微地震监测技术对塔山煤矿围岩运动规律的研究

周霖

（大同煤矿集团技术中心，山西大同 037003）

微地震监测技术对塔山煤矿围岩运动规律的研究

周霖

（大同煤矿集团技术中心，山西大同 037003）

本文探讨了采用高精度微地震监测技术，对大同塔山煤矿特厚煤层综放工作面开采过程中的围岩活动规律、煤岩层破裂和相关的应力场变化进行监测与分析，对回采过程中超前支承压力分布变化规律进行研究，并为推进特厚煤层放顶煤开采理论及技术的发展提供科学依据.

微地震监测技术 特厚煤层 放顶煤开采 围岩活动

大同煤矿集团有限责任公司开采的塔山煤矿石炭系主采煤层厚度为11.1～31.7m(平均19.4m),变化幅度较大;煤层中含有6～11层夹矸,其最大厚度达0.6m;煤层与顶板间多有火成岩侵入破坏,开采难度极大.本项目以微破裂演化规律理论分析为基础,采用微震监测技术,探索覆岩三维破裂的内在动因和前兆规律；以工作面上覆岩层破裂动态实时监测为目标,建立基于微震监测、高性能计算和分析的采场覆岩破裂预测模型,进而对围岩的运移规律进行监控研究.

1 微震检测系统的标定

微震监测系统采用拥有北京科技大学提供的煤矿井下微震监测仪和相关软件,系统标定采用的是放标定炮,在塔山煤矿,高位岩层破裂产生的微地震波在煤岩层中以煤岩分裂的模式传播,震源定位采用课题组研制的“四-四”定位法,计算原理采用非线性最小二乘法.通过分析计算,得到了塔山煤矿底板岩层微地震波的传播速度为4.24 m/ms、顶板传播速度为3.99 m/ms,平均传播速度为4.12 m/ ms.系统定位精度平均误差低于3m,达到了高精度要求.

2 现场微地震监测

为了能够精确监测破裂位置,同时考虑到可靠性,在距离开切眼230 m处设第一个钻孔,每隔30～ 50m左右布置一个钻孔,其中2/3的钻孔的钻进方向垂直煤柱走向,向上倾斜60o角钻进煤层顶板,深度60m;间隔布置1/3的钻孔,向煤层底板下倾45o角钻进,深度15 m.共打20个钻孔,布置20个三分量检波器,监测控制的距离达到500m.由于微地震监测信号的有效区域一般在200～300m,坚硬岩层断裂的监测距离可以达到1 000m以上.经实测结果表明,该区可以覆盖走向800 m、顺槽两侧各300m的区域.钻孔布置如图1所示.

图1 钻孔布置图

3 监测结果分析

通过现场检测共记录事件5 085次,有效事件830次.微震事件显现规律再现了岩层运动破裂的整个过程,揭示了岩层运动的范围和围岩应力分布规律.监测结果表明,该技术完全能够对特厚煤层综放工作面的围岩运动进行监测,并了解围岩破裂情况,结合矿压理论将对工作面地质构造异常带、围岩的运动及应力进行科学可靠的指导.该监测技术作为煤矿较常规的监测手段具有明显的优势.

研究认为,两边为实体煤的近水平煤层工作面两条顺槽附近的围岩破裂范围和矿山压力分布规律近似相同.因此,以工作面中线（见图2）为对称轴,将平面微震事件对称映射后即可得到工作面岩层运动的三维破裂规律.

图2 固定工作面岩层运动平面投影图

微震监测揭示的上覆岩层运动规律为:在投影图上,沿倾向方向高位岩层(煤层顶面向上75～150m高度的顶板岩层)运动影响范围为距离巷道下帮煤壁100 m左右;而微震事件密集的破裂区位置在低位岩层(煤层顶面向上0～75m高度顶板岩层),距离巷道煤壁35 m左右.沿走向在工作面后方影响区为160m,在工作面前方为100m,其中工作面前方75m范围为应力高峰区;在高度方向上,低位岩层破裂显著,是微震事件密集显现区.而高位岩层中微震事件周期性发生.

表1 直接顶、老顶的厚度及运动参数对比

直接顶、老顶厚度及运动情况对比如表1所示.直接顶“岩--矸”结构随顶煤放出的动态演化过程如图3所示.

图3 直接顶“岩--矸”结构随顶煤放出的动态演化过程

图4 特厚煤层综放工作面沿走向覆岩结构运动参数图

通过与钻孔柱状图和现场其它观测分析研究,工作面下位老顶厚度为25 m左右 (由多个岩层组成),周期断裂步距15～25 m;上位老顶周期性断裂步距为30±10 m,厚度为75 m左右 (由多个岩层组成),如图4所示.下位老顶的来压步距受上位老顶周期运动的影响,1个上位老顶的运动周期之内包含2～3个下位老顶的运动周期.上位老顶来压后,下位老顶来压一般持续1～2 d.下位老顶的周期来压步距不明显,主要是因为受上位老顶周期运动影响较大;若无上位老顶周期运动影响,一般下位老顶周期来压步距为15～25m,步距大小受到推进步距、岩层特性变化等因素影响.

4 生产实践结果

根据项目分析研究结果,结合现场实际,塔山煤矿采纳了课题组提出的顶板控制建议,通过采取提高初撑力、适当加快推进速度(每天不低于3.5 m)等措施后,对工作面生产影响较大的剧烈矿山压力显现明显减少,2008年6月份综放工作面产量仅为647 323.4 t,而按课题组的建议采取措施后,在生产技术条件基本相似的情况下7，8，9三个月综采产量逐月提高,分别达到了825 363 t，983 964.3 t和1 020 582.5 t,经济效益明显提高.

基于微地震技术对塔山煤矿火成岩侵入复杂地质条件下特厚煤层综放工作面围岩运动规律的研究,攻克了火成岩侵入复杂地质条件下特厚煤层综放开采的技术难题,有效的控制了顶板及顶煤,使煤炭资源得到了安全合理的开采,提升了企业的生产技术水平,取得了巨大的经济效益.

[1]宋振骐.实用矿山压力[M].徐州:中国矿业大学出版社,1988.

[2]钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制[M].北京:煤炭工业出版社,1983.

[3]姜福兴.矿山压力与岩层控制[M].北京:煤炭工业出版社,2004.

[4]陈轶平.综采工作面超前支护支承压力观察与分析[J].山西大同大学学报:自然科学版,2009,25(3):63-65.

A Study of the Law of Surrounding Rock Activity of Tashan Colliery w ith M icro Earthquake M onitoring Techniques

ZHOU Lin
（Technical Center，Datong CoalMines Group，Datong Shanxi，037003）

The author，by applying high－precision micro earthquake monitoring techniques，monitors and analyzes the law of surrounding rock activity，coal seam rupture，and stress field changes in mining ultra－thick seams in Tashan Colliery，and studies the stress distribution of the pilot support in mining，thus provides scientific basis for the development of cavingmining theories and technology.

micro earthquakemonitoring technique；ultra－thick coal seams；cavingmining；surrounding－rock activity

O213

A

〔编辑石白云〕

1674-0874（2010）01-0072-03

2009-12-01

山西省科技攻关计划项目[2007031121-02]

周霖(1973-),男,山西大同市人,工程师,研究方向:矿井建设与安全技术.