基于多源數據分析的綜放工作面礦壓異常顯現特征研究

辛憲耀，于健浩

(1.山西長平煤業有限責任公司，山西 晉城 048000； 2.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013；3.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100014)

頂板災害長期以來一直是我國煤礦主要的災害類型，無論從事故起數還是死亡人數，均占有較高比例[1-3]，頂板災害的有效防控是煤礦安全生產的重要保證，而礦壓顯現規律的深入研究是制定防控措施的有效途徑[4，5]。目前國內煤礦工作面礦壓規律分析主要是基于液壓支架安裝的礦壓監測設備或電液控設備采集支架壓力數據[6，7]，但由于缺少采場覆巖運移觀測手段，無法準確掌握工作面強來壓、頂板淋水、巷道大變形等礦壓異常顯現特征的具體原因，無法制定有效的工作面頂板及設備管理措施，進而造成頂板問題治理效果不佳，導致生產延誤甚至頂板災害的發生[8，9]。

隨著深部開采、堅硬頂板、復雜地質條件礦井的增多[10，11]，我國煤礦開采難度不斷提高，頂板管理難度隨之加大，尤其是穩定性差的松軟頂板，由于頂板活動規律難以掌握[12]，采用傳統的礦壓分析手段無法對異常礦壓顯現原因做出合理解釋。隨著微震監測技術在國內沖擊地壓礦井的應用推廣，微震監測對煤巖體活動規律的觀測逐步得到業界認可，并在非沖擊地壓礦井開展應用[13-16]。長平煤礦5302工作面作為礦井首個重型智能化綜放工作面，于2019年8月投產，并首次將微震監測應用到頂板活動規律的觀測中，采用微震監測配合工作面支架壓力監測、巷道圍巖應力應變監測的綜合監測手段，通過對礦壓、微震等多源數據的實時分析，從不同角度對工作面回采期間礦壓異常顯現原因進行解釋，對工作面頂板管理及安全生產具有重要意義。

1 工作面開采情況概述

1.1 工作面概況

長平煤礦5302綜放工作面位于3#煤一水平五盤區南翼，為五盤區的首采工作面，工作面走向長度1509.17m，傾斜長度295.00m，煤層平均厚度5.64m煤層直接頂為3.3m厚泥巖，強度較低，松軟易破碎，老頂為4.4m厚粉砂巖，老頂上方巖層以細粒砂巖、粉砂巖、泥巖為主。工作面地質條件復雜，共揭露16條斷層、3個陷落柱、1個向斜，其中陷落柱及向斜對工作面回采影響較大。工作面共布置4條巷道，包括53021巷、53023巷、53022巷及五盤區南翼泄水巷，采用 “三進一回”的通風方式。

1.2 礦壓設備布置情況

工作面液壓支架采用天瑪電液控系統采集支架壓力數據，回采巷道采用天地科技股份有限公司生產的KJ21巷道礦壓無線監測設備采集巷道圍巖應力應變數據。53021、53023兩條巷道每個巷道布置36組測站，測站間距50m，其中3#測站和7#測站為鉆孔應力集中監測測站，每個測站布置3m、5m、7m、9m、11m、13m、15m、17m共計8個鉆孔應力計，以及2個錨桿測力計(頂板一個、內幫一個)和1個頂板離層儀，其余測站布置1個鉆孔應力計、2個錨桿測力計和1個頂板離層儀。由1#測站(靠近切眼)向36#測站依次布置。首次兩巷各布置20個測站，當測站進入采空區前，拆除鉆孔應力計和錨桿測力計，并將拆除的設備安裝在巷道前方新增測站上。設備具體布置位置如圖1所示。

圖1 巷道礦壓設備布置情況

1.3 微震設備布置情況

采用ARAMIS M/E 微震監測系統對5302工作面頂板斷裂情況進行監測，分別在五盤區泄水巷—53021巷中間橫川及53023巷—53022巷中間橫川布置了8臺拾振器，拾振器臺網具體布置方式如圖2所示。

圖2 微震拾振器布置方式

2 工作面礦壓異常顯現特征分析

由于工作面頂板松軟破碎，工作面支架壓力較低，整體來壓不明顯。在工作面回采初期發生三次頂板淋水現象，均位于工作面中下部120#—150#支架附近。53021巷在2020年1月—2月出現大變形，頂板下沉嚴重。基于以上礦壓異常現象，對各異常區的礦壓數據及微震數據進行融合分析，研究各異常礦壓顯現原因，指導工作面安全生產。

2.1 整體礦壓顯現較弱

2.1.1 礦壓數據分析

截止到2020年7月30日，工作面按不同架段分類共監測到21～38次周期來壓，平均33次(其中17次工作面局部強來壓，部分支架安全閥開啟)，來壓步距在8～20.4m，平均12.7m。統計5302工作面支架壓力數據，對工作面來壓期間，安全閥開啟率較高的強礦壓顯現區進行統計。工作面強礦壓顯現具體時間及影響范圍見表1。

表1 工作面強礦壓顯現區域劃分

由表1可知，5302工作面回采至今，共發生17次強來壓，其中，初次來壓影響范圍最大，循環末阻力最高，來壓持續距離達10m，平均達8507.5kN，安全閥開啟率為7.2%。強來壓主要集中在工作面中部及上部，平均傾向影響范圍53.8架，約93m，推進方向影響范圍平均7.7m，影響范圍較大，工作面下部整體礦壓顯現不明顯(局部與支架工況有關)。由此可知，5302工作面整體礦壓顯現較弱，強來壓周期較少，主要原因為頂板松軟較破碎，不易形成大范圍懸頂。

