火成岩下工作面开采的冲击危险性评价与监测技术

詹振江，陆菜平

(1.淮北矿业集团公司生产管理部，安徽淮北 235001;2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116)

火成岩下工作面开采的冲击危险性评价与监测技术

詹振江1，陆菜平2

(1.淮北矿业集团公司生产管理部，安徽淮北 235001;2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116)

针对淮北矿业集团海孜煤矿762综采工作面顶板岩层存在巨厚火成岩侵入的特殊覆岩结构，对工作面开采过程中可能存在的冲击矿压危险性进行了分析与评价，并利用SOS微震监测系统对工作面开采全过程中火成岩的运移、破断状态进行了监测。研究结果表明:火成岩断裂释放的能量较低，没有对工作面的安全开采构成极大威胁。

火成岩;冲击矿压;危险性评价;微震监测

冲击矿压是煤矿开采过程中危害最严重的动力灾害之一，极大地威胁着煤炭企业和矿工的生命财产安全，目前控制冲击矿压的手段主要是以预防为主。近年来，随着煤矿井工开采深度的不断增加和日趋复杂的地质条件，采煤工作面冲击矿压的危险性也越来越大［1－4］。如果能在工作面回采之前结合现场实际条件，进行冲击危险性的分析与评价，将使得治理措施更具有针对性。

国内在冲击危险性评价方面取得了许多有益成果，目前主要的评价方法有冲击倾向性评价方法、数值模拟分析方法、地质动力区划方法、数量化理论方法、现场实测方法、综合指数法等［1－4］。除此之外，窦林名等［5－7］根据煤岩破坏时的声发射及电磁辐射特征，建立了地音法和电磁辐射法评价体系;尹光志等［8］在地应力监测的基础上，引入稳定性系数S，以表征某区域的危险程度;彭永伟等［9］通过选取煤岩冲击倾向性、煤层地质条件、开采采动应力的冲击危险性动态评价指标，构建了冲击危险性动态预评价体系;张志镇、张开智等［10－11］分别建立了煤矿冲击地压危险性预测评价的集对分析模型和变权识别模型，从整体上对冲击危险性进行了评价;潘一山等［12］在考虑时间效应的基础上，提出了冲击能量速度指标、临界软化区域系数、临界应力系数3项新的指标，对煤层冲击倾向性与危险性进行了评价。

本文结合现场实际生产条件和微震监测系统的实测研究，并在借鉴前人研究成果的基础上，对海孜煤矿坚硬巨厚火成岩下的762综采工作面开采之前进行了冲击危险性评价，并利用SOS微震监测系统全程监测火成岩在采动过程中的运移、破断状态，保证了工作面的安全高效开采，对于类似条件下的工作面开采具有一定的借鉴意义。

1 工作面概况

海孜煤矿762工作面为86采区7煤层首采面，工作面跨上山布置，平均面长105m，走向长度430m，采用机、轨、风三巷布置。浅部以7煤四含煤柱 (回采上限－275m)为界，东到区段运输石门，西至7煤变薄区，深部至762工作面机巷。图1所示为762工作面平面布置。

图1 762工作面平面布置示意

762工作面地质构造相对简单，不受其他煤层开采因素的影响，但是该工作面上方有一层平均厚度达40m以上的火成岩，使工作面存在一定的顶板动力破断诱发冲击的威胁。火成岩在该区域全区发育，其露头在风巷以浅10～20m。根据钻孔揭露工作面内火成岩下距7煤层约58.2～71.94m，平均65.41m，厚度0～64.02m，平均40.19m。

2 冲击危险性分析与评价

根据762工作面的地质与开采技术条件，以及坚硬巨厚火成岩的覆岩结构，可能诱发冲击矿压危险的主要影响因素有3个方面。

(1)上覆火成岩分布的影响 在一定的采深条件下，比较强烈的冲击矿压危害一般会出现在煤系地层中具有高强度的顶板岩层条件下，特别是在煤层顶板中存在坚硬厚层顶板。根据762工作面钻孔揭露的资料，火成岩在该区域全区发育，其破断可能会诱发强烈的矿压显现。

(2)开采深度的影响 开采深度越大，冲击矿压发生的可能性也越大。考虑到安全界限，可以确定，开采深度H≤350m时，冲击矿压发生的概率很低。762工作面采深为302～334m，处于冲击矿压危害发生概率较低的阶段。因此，762工作面的采深对冲击矿压危害的影响较小。

(3)基本顶活动的影响 顶板发生初次和周期断裂期间，顶板活动比较剧烈，特别是坚硬顶板容易积聚大量的弹性能，弹性能的突然释放，形成强烈震动，可能会导致冲击矿压危害的发生。因此，762工作面顶板剧烈活动时，即基本顶初次破断及工作面见方破断阶段，冲击危险性较大，需要对其进行重点监测。

综上，762工作面开采过程中，火成岩顶板的运移、破断对工作面的矿压显现具有一定的影响，是诱发冲击矿压的一个重要因素。

3 火成岩运移与破断的微震监测

3.1 SOS微震监测系统

SOS微震监测系统是从波兰矿山研究总院引进的，主要用于矿山震动监测，确定工作面附近的震动参数，从而进一步确定矿山动力灾害的危险。利用微震监测系统，实时对测点覆盖范围内进行监测，每天进行震源定位、微震能量计算分析，判别762工作面上覆岩层的活动状态，特别是上覆火成岩的破断状态。

