基于微震監(jiān)測(cè)的特厚煤層綜放開(kāi)采覆巖運(yùn)移規(guī)律研究

王云峰

（陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)景福煤業(yè)有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

煤礦開(kāi)采深度和強(qiáng)度不斷增加，煤炭開(kāi)采過(guò)程中造成的頂板垮落、礦井突水、煤與瓦斯突出和沖擊地壓等礦井重大災(zāi)害頻發(fā)[1-2]。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是指利用煤巖受載破裂過(guò)程中產(chǎn)生的微震信號(hào)來(lái)研究和評(píng)價(jià)煤巖體穩(wěn)定性的一種地球物理實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)[3]，通過(guò)在采動(dòng)區(qū)頂板和底板內(nèi)布置多組檢波器并實(shí)時(shí)采集微震數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，采用震動(dòng)定位原理，可確定破裂發(fā)生的位置，并在三維空間上顯示出來(lái)[4]。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以研究應(yīng)力分布、裂縫擴(kuò)展、巖層運(yùn)動(dòng)、煤巖體破裂，并對(duì)沖擊地壓、煤與瓦斯突出和突水等煤巖動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)監(jiān)控，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為煤礦安全生產(chǎn)中的監(jiān)測(cè)預(yù)警手段之一[5-10]。

眾多學(xué)者利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)煤礦覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律方面做了大量的研究，姜福興等[11]采用微地震監(jiān)測(cè)揭示的采場(chǎng)圍巖空間破裂形態(tài)；肖鵬等[12]在物理相似材料模擬試驗(yàn)中采用微震監(jiān)測(cè)覆巖裂隙演化規(guī)律，從微震能量積聚和釋放的角度探討上覆巖層裂隙演化規(guī)律；成云海等[13]采用微地震定位監(jiān)測(cè)技術(shù)，根據(jù)巖體在三維空間的破裂成像，揭示采場(chǎng)覆巖空間破裂與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系；孔令海等[14]采用高精度微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)，研究了微震事件的動(dòng)態(tài)發(fā)展規(guī)律和分布規(guī)律，得到了特厚煤層綜放工作面頂板巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律；程關(guān)文等[15]探討煤礦頂板巖體微震分布沿垂直方向分布規(guī)律與煤礦頂板沿垂直方向分帶的相互關(guān)系，建立基于微震監(jiān)測(cè)煤礦頂板分帶方法。

傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段有限，難以全空間監(jiān)測(cè)到覆巖破斷特征，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)正好可以彌補(bǔ)該不足。本文針對(duì)斜溝煤礦特厚煤層綜放面圍巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用高精度微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲得覆巖破斷運(yùn)移的基本特征，研究成果為礦井的安全高效開(kāi)采和礦壓控制提供了科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

斜溝煤礦礦井主要開(kāi)采石炭系上統(tǒng)太原組的煤層，地勢(shì)呈現(xiàn)出南北高、中部低的特征，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為15 Mt/a，服務(wù)總年限為64.8 a。以斜溝煤礦23103 工作面為研究對(duì)象，23103 綜放工作面是13號(hào)煤21 采區(qū)首采工作面，工作面位于21 采區(qū)西，東側(cè)、北側(cè)、西側(cè)均為實(shí)煤區(qū)。23103 工作面開(kāi)采走向長(zhǎng)2513 m、傾斜長(zhǎng)242.4 m，煤層厚度平均14.38 m。23103 工作面巖層綜合柱狀圖如圖1。

圖1 巖層綜合柱狀圖

2 微震監(jiān)測(cè)方案

考慮到工作面的傾角較小并且四周由實(shí)體煤組成，開(kāi)采后兩邊巖層運(yùn)動(dòng)與應(yīng)力分布呈現(xiàn)對(duì)稱性，因此只需在23103 上巷布置測(cè)區(qū)。微震傳感器采用了外置和內(nèi)置兩種不同的布置方式，可以確保精確監(jiān)測(cè)破裂位置的可靠性。

測(cè)區(qū)在材料巷內(nèi)從距順槽口2935 m 開(kāi)始，向外100 m 處開(kāi)始布置第一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，之后每隔30～50 m 左右的位置布置一個(gè)鉆孔。為了保證工作面推進(jìn)期間的巖層破裂規(guī)律的全面監(jiān)測(cè)，共布置了12 個(gè)三分量檢波器，監(jiān)測(cè)控制的距離達(dá)500 m。由于微震監(jiān)測(cè)信號(hào)的有效區(qū)域一般在200～300 m 的范圍內(nèi)，對(duì)于堅(jiān)硬巖層斷裂的監(jiān)測(cè)距離則可以達(dá)到1000 m以上。因此，布置的測(cè)區(qū)可以覆蓋走向800 m、順槽兩側(cè)各300 m 的區(qū)域。

本測(cè)區(qū)共布置了12 個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔都安裝了一個(gè)三分量檢波器。具體的檢波器布置參數(shù)見(jiàn)表1，鉆孔的剖面與平面布置分別如圖2 和圖3 所示。

表1 檢波器布置參數(shù)

