特厚煤層綜放工作面礦震誘發機理及防控技術:以龍王溝煤礦為例

趙斌, 王寅, 趙善坤, 呂坤, 蘇振國, 李準

(煤炭科學技術研究院有限公司, 北京 100013)

在當今世界能源結構中,煤炭資源儲量豐富,中國更是一個以煤炭為主的大國,近些年由于對能源與資源需求量的逐年增加,使得中國中部和東部賦存條件簡單的優質煤炭資源逐漸減少,煤炭資源開發重點逐漸向西北山西、陜西、內蒙古、甘肅、寧夏等地區轉移[1-3]。該地區雖煤炭資源豐富,但超過一半以上礦井工作面頂板上方100 m范圍內具有厚度超過10 m的厚硬砂巖層[4],開采過程中高位堅硬頂板不易及時垮落,極易造成大面積懸頂,還會引起斷層、褶曲等構造活化,進而誘發礦震等地質災害,嚴重威脅到工作面安全高效生產。

針對礦震發生的原因、機理及其防控技術,中國學者進行了大量的研究,竇林名等[5]采用數值模擬、理論分析及現場實測的方法將礦震分為采動破裂型、巨厚覆巖型、高能震動型三大類,并對震動波的能量吸收系數、衰減系數、傳播規律進行了研究;曹安業等[6]以沖擊地壓頻發區為研究背景,系統地分析了礦震震源破裂機制和震源參量響應規律,根據地質構造、震源層位、應力環境等將礦震細化為剪切型和拉張型;朱斯陶等[7]以頂板運動型礦震為研究基礎,通過現場調研、實測與理論分析相結合的方法,提出了關鍵層運動模式,將頂板運動型礦震細分為關鍵層破斷型、回轉、滑移3種類型,并建立了礦震能量預測模型,提出了能量計算方法;王高昂等[8]認為遺留煤柱引起頂板上方關鍵層懸頂面積增大是誘發礦震發生的主要原因,建立了采空區遺留煤柱應力分布模型和傾斜關鍵層跨度計算力學模型,揭示了該類礦震發生的機理,分析了工作面推進度和微震監測能量的內在聯系,確定了工作面的合理推采速度;周航等[9]認為在煤層開采中,頂板難以斷裂易形成大面積懸頂結構,進而誘發嚴重的沖擊地壓等災害,提出了開展水力壓裂切割煤層厚頂板,并對其力學機理和施工參數進行優化研究,利用水力壓裂技術解決了煤層上懸頂的工程問題。

綜上所述,在礦震的定義與分類方面,以往的研究多以解釋礦震發生的原因、分類為主,但缺少圍巖受力到破斷產生震動的過程研究[5];在頂板破斷特征研究方面,以往研究多以頂板破斷結構為主來展開分析,對頂板受力的損傷演化過程研究較少[10-11];在礦震機理研究方面,以往的研究主要針對礦震的應力集中、結構異常等較多,而巖石受力斷裂后能量釋放規律研究則不夠深入[12-15];在礦震防治技術研究方面,普遍對礦震誘因中應力削弱、結構控制等研究較多,損傷削弱量化性研究不夠深入,圍巖卸壓存在盲目性[16-20],尤其是在特厚煤層中的研究應用更少。對此現以鄂爾多斯地區龍王溝煤礦特厚煤層綜放工作面為工程背景,采用“技術分析+工程實踐”的方式對誘發礦震的主控因素進行系統的闡述,提出以“控制推進度+人工干預頂板”為核心的防控措施,保證工作面的安全高產高效開采,并為陜蒙地區類似條件煤層的開采提供理論技術指導。

1 厚硬頂板破斷型礦震顯現特征

龍王溝煤礦位于內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗境內,61盤區為首采盤區,盤區內目前布置有5個綜放工作面,2個掘進工作面,其中61617綜放工作面為盤區內第3個開采的工作面,工作面傾斜長度255 m,走向長度1 256 m,可采儲量1 100 萬t/年,設計采高為5.0 m,煤層厚度平均為23.1 m,采用綜采放頂煤工藝,全部垮落法管理頂板,工作面上方100 m范圍內頂板巖性剖面圖簡介如圖1所示。