2.1.2 微震數據分析

圖3 工作面走向微震事件分布規律

微震監測數據分析結果顯示如圖3所示。微震事件活躍區主要分布在工作面前方60～220m，向兩側逐漸遞減，整體呈正態分布形態。表明松軟頂板條件下，位于工作面超前范圍的頂板巖層提前破裂，當工作面回采至該位置時，頂板完整性較差，不易形成較大結構，這也是造成工作面整體礦壓顯現較弱，強來壓區較少的主要原因。

2.2 工作面頂板淋水原因分析

根據工作面地質報告可知，5302工作面上方25～49m處為K8細砂巖含水層，如圖4所示，110m處為K10含水層，根據現場觀測，工作面回采至今，共發生三次頂板淋水，均位于工作面中下部120#—150#支架附近，工作面頂板淋水情況見表2，工作面頂板淋水區如圖5所示。

圖4 綜合柱狀

表2 工作面頂板淋水情況

圖5 工作面頂板淋水區

1)10月3日，129#—139#支架開始來壓，其中133#—136#支架安全閥頻繁開啟，來壓持續時間最長持續到10月12日，10月9日，142#—147#支架來壓，部分支架安全閥開啟，表明該時間內129#—147#支架上方頂板活動劇烈。根據微震系統觀測數據顯示，10月2日—10月11日，工作面共發生5次103J以上較大能量微震事件，其中1次最大能量事件發生在工作面靠近機尾附近，能量達到1.3×104J，層位位于頂板上方31m處，該能量事件可能是由于關鍵層斷裂導致，使得K8含水層導通工作面，造成工作面淋水。

2)11月14日，122#—141#支架附近頂板來壓，11月17日—18日來壓加劇，部分支架安全閥開啟，11月14日—11月19日共發生7次較大能量事件，其中11月17日在工作面距機尾30m位置發生一次1.1×104J大能量事件，位于頂板上方25m處，結合工作面礦壓分析結果，應為工作面基本頂大范圍斷裂后導通K8含水層，造成工作面淋水。

3)12月5日，工作面140#—153#支架陸續來壓，145#—153#支架安全閥頻繁開啟，礦壓顯現明顯。對應微震事件可以看出，12月2日—12月6日，工作面靠近機尾附近發生6次較大能量微震事件，其中兩次發生在底板中，一次發生在煤層中，三次發生在頂板，最大震動能量為5.5×104J，發生層位在頂板上方30m位置，通過層位判斷應為K8含水層附近頂板斷裂所致。

2.3 巷道大變形原因分析

2.3.1 巷道礦壓數據分析

2020年1月—2月期間，53021巷初切眼以北350～400m巷道變形量增大，部分測站錨桿應力增大，通過現場安裝的礦壓在線監測系統繪制頂板位移量及錨桿應力曲線如圖6所示。

圖6 53021巷頂板下沉及錨桿應力變化曲線

由圖6可知，進入1月份后，6#(開切眼以北350m)、7#(400m)測站頂錨桿應力明顯增大，尤其是6#測站，應力增幅明顯，峰值達118kN。同時該測站頂板下沉量迅速增大，淺層位移量由1月7日的31mm增至1月13日的451mm，表明該時間段內，53021巷350～400m巷道頂板處于應力集中區內，使得巷道在高應力的作用下產生較大變形。

2.3.2 微震數據分析

通過分析53021巷1月1日—2月25日微震事件，對巷道圍巖穩定性進行分析，該時間內53021巷周邊范圍內共監測到60個二次方以上微震事件，其中二次方事件34個，三次方事件26個，最大能量達8300J，發生在1月13日，在53021巷以東24m、巷道頂板上方53m、超前工作面119m位置。

大能量事件(三次方以上事件)發生位置大多集中在巷道兩側30m范圍內，發生層位在頂板上方1～58m之間，6個事件發生層位在1～20m，11個事件發生在20～40m層位，40m以上層位大能量事件有9個。超前工作面距離集中在20～100m之間，超前工作面20～50m的大能量事件有5個，50～100m有13個，超過100m的事件為7個，工作面后方11m事件1個。大能量事件集中在53021巷超前工作面初始切眼以北310～467m處。微震事件能量分布曲線如圖7所示。

圖7 微震事件能量分布

由圖6可知，1月9日—1月22日微震事件較為活躍，1月22日能量達13400J，2月7日達9900J，其余大部分時間每日微震能量均超過三次方，說明該時間內53021巷頂板活動頻繁。同時在1月4日—16日期間，53023巷較大能量事件頻發。微震事件位置分布如圖7所示。微震事件可分為顯著影響區和次要影響區，顯著影響區內微震事件更為集中。

圖7 微震事件分布

3 結 論

1)長平煤礦5302工作面整體礦壓顯現較弱，工作面主要采動影響范圍為工作面前方220m至面后60m，由于基本頂強度較低，整體性差，超前頂板破斷所產生的微震事件較多，因此，強來壓周期較少，且來壓期間，僅局部支架載荷明顯增大，基本頂多呈現分區域斷裂和非同步垮落的特征。

2)工作面初采期間發生的頂板淋水均集中在工作面中下部120#—150#支架附近，通過微震事件能量及層位分析可知，應為K8含水層周邊頂板斷裂所致，并非K10含水層破斷所致。

3)采用微震數據、巷道礦壓數據相結合的分析方法，分析了53021巷大變形區域頂板的微震分布特征及主要影響范圍，大能量事件主要集中在53021巷超前工作面20～100m范圍內，且以20m以上高位頂板破斷為主，是導致該區域巷道變形量較大的主要原因。