3.2 监测结果及其分析

762工作面从开始回采到结束，共历时178d。将回采期间有效的矿震信号按照一定影响范围进行筛选，统计结果如表1所示。利用处理软件可将微震信号进行平面和空间定位，如图2，图3所示(注:图中圆点按大小不同能量级别依次为1000～5000J，500～1000J，200～500J、0～200J)。

表1 微震数据统计

图2 微震震源平面分布

统计表明:762工作面在2009年7月1日至12月25日整个回采期间，微震系统共监测223次可定位的震动事件，能量较小，没有监测到能量超过5000J的震动，对工作面的回采没有构成顶板动力威胁。结合震源三维空间分布，经过分析可知:0～200J小震动最多，148次占总震动次数的67%，但分布较为离散，随着工作面的回采，逐渐沿风巷侧迁移演化;200～500J的震动47次，占总震动次数的21%，分布离散;大于1000J的较大震动12次，占总数的5%，随着工作面的回采，这种震动次数减少，且主要分布在工作面西翼的井田边界断层带附近 (断层影响区)。

图3 微震震源空间垂直分布

为进一步分析762工作面回采期间的矿震规律，以20m为一个推进步距 (由于风巷侧前期涉及炮采面，推进速度极不均匀，且巷道弯曲导致进尺记录误差较大，因此采用机巷侧的进尺记录为基准)，分析微震在能量与频次方面的变化规律。得到的监测结果如图4所示。

图4 微震能量与频次随工作面推进距离关系

从图4可以看出，762工作面初采期间，在进尺20m时，震动能量大规模释放，结合震源空间位置分布，主要位于切眼西侧断层带附近;从进尺20m到见方阶段，无论是震动能量还是震动频次都较高，大规模释放能量;进尺200m时，工作面上覆岩层可能已经相对比较稳定，震动不活跃;推进到300m至380m时，能量又开始小规模释放，频次也较高，小震动较多。监测结果显示，火成岩的侵入没有对工作面的安全开采构成威胁。

4 结论

(1)762工作面回采期间，微震监测系统没有监测到能量超过5000J的震动，且大能量的震动都发生在断层带附近，表明762工作面上覆顶板岩层破断来压的强度较弱，对工作面回采不构成顶板动力威胁。

(2)762工作面回采期间，两巷及工作面没有发生一起强矿压显现，顶板动力灾害的危险性分析以及微震系统监测起到了一定的指导作用，确保了工作面的安全回采。

(3)火成岩的侵入没有对762工作面的安全开采构成较大威胁。

［1］钱鸣高，石平五．矿山压力与岩层控制［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2003．

［2］窦林名，何学秋．冲击矿压防治理论与技术 ［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2001．

［3］窦林名，赵从国，等．煤矿开采冲击矿压灾害防治 ［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2006．

［4］齐庆新，窦林名．冲击地压理论与技术［M］．徐州:中国矿业大学出版社，2001．

［5］窦林名，何学秋．冲击矿压危险性评价的地音法 ［J］．中国矿业大学学报，2000，29(1):85－88．

［6］窦林名，何学秋．冲击矿压危险预测的电磁辐射原理［J］．地球物理学进展，2005，20(2):427－431．

［7］贺 虎，窦林名，等．冲击矿压的声发射监测技术研究［J］．岩石力学，2011，32(4)．

［8］尹光志，鲜学富，金立平，等．地应力对冲击地压的影响及冲击危险区域评价的研究 ［J］．煤炭学报，1997，22(2)．

［9］彭永伟，蓝 航，等．基于地质条件的冲击危险性动态预评价体系 ［J］．煤炭学报，2010，35(12):1997－2001．

［10］张志镇，高 峰，等．冲击地压危险性的集对分析评价模型［J］．中国矿业大学学报，2011，40(3):379－384．

［11］张开智，夏均民，等．冲击危险性综合评价的变权识别模型［J］．岩石力学与工程学报，2004，23(20):3480－3483．

［12］潘一山，耿 琳，李忠华．煤层冲击倾向性与危险性评价指标研究 ［J］．煤炭学报，2010，35(12):1975－1978．

Rock-burst Danger Evaluation and Monitoring Technology of Mining under Igneous Rock

ZHAN Zhen-jiang1，LU Cai-ping2
(1.Mining Management Department，Huaibei Mining Group Corporation，Huaibei 235001，China;2.Mining Engineering School，China University of Mining ＆ Technology，Xuzhou 221116，China)

A special overlying strata structure，extremely thick igneous rock lie over 762 full-mechanized mining face in Haizi Colliery of Huaibei Mining Group.Rock-burst danger in mining was analyzed and evaluated.Displacement，failure state of igneous rock was monitored by SOS micro-seismic system.Results showed that energy released from igneous rock was low and didn＇t pose a large threat to safe mining.

igneous rock;rock-burst;danger evaluation;micro-seismic monitoring

TD324

A

1006-6225(2012)03-0083-03

2012－01－09

全国优秀博士论文作者专项基金资助项目 (2010044);教育部新世纪优秀人才支持计划项目 (NCET－10－0769);江苏省“333”高层次人才培养工程资助项目 (BRA2011183)

詹振江 (1971－)，男，安徽泗县人，高级工程师，淮北矿业集团公司生产管理部采煤科科长。

［责任编辑李宏艳］