圖1 頂板巖性剖面圖簡介Fig.1 Introduction to roof lithology profile

據不完全統計,首采面61601工作面回采期間礦壓穩定,未發生明顯的動壓顯現,61605工作面和61617工作面回采期間礦壓顯現相對較為明顯,尤其是61617工作面僅在2021年2月18日—2022年2月18日期間就發生礦震事件23次,通過對23次礦震事件進行類比分析可得如下結論。

(1)煤層埋深較大,礦震事件發生時,工作面日均推進度接近4 m/d。

(2)工作面上方100 m范圍內存在單層厚度超過10 m的粗砂巖層,大能量微震事件主要集中分布在7.7 m粗砂巖層至11.25 m粗砂巖層之間。

(3)工作面震頂發生頻次與周期來壓密切相關,23次礦震事件中有1次發生在工作面周期來壓前,1次發生在周期來壓初期,14次發生在周期來壓期間,7次發生在周期來壓結束時。

2 工作面礦震發生機理

2.1 微震事件統計

如表1所示,工作面開采過程中共監測到微震事件3 294次,其中10 000 J

表1 61617工作面回采期間微震頻次、能量分級統計表Table 1 Statistics of microseismic frequency and energy classification during mining of working face 61617

統計發現,震源能量低于10 000 J的微震事件頻次占總頻次的99.64%,能量占總能量的99.43%;能量大于10 000 J的微震事件,頻次僅占0.39%,能量占了0.57%,說明工作面回采期間微震事件以小能量事件為主,而真正對工作面影響較大的是大能量微震事件[21-23]。

2.2 震源位置分析

61617工作面回采期間大能量微震事件剖面定位圖如圖2所示,工作面附近震動主要以小能量震動事件為主,且大部分微震事件發生在工作面前方高位頂板內,其中能量最大達到11 688.82 J,結合圖1鉆孔柱狀圖對震源位置展開研究。

“10.9”震源大約位于工作面上方87 m處的粗砂巖層,“10.10”震源大約位于工作面上方97 m處的砂質泥巖層,“10.11”震源大約位于工作面上方61 m處的細砂巖層,“10.15”震源位置分別位于工作面上方41 m和113 m處的泥巖層和砂質泥巖層,“10.18”震源大約位于工作面上方61.52 m處的細砂巖層,“10.20”震源大約位于工作面上方47 m處的泥巖層,“10.27”震源大約位于工作面上方170 m處的粗砂巖層,“10.29”震源大約位于工作面上方80 m處的粗砂巖層。綜合以上分析,大能量微震事件主要集中分布在7.7 m粗砂巖層至11.25 m粗砂巖層之間,因此初步推斷礦震事件主要是由于該范圍內堅硬巖層破斷導致。

如圖3所示,根據震源區間分布情況,將其劃分為4類。一類區間:標高小于等于745 m(7.7 m細砂巖層以內);二類區間:標高745～780 m(7.7 m細砂巖層至11.25 m粗砂巖層之間);三類區間:標高780～820 m(11.25 m粗砂巖層至15.1 m粗砂巖層);四類區間:標高大于820 m(15.1 m粗砂巖層以上)。

圖3 震源位置統計圖Fig.3 Statistical diagram of source position interval

由圖4可知,微震事件在一類區間范圍內共出現1 163次,占比35.31%;二類區間范圍內共出現581次,占比17.64%;三類區間范圍內共出現620次,占比18.82%;四類區間范圍內共出現930次,占比28.23%,其中8 000 J

圖4 震源分布區間統計圖Fig.4 Statistical diagram of source distribution interval

另外,61617工作面回采初期礦震事件分布也能發現此規律,明顯能夠發現工作面回采初期礦震事件相對較少,意味著頂板破斷不充分,尤其是高位頂板,隨著采空區面積增大,礦震事件增多,且明顯向高位頂板發展。在一定程度上能夠說明,當工作面回采后,隨著采空區面積增大,尚未破斷或破斷不充分的堅硬頂板進一步破斷失穩,從而引起礦震。

