增加，對比3—7月間礦震震動頻次與月進(jìn)尺可知，兩者升降變化基本同步，月震動頻次與一203工作面月進(jìn)尺密切相關(guān)，說明回采工作面礦震活動性與工作面回采速度呈正相關(guān)關(guān)系。因此，在工作面監(jiān)測到?jīng)_擊危險(xiǎn)時，可通過適當(dāng)降低工作面推進(jìn)速度，降低沖擊危險(xiǎn)性，保證工作面安全回采。

圖4為一采區(qū)回采工作面微震事件日震動頻次及能量變化圖。工作面礦震能量與礦震頻次曲線變化趨勢基本一致，局部差異較大，如3月4日、3月18日等，其中3月18日僅震動4次，而釋放能量卻達(dá)到3.5×106J，結(jié)合不同能量級別礦震頻次變化趨勢可知，工作面礦震頻次變化主要受小能量礦震震動影響，而礦震能量則主要取決于當(dāng)日發(fā)生的大能量礦震事件。

對比一采區(qū)一203與一405輕放工作面初采期間（3月—9月，圖5）微震事件日震動頻次、能量變化可知，兩輕放工作面回采初期能量在104J及其以下的礦震事件日震動頻次、能量變化基本一致，而一405工作面回采初期未發(fā)生105J以上大能量震動事件，推測其原因是上覆2#煤層開采對下層4#煤層起到了保護(hù)層卸壓作用，降低了頂板受力，使得一405工作面回采時，其頂板活動程度有所降低。

2.2 微震空間演化規(guī)律

由采場礦震時空演化特征作為工作面覆巖運(yùn)動破斷研究的重要依據(jù)。為明確相鄰煤層工作面開采覆巖運(yùn)動特征，統(tǒng)計(jì)了工作面不同階段礦震平剖分布。圖6為一采區(qū)輕放工作面回采期間礦震震源平面位置分布情況（2018年3—9月），其中3—7月回采一203工作面，9月回采一405工作面。其中為102～104J事件，為104～105J事件為≥105J事件。

由圖6可以看出，工作面礦震隨工作面不斷推進(jìn)而逐漸向向停采線方向轉(zhuǎn)移，且其分布較為離散。在煤層傾向方向上，震源在兩煤層及其頂?shù)装逯芯蟹植迹f明2#煤層工作面回采對下位4#煤層具有較強(qiáng)的采動影響，使得下位4#煤層工作面采空區(qū)上覆巖層斷裂或已趨于穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)再次失穩(wěn)，誘發(fā)礦震。

105J及以上大能量事件均發(fā)生在3月份，即一203工作面初采期間，其中，3月4日能量為32×105J，3月18日能量為3.5×106J。由礦井采掘規(guī)劃可知，上分層一201工作面回采后，轉(zhuǎn)到下分層一403工作面進(jìn)行回采，在此期間，一201工作面采空區(qū)內(nèi)破碎覆巖在頂板壓力作用下逐漸壓實(shí)，活動性降低，應(yīng)力逐漸恢復(fù)，在下分層一203工作面回采時，不僅使其直接頂巖層斷裂，而且會使上覆已相對穩(wěn)定的采空區(qū)覆巖再次失穩(wěn)、回轉(zhuǎn)，甚至頂板中更高層位關(guān)鍵層破斷，從而導(dǎo)致大能量事件的發(fā)生。

圖7為一采區(qū)一203輕放工作面回采期間礦震震源在不同回采位置剖面上的分布情況（2018年3月—9月），其中9月回采一405工作面。可知，在一203工作面回采期間，礦震震源分布具有明顯區(qū)域特征，其中104J能級的礦震主要集中在2#煤層頂板巖層及上覆采空區(qū)內(nèi)，而103J及以下能級礦震主要集中在兩煤層之間的巖層中。對比2018年5月（一203工作面回采）和2018年9月（一405工作面回采）剖面上的震源分布可知，2#煤層回采時，大能量礦震主要集中在煤層頂板及其采空區(qū)中，而4#煤層回采時，大能量礦震主要集中在煤層底板及其采空區(qū)中。

3 結(jié)論

（1）工作面礦震活動性與工作面推采速度呈正相關(guān)關(guān)系，可通過適當(dāng)降低工作面推進(jìn)速度來降低工作面沖擊危險(xiǎn)性；工作面礦震頻次的變化主要受小能量礦震影響，而礦震能量變化主要取決于大能量礦震；礦震活動主要集中在工作面附近，隨工作面的推進(jìn)不斷演化；工作面區(qū)域內(nèi)斷層、褶皺等構(gòu)造對工作面礦震活動有重要影響。

（2）對于研究礦井急傾斜綜放工作面，2#煤層工作面回采時，其微震事件主要集中在煤層底板方向，而下位4#煤層開采時，其微震事件主要集中在煤層頂板方向，即兩煤層間不足50 m的巖層為微震活動的主要區(qū)域，成為沖擊地壓防治的主要對象。

（3）對于研究礦井地質(zhì)條件下的急傾斜水平分段工作面，其礦震的強(qiáng)度較急傾斜大傾角綜放工作面有所降低，2#煤層工作面回采時，其微震事件主要集中在煤層頂板方向，而下位4#煤層開采時，其礦震主要發(fā)生在煤層底板巖層中，在工作面沖擊地壓防治時，應(yīng)采取“分區(qū)管理，分類防治”的原則進(jìn)行治理。