基于微震监测的大采高综采面覆岩破断特征研究

赵国栋

(中国煤炭科工集团有限公司，北京 100013)

基于微震监测的大采高综采面覆岩破断特征研究

赵国栋

(中国煤炭科工集团有限公司，北京 100013)

为了合理确定大采高综采工作面覆岩“两带”高度，采用微震监测技术探测顶板覆岩破断特征，从走向和倾向两个方面来分析微震事件分布规律，从而确定了大采高综采面“两带”的高度：垮落带高度约20m，裂缝带高度约45m。研究认为基于微震监测的大采高综采面覆岩“两带”探测方法可行，很好地解决了覆岩破坏实测难题。

微震监测；大采高综采；覆岩破断特征

采用传统的全部垮落法管理顶板，覆岩运移破断呈现“三带”形态[1-2]，其中垮落带和裂缝带(简称“两带”)高度是本煤层、上邻近层瓦斯抽放设计的依据，准确地划分大采高工作面采场覆岩“两带”具有重要的工程意义。

近年来的生产实践表明，大采高开采覆岩运动引发的地表环境问题日益显现。理论分析和实测结果表明，由于采高的扩大，垮落带和裂缝带发育高度都将比分层开采明显增大，传统的分层开采“两带”确定公式已经不适用当前的厚煤层开采，《三下采煤规程》中也没有收录大采高综采的经验公式。为合理确定大采高综采工作面覆岩“两带”高度，采用微震监测技术探测顶板覆岩破断特征，从而确定大采高综采面“两带”高度。

1 工作面地质条件

下石节煤矿2301大采高综采工作面所采3-2号煤层，煤层结构较为复杂，含夹矸较多，可采储量约2.4318Mt。工作面对应地面位于草滩西至断头川之间，多为森林覆盖，最高标高为+1560.5m，最低标高为+1435.0m，井下水平标高为+950m。该工作面走向可采长度1720m，倾斜长度210m，煤层平均厚度4.76m，煤层倾角平均5°。工作面倾向总体为一背斜构造，轴部位于沿工作面中部偏北西方向，两翼倾角6～8°，局部有小型起伏变化。工作面基本支架选用ZY10500/27/58大采高液压支架。工作面顶底板条件见图1。

图1 3-2煤层顶底板柱状

2 微震系统监测方案

随着工作面的正常回采，采场覆岩发生移动、破坏，由此将产生震动和能量释放。微震监测系统就是通过捕捉微震震源位置、记录发生时间并计算其释放的能量来确定微震事件，进而统计微震活动的强弱和频率，并结合微震事件分布规律判断覆岩“两带”动态发育特征以及潜在的矿山动力灾害，实现危险性评价和预警，用于指导工程实践[3-5]。

本次观测在2301工作面回采区域内共布置7个监测探头，其中运输巷和回风巷内分别布置3个探头，+950m石门内布置1个探头。工作面运输巷内布置在B1(帮探头)、D2(顶板探头)、D2′，B3(帮探头)，B3′测点处，工作面回风巷内布置在Di5(底板探头)、B6(帮探头)，B6′，D7(顶板探头)，D7′测点处，+950m石门处在D4测点处。具体微震布置方案见图2所示。

图2 2301工作面微震监测系统布置

3 微震监测数据分析

2301工作面微震监测系统于2013年7月4日进行安装调试，7月14日正常运转。截止到9月10日，观测期间工作面推进约261m，超出一个“见方”，顶板岩层达到充分采动状态，监测到了大量的微震事件。

根据微震定位原理，要确定一个微震事件的精确位置，至少要有4个探头同时监测到该微震事件，本次工作面安装7个监测探头，满足定位要求。图3和图4分别为本次监测中8月18日记录的一次典型微震事件的波形图和微震定位结果。

图3 不同探头对应的微震事件波形

图4 微震事件定位结果

3.1 工作面走向覆岩破断特征

煤岩体破裂产生微震事件和声波，而震动能量、频次和密集程度等又综合反映了煤岩体受力破坏程度，微震事件能量越高，事件分布越密集则煤岩体活动越剧烈，破坏也越严重。通常，岩层的破断垮落运动伴随有高能量事件的产生，对应于覆岩垮落带；而岩层裂缝带的扩展、发育一般表现为中、低能量微震事件，且多处于上位岩层中。通过微震监测开采过程中微震事件能量、频次及发生位置等参数，可以分析煤岩应力分布和覆岩空间破坏发育特征[6-7]。结合以往对微震的相关研究[8-9]及下石节煤矿覆岩岩性、结构等特点，划分大于10000J为高能量事件，低于1000J为低能量事件，介于二者之间的为中等能量事件。根据2013年7月14日至9月10日所监测到的微震事件，将各事件在走向剖面上进行投影，得到回采期间的覆岩破断特征，如图5所示。