2.3 開采擾動影響分析

工作面推進度是造成礦震事件的主控因素之一,提高推進度可以增大工作面開采效率,但容易誘發礦震等礦壓顯現問題。

如圖5所示,10—11月期間工作面累計發生3次大能量礦震事件,其中2021年10月18日礦震事件近5 d工作面推進度均值達到了4 m;2021年10月26日礦震事件近5 d工作面最大推進度達到4.15 m/d,最小推進度達到2.65 m/d,差幅達到了36%;2021年11月12日礦震事件近5 d工作面推進度由0.85 m/d驟增至3.25 m/d,推進度增加了2.4 m,增幅達到了282.35%,而礦震事件均發生在工作面推進度出現不同程度的驟增或驟減期間。

工作面開采過程中,推進度會影響每次周期來壓懸臂形成到破斷期間周期長度的變化,如圖6所示,當頂板上方結構體沿工作面開采方向長度大于17.55 m時破斷產生的能量較大,回采期間工作面日均推進度大于4 m/d或工作面推進度存在驟增驟減現象時,容易導致大能量礦震事件發生。

圖6 微震頻次-推進度關系圖Fig.6 Relationship between microseismic frequency and advance degree

綜上,礦震發生的直接原因是開采速度過快,造成上覆堅硬頂板損傷時間不充分,每次周期懸頂結構長度、面積增大,能量積聚程度非常大。為減緩礦震發生次數及危害程度,且維持接替期間的正常產量,需人為采取頂板預裂卸壓措施,提前處理頂板,通過人工干預的方式改變來壓步距,減少懸頂結構、提前釋放能量,從源頭上減弱礦震發生頻次及危害程度。

3 頂板水力壓裂防控技術

水力壓裂技術采用高壓水將煤巖體切割破裂,形成一定尺寸和形狀的塊體或分層,在工作面推進過程中,再借助支承壓力的預裂作用,促使堅硬頂板巖層在采空區及時垮落,從而達到縮短頂板周期來壓步距,降低頂板來壓強度的目的,如圖7所示。

圖7 頂板結構優化示意圖Fig.7 Schematic diagram of roof structure optimization

3.1 水力壓裂方案設計

目前61617工作面已經回采結束,為保證61610工作面安全開采,減少礦震發生頻次,采用分區分級選取合適的頂板水力壓裂施工參數。工作面煤層及夾矸累計厚度29.05 m,采放高度較大,低位的泥巖層、粗砂巖層等的累計碎漲高度難以滿足采空區充填需求,破碎帶向高位發育,波及11.03 m粗砂巖層、8.0 m粗砂巖層與24.5 m粗砂巖層等關鍵巖層,壓裂方案如圖8所示。

圖8 水力壓裂方案示意圖Fig.8 Schematic diagram of hydraulic fracturing scheme

3.2 壓裂效果檢驗

鉆孔壓裂后觀測效果如圖9所示,依據觀測情況來看,孔底形成明顯裂隙,為后續注水保壓過程中在縫隙尖端形成應力集中創造了條件,在回采結束后,在上覆巖層載荷作用下,頂板預制裂隙將逐步發展,進一步破壞頂板的完整性和整體性,促使堅硬頂板盡快及時垮落,以減緩由堅硬頂板破斷引起的礦震發生的頻次及危害。

圖9 鉆孔窺視圖Fig.9 Borehole view

4 結論

(1)礦震是煤層開采后上覆高位厚硬砂巖層斷裂引起的一種應力和能量釋放現象,工作面上方堅硬厚砂巖層是發生礦震事件的主控因素,當工作面回采后采空區內會形成大面積懸頂結構,高位的厚層砂巖層破斷,引發礦震。

(2)工作面開采過程中,推進度會影響每次周期來壓懸臂形成到破斷期間周期長度的變化,當工作面頂板上方結構體沿開采方向長度大于17.55 m時破斷產生的能量較大,回采期間工作面日均推進度大于4 m/d或者工作面推進度存在驟增驟減現象時,容易導致大能量礦震事件發生。

(3)工作面在開采過程中盡可能保持低勻速開采,日均推進度盡可能不超過4 m/d,回采期間嚴格落實相應的礦壓管理措施,結合水力壓裂技術處理堅硬頂板,實現工作面安全高效回采。