基于微震監(jiān)測的特厚煤層開采圍巖破壞特征研究

李延輝

（鄂爾多斯市國源礦業(yè)開發(fā)有限責任公司）

隨著煤炭資源的持續(xù)開采，我國大型煤炭生產基地開始向西部轉移。西部地區(qū)煤層具有厚度大、分布廣的特點［1］，但厚煤層開采導致圍巖破壞范圍較大，若破碎帶發(fā)育高度延伸至富水巖層，則容易引發(fā)礦井水害事故。另一方面，西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境較脆弱，礦井水害將導致水資源流失加重，生態(tài)環(huán)境破壞加劇［2］。

目前煤層開采頂底板巖層破壞范圍現場實測主要采用物探監(jiān)測［3］、光線監(jiān)測［4］、鉆孔雙端封堵測漏［5］、鉆孔成像觀測［6］等手段。這些方法對于中薄煤層開采巖層破壞范圍監(jiān)測效果較好，但將其應用到特厚煤層開采導致的頂底板覆巖破壞范圍及深度的實時監(jiān)測時往往受到局限。微震監(jiān)測技術是指在礦井巷道內布設傳感器，通過監(jiān)測圍巖破壞釋放的能量，并以此為依據推算出震源的震級、位置等特征［7-8］，是一種集信息化、智能化、可視化于一體的動力監(jiān)測技術，能夠監(jiān)測大深度圍巖破壞范圍［9］。近年來，眾多專家、學者利用微震監(jiān)測取得了豐碩成果。左秋玲等［10］通過微震裂縫參數反演了深部礦井斷裂帶和垮落帶結構發(fā)育規(guī)律。辛崇偉等［11］研發(fā)了礦內—礦間微震監(jiān)測系統，擴大了監(jiān)測范圍，提高了定位精度。楊尚歡等［12］對采動條件下圍巖破壞區(qū)域進行微震監(jiān)測研究，對現場圍巖維護提供了有效依據。李響等［13］基于微震監(jiān)測和現場實測得到了較精確的煤層頂板導水裂縫帶發(fā)育高度。

本研究以龍王溝煤礦61605工作面為例，采用微震監(jiān)測技術對工作面煤層開采頂底板巖層破壞范圍進行監(jiān)測。旨在查明煤層頂底板圍巖破壞深度，分析煤層開采圍巖破壞特征，以期為特厚煤層開采頂底板巖層破壞特征研究及水害防治提供參考和依據。

1 地質概況

龍王溝煤礦位于華北板塊鄂爾多斯盆地東北邊緣的準格爾煤田，地處黃土高原中部。目前主要開采6煤層，其頂板含水層主要有下石盒子組（P1x）、山西組（P1s）和太原組（C2t）砂巖孔隙裂隙含水層，均為弱富水性，山西組砂巖裂隙含水層局部地區(qū)富水性中等，為礦井開采頂板淋水的主要來源。底板含水層主要為奧陶系（O）灰?guī)r含水層。

61605工作面位于61盤區(qū)北翼東側，底板標高為838.8～857.2 m。工作面采用綜采放頂煤采煤法，推采長度約為1 156 m，切眼長度為255 m，開采面積約0.3 km2，煤層平均厚度為23.1 m。屬于特厚煤層開采，煤層頂底板采動破壞深度大，若導通含水層則易引發(fā)礦井突水事故，亟需對工作面頂底板巖層破壞發(fā)育特征進行研究。

2 采場頂底板巖層變形破壞微震響應特征

2.1 工作面微震監(jiān)測系統布置

煤巖體是一種應力介質，在發(fā)生破壞過程中伴隨著能量的釋放，微震則是能量釋放過程的物理效應之一［13］。煤層開采過程中，頂底板巖層會發(fā)生變形破壞，范圍不斷擴大，符合微震監(jiān)測的要求，因此可以通過監(jiān)測微震事件的時空分布特征來確定煤巖體圍巖的破壞深度。龍王溝煤礦61605工作面共布設檢波器12個，主要布置在巷道的頂底板巖層上。圖1為微震系統傳感器布置方案。

2.2 微震事件與工作面采動的關系

2.2.1 頻次及平均能量分布

微震事件頻次和平均能量分布可以反映圍巖破壞的頻率和圍巖釋放能量的多少。收集自2020年9月16日—12月15日這4個月內工作面微震事件發(fā)生頻次及平均能量。隨著工作面向前推進，微震事件總頻次呈下降趨勢，主要表現在煤層位置頻次下降明顯，頂板頻次逐漸增多，底板頻次變化不大（圖2）。微震事件平均能量表現為底板能量逐漸減小，而煤層和頂板則能量逐漸增大（圖3）。