图5 微震事件揭示顶覆岩破断特征

分析图5中微震分布特征，覆岩垮落带内微震事件分布密集，大、中等能量的事件占比较大。根据2301工作面钻孔柱状分析，该区域内存在厚度为24.7m的粉砂岩、砂泥岩互层，该层厚度大，完整性较好，阻止了垮落带向上发展。高位岩层裂隙区高能量事件非常少，多为小能量的微震事件。根据钻孔柱状可知，基本顶岩梁上方为细砂岩、粉砂岩、砂质泥岩互层，总厚度达27.48m，随着基本顶失稳破断，该岩层出现拉伸破坏，产生较多的小能量事件。

根据工作面走向微震监测结果，按照微震能量高低级别与岩层运移破坏规律的对应关系，高能量事件(大于10000J)基本处于煤层上方20m范围之内，中、低能量事件(低于1000J)在上位岩层中的发育高度约为45m。据此可得出，垮落带高度约20m，裂缝带高度约45m。

3.2 工作面倾向覆岩破断特征

将观测期间的微震数据向2301工作面倾向剖面图上进行投影，得到微震事件在工作面倾向上的分布情况。随着工作面的推进，工作面倾向微震事件开始增多，高能量事件也有所增加。从整体上看，2301工作面倾向方向的微震事件大致呈对称分布。为了直观分析，将上述微震事件投影在工作面剖面图上，如图6所示。

图6 工作面倾向微震事件分布

从2301工作面倾向方向的微震事件分布可以看出，微震事件分布沿工作面中部轴线，大致呈对称分布。高能量事件主要分布在靠近工作面两端及中部，背斜轴部附近相对较少，工作面以外区域基本无高能量事件分布，说明工作面顶板岩层以工作面中部、两端垮断最为强烈，而背斜轴部由于构造运动岩层已发生破坏，高能量事件很少。中等能量微震事件主要集中在工作面中部及背斜轴部附近，两端部较少。低能量事件主要分布在高位岩层。

根据工作面倾向微震监测结果，并依据上文中有关微震能量级别与岩层运移破坏规律的对应关系可得，垮落带高度约15～25m，裂缝带高度40～50m。

4 结论

通过微震监测系统分析了大采高综采工作面覆岩的破断特征，得出以下结论：

(1)微震监测系统可以实现对工作面覆岩破断特征的定性分析和描述。

(2)通过微震监测方法得到2301大采高综采工作面覆岩“两带”高度，其中，沿工作面走向，垮落带高度约20m，裂缝带高度45m；沿工作面倾向，垮落带高度约15～25m，裂缝带高度40～50m。

[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]钱鸣高，刘听成．矿山压力及其控制[M]．北京：煤炭工业出版社，2009.

[3]姜福兴．微震监测技术在矿井岩层破裂监测中的应用[J]．岩土工程学报，2002，24(2)：147-149.

[4]夏永学．大采高综放工作面覆岩空间运动规律的微震监测研究[A].煤炭科学研究总院采矿技术研究所—综放开采30周年科技论文集[C]．北京：煤炭工业出版社，2012.

[5]夏永学，蓝 航，毛德兵，等．基于微震监测的超前支承压力分布特征研究[J]．中国矿业大学学报，2011，40(6)：868-873.

[6]夏永学，潘俊峰，王元杰，等．基于高精度微震监测的煤岩破裂与应力分布特征研究[J]．煤炭学报，2011，36(2)：239-243.

[7]杨志国，于润沧，郭 然，等．基于微震监测技术的矿山高应力区采动研究[J]．岩石力学与工程学报，2009，28(2)：3632-3638.

[8]林 峰，李庶林，薛云亮，等．基于不同初值的微震源定位方法 [J]．岩石力学与工程学报，2010，29(5)：996-1002.

[9]刘 彪，陆菜平，窦林名，等．坚硬顶板岩层破断诱发微震的功率谱特征[J]．矿业安全与环保，2011，38(2).

[责任编辑：潘俊锋]

SurroundingRockBrokenCharacteristicofLarge-mining-heightFull-mechanizedMiningFaceBasedonMicro-seismicMonitoring

ZHAO Guo-dong

(China Coal Technology Engineering Group Co., Ltd., Beijing 100013, China)

In order to rationally determine“two-zone”height of large-mining-height full-mechanized mining face, applying micro-seismic monitoring technology to detecting roof broken characteristic,“two-zone”height was determined on the basis of micro-seismic matters distribution rule.Caving zone height was about 20m and fissure zone height was about 45m.It was proved that micro-seismic monitoring is feasible for detecting“two-zone”height and well settled the difficult problem of measuring overlying strata failure.

micro-seismic monitoring; large-mining-height full-mechanized mining; overlying strata broken characteristic

2014-03-12

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.034

国家自然科学青年基金资助项目(51304115)；开采设计事业部科技创新基金(KC-QNCX-2012-01)

赵国栋(1969-)，男，山东枣庄人，博士研究生，高级工程师，从事煤矿生产技术管理及科研工作。

赵国栋.基于微震监测的大采高综采面覆岩破断特征研究[J].煤矿开采，2014，19(4)：112-114.

TD326.1

A

1006-6225(2014)04-0112-03