圖2 鉆孔4、8、12 剖面圖

圖3 平面布置示意圖 （m）

3 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1 微震事件顯現(xiàn)規(guī)律

為了深入研究特厚煤層頂板的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其結(jié)構(gòu)參數(shù)，選取了7 月6 日至9 月19 日期間的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為分析基礎(chǔ)。在此期間，工作面推進(jìn)了255.8 m。

23103 工作面的微震事件分布范圍約為260 m，其中上覆巖層的超前破裂區(qū)范圍約為120 m，當(dāng)前工作面與采空區(qū)的破裂距離為140 m，微震事件的側(cè)向分布范圍約為21 m。這些微震事件呈現(xiàn)出周期性發(fā)生的特點(diǎn)。尤其在0～30 m 這一層位，微震事件密集發(fā)生，見(jiàn)表2。當(dāng)高位巖層發(fā)生破裂后，低位巖層的微震事件會(huì)持續(xù)發(fā)生。這表明高位巖層的斷裂和沉降強(qiáng)迫低位巖層持續(xù)發(fā)生破裂。同時(shí)，高位巖層破裂后對(duì)工作面的影響范圍較大。

表2 7 月6 日至9 月19 日微震事件顯現(xiàn)規(guī)律

由圖4 可知，微震事件（圍巖破裂）隨著時(shí)間（工作面推進(jìn)）趨勢(shì)為由“低—高—低”的循環(huán)過(guò)程，但是該循環(huán)過(guò)程中將出現(xiàn)多層次半橢圓弧型，出現(xiàn)該形狀也是符合覆巖破裂運(yùn)動(dòng)規(guī)律的。通過(guò)實(shí)測(cè)巖層破裂數(shù)據(jù)可知，出現(xiàn)5 個(gè)低層位巖層破裂周期，該周期約為15 d。

圖4 監(jiān)測(cè)事件高度分布折線圖

3.2 高低位巖層破斷規(guī)律

近水平煤層工作面上、下順槽的圍巖破裂范圍和礦山壓力分布近似相同，將工作面中線作為對(duì)稱軸，此時(shí)微震事件將呈現(xiàn)對(duì)稱映射的狀態(tài)，可以得到整個(gè)工作面圍巖的三維破裂規(guī)律。深色圓點(diǎn)表示巖層誘發(fā)微震波的震中位置，即微震事件的位置。

隨著工作面的推進(jìn)，微震事件的分布以一定的距離領(lǐng)先于工作面發(fā)展，顯示出在特定區(qū)域內(nèi)有密集的局部微震事件。在工作面附近，覆巖微震事件的分布呈現(xiàn)出分區(qū)性發(fā)展的規(guī)律，主要集中在高度約30～70 m 的區(qū)域。相比之下，低位巖層的微震事件則更為密集。此外，在煤柱附近，覆巖微震事件的分布相對(duì)固定在一定范圍內(nèi)。從時(shí)間上看，微震事件每隔幾天就會(huì)出現(xiàn)一次事件較多、分布范圍相對(duì)較大的1～2 次，這反映了巖層周期性運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

微震事件平面分布規(guī)律如圖5（a）所示。微震事件前后范圍約為260 m，工作面上覆巖層超前破裂區(qū)范圍約為120 m，采空區(qū)破裂距當(dāng)前工作面距離為140 m，工作面前方微震事件集中區(qū)距離工作面約85 m，采空區(qū)事件集中區(qū)距離工作面約為65 m，即知工作面前方85 m 附近為走向支承壓力峰值位置；微震事件側(cè)向分布范圍約為21 m，即知側(cè)向支承壓力峰值位于材料巷上幫21 m 附近。微震事件走向剖面分布如圖5（b）所示。工作面前方70～90 m 為支承壓力最高區(qū)域。微震事件傾向剖面分布如圖5（c）所示。工作面巖層高位破裂高度為70 m左右，低位破裂高度為30 m 內(nèi)，側(cè)向支承壓力峰值距離材料巷巷幫21 m 左右。

圖5 微震事件分布規(guī)律

微震事件的垂直分布規(guī)律揭示了巖層的破裂規(guī)律，可分為低位破裂區(qū)和高位破裂區(qū)。低位巖層破裂區(qū)的范圍是在工作面上方距離煤層30 m、距離順槽21 m 范圍以內(nèi)的區(qū)域，高位破裂區(qū)的范圍是在工作面上方距離煤層30～70 m 的區(qū)域。微震事件的顯現(xiàn)規(guī)律再現(xiàn)了巖層運(yùn)動(dòng)破裂的整個(gè)過(guò)程，揭示了巖層運(yùn)動(dòng)的范圍和圍巖應(yīng)力分布規(guī)律。通過(guò)對(duì)比微震事件揭示的上覆巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律與工作面地質(zhì)柱狀圖，可以更好地理解圍巖應(yīng)力的分布和煤巖體的破裂過(guò)程。工作面上覆巖層運(yùn)動(dòng)的規(guī)律：