2.2.2 與工作面推進的關系

每日的微震數據指標隨進尺的變化情況如圖4所示，圖4（a）～（d）分別表示8月18日—9月15日、9月16日—10月15日、10月16日—11月15日、11月16日—12月15日期間微震監(jiān)測數據。可以看出，推進速度越快，放頂煤和圍巖的破壞范圍越大，微震事件數和能量也越大；當工作面推進速度放緩時，放頂煤和圍巖的破壞范圍和程度相應降低，微震事件數和能量相對降低。

3 煤層頂底板巖層破壞帶范圍確定

3.1 頂板裂縫帶發(fā)育高度分析

3.1.1 微震監(jiān)測結果分析

由前述分析可知，工作面推進速度與微震頻次及能量釋放密切相關。61605工作面8月16日—12月15日這4個月的月推進長度分別為107.5，106，102.4，108 m，推進長度相近。因此以11月16日—12月15日為例，對監(jiān)測結果進行分析。

工作面開采期間，微震監(jiān)測系統采集到該工作面及周邊區(qū)域的有效微震事件共2 355個，圍巖釋放總能量為1.99×106J。依據微震事件能量釋放大小，將其換分為小能量事件（E＜103J）、較小能量事件（103J＜E＜104J）、中等能量事件（104J＜E＜2×104J）、較高能量事件（2×104J＜E＜105J）、高能量事件（E＞105J），各種能量事件平面分布見圖5。可以看出頂底板微震事件分布均呈條帶狀沿開采位置向兩側延伸，且高能量事件主要分布在工作面范圍內，其中在主運順槽兩側微震事件的密度較大。

微震事件剖面分布圖（圖6）表明，煤層以上195 m以內存在微震事件，煤層以上142 m范圍裂隙發(fā)育相對較強。微震事件分布呈圓拱形分布，且高能量事件靠近工作面集中分布。

3.1.2 頂板導水裂縫帶經驗公式計算

工作面采用綜采放頂煤采煤法，煤厚20.80～24.95 m、平均為23.10 m，對于采煤厚度大于12 m的綜放開采工作面，現階段無“兩帶”高度計算公式，參考“三下規(guī)范”［14］中的中硬巖地區(qū)厚煤層分層開采的導水裂隙帶高度計算公式（式（1）），計算得出導水裂縫帶最大高度為106.12 m。

式中，Hf為最大發(fā)育高度，m；∑M為累計采厚，m。

參考《煤礦防治水手冊》［15］經驗公式（式（2）），計算得出導水裂縫帶最大高度為190.75 m。

式中，Hl為最大發(fā)育高度，m；M為煤層有效采厚，m。

綜合考慮61601工作面地面塌陷實際、微震檢測和經驗公式計算結果，確定導水裂縫帶最大高度為195 m，其中142 m高度內裂隙發(fā)育相對較強。結合礦區(qū)地層分析，頂板導水裂縫帶主要溝通山西組和下石盒子組的砂巖裂隙含水層。

3.2 底板破壞帶深度分析

由微震事件剖面分布圖（圖5）可知，該區(qū)域底板破壞深度小于14 m。底板出現一條微震事件和能量均聚集分布的帶狀破壞異常區(qū)，延展深度達196.8 m，推斷該處底板可能存在面狀裂隙帶；底板微震事件平面圖顯示，主運順槽兩側微震事件的密度較大，呈異常區(qū)集中分布，推測底板可能存在異常破碎帶。在微震監(jiān)測圈定的底板異常區(qū)域，破壞深度延伸至奧灰含水層，需進一步打鉆驗證，并開展破壞帶導水性探查。

4 結論

（1）以龍王溝煤礦61605工作面為例，深入分析微震監(jiān)測數據，得到了工作面開采過程中圍巖微震事件時空分布規(guī)律；推進速度越快，圍巖的破壞范圍越大，微震事件頻數和能量也越大；隨著工作面推進，微震事件總頻次呈下降趨勢；平均能量表現為底板逐漸減小，煤層和頂板逐漸增大。

（2）煤層頂板微震事件分布呈圓拱形，且高能量事件靠近工作面集中分布。推斷導水裂縫帶最大發(fā)育高度為195 m，煤層以上142 m范圍裂隙發(fā)育較強。

（3）底板微震事件分布較淺，破壞深度小于14 m；監(jiān)測到一條微震事件和能量均聚集分布的帶狀破壞異常區(qū)，延展深度達196.8 m，推斷為面狀裂隙帶。為了查明與奧灰含水層的連通性，應開展導水性探查。