1）在投影平面上

沿傾向方向巖層彈塑性區(qū)（損傷區(qū)）范圍為距離巷道下幫煤壁41 m 左右，微震事件密集顯現(xiàn)位置距離巷道煤壁21 m 左右。

2）在高度方向上

低位巖層（0～30 m 高度層位）微震事件密集顯現(xiàn)，高位巖層（30～70 m 層位）中的微震事件周期性發(fā)生。

4 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果的應(yīng)用

4.1 工作面頂板管理

根據(jù)微震監(jiān)測(cè)的結(jié)果，巖層破裂在高度方向上表現(xiàn)出了明顯的層位效應(yīng)。在工作面的平面位置上，頂?shù)装鍏^(qū)域是微震事件最頻繁發(fā)生的區(qū)域。在煤壁超前的層位上，高位頂板巖層會(huì)率先發(fā)生破裂，然后是低位巖層發(fā)生破裂。頂板結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 微震揭示的特厚煤層綜放工作面圍巖三維破裂規(guī)律

基于微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，以下是對(duì)工作面頂板管理采取的措施：

1）在滿足設(shè)備配套的前提下，應(yīng)盡可能減小控頂距和控頂時(shí)間，同時(shí)提高支架的初撐能力。在現(xiàn)有工作面平均煤厚為13.88 m 的條件下，這些措施有助于更好地維護(hù)頂板。

2）對(duì)于基本頂巖層的支護(hù)，可采取“給定變形”的方案。這意味著支架不需承受老頂巖梁的作用力，以降低對(duì)頂板的壓力。

3）在工作面正常推進(jìn)過(guò)程中，頂煤和直接頂巖層會(huì)在支承壓力作用下完全破壞。為保障工作面的安全，需要采取“給定載荷”的支護(hù)方案。這意味著支架需要承擔(dān)全部厚度的頂煤作用力和不規(guī)則垮落的直接頂巖層的作用力，以及部分規(guī)則垮落的直接頂“巖—矸”結(jié)構(gòu)的部分作用力。

4）當(dāng)基本頂斷裂或回轉(zhuǎn)下沉?xí)r，會(huì)在工作面支架上產(chǎn)生動(dòng)壓。為應(yīng)對(duì)這種情況，可以通過(guò)適當(dāng)增加支架的可縮量來(lái)實(shí)現(xiàn)“讓壓”的工作方案，這樣可以降低因基本頂斷裂或回轉(zhuǎn)下沉帶來(lái)的對(duì)工作面支架的壓力。

4.2 超前支護(hù)段范圍及合理停采線和密閉位置

根據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，工作面的高位頂板在超前煤壁約64 m 處開(kāi)始斷裂。根據(jù)巖石力學(xué)理論和煤巖的全應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，這個(gè)范圍內(nèi)的巖體已經(jīng)遭受破壞，裂隙發(fā)育。因此，在停采后，密閉墻與工作面的間距應(yīng)保持在64 m 以上，以確保煤體的彈性區(qū)不受影響；距離小于64 m，密閉墻周邊圍巖需要進(jìn)行注漿加固和密封處理。

工作面的超前范圍為120 m，是二次采動(dòng)應(yīng)力影響區(qū)。因此，為了保持足夠的間距以減輕潛在的影響，23103 工作面的停采線距離大巷的位置應(yīng)至少為120 m。

綜合考慮這些因素，大巷的護(hù)巷煤柱寬度應(yīng)為25 m，而密閉墻應(yīng)在64～120 m 之間的位置構(gòu)筑，可以確保工作面的安全停采，又能夠避免因巖體破壞和裂隙發(fā)育而帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

1）微震事件周期性發(fā)生，在0～30 m 的地層中，微震事件常常密集發(fā)生。當(dāng)高位巖層破裂后，低位巖層的微震事件會(huì)持續(xù)發(fā)生，這表明高位巖層的斷裂和沉降會(huì)強(qiáng)迫低位巖層持續(xù)破裂。此外，高位巖層破裂后對(duì)工作面的影響范圍較大。微震事件（圍巖破裂）隨著時(shí)間（工作面推進(jìn)）趨勢(shì)為由“低—高—低”的循環(huán)過(guò)程，但是該循環(huán)過(guò)程中將出現(xiàn)多層次半橢圓弧型，出現(xiàn)5 個(gè)低層位巖層破裂周期，該周期約為15 d。

2）在投影平面上，巷道下幫煤壁附近的41 m范圍內(nèi)，存在巖層彈塑性區(qū)（損傷區(qū)）。微震事件在距離巷道煤壁21 m 左右的范圍內(nèi)密集顯現(xiàn)。在高度方向上，0～30 m 的高度范圍內(nèi)，低位巖層微震事件密集顯現(xiàn)，高位30～70 m 巖層微震事件周期性發(fā)生。

3）根據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，獲得23103 工作面覆巖破斷運(yùn)移的基本特征，可以得出23103 工作面頂板管理對(duì)策并確定超前支護(hù)段范圍及合理停采線和密閉位置。

4）采用高精度微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，形成了針對(duì)淺埋深、大采高的特厚煤層條件下綜放面圍巖運(yùn)動(dòng)高精度微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，為礦井的安全高效開(kāi)采和礦山壓力控制提供科學(xué)依據(jù)，指導(dǎo)礦山安全、高效生產(chǎn)。