千米深井大采高沿空工作面微震活动规律研究

2014-09-18

采矿与岩层控制工程学报 2014年6期

(山东能源淄矿集团唐口煤业公司，山东济宁 272055)

刘业献

(山东能源淄矿集团唐口煤业公司，山东济宁272055)

通过研究深井工作面开采过程中的微震活动规律，得出微震事件分布的时空迁移性和周期性。以唐口煤业有限公司5303大采高工作面为研究对象，得出了工作面超前采动应力分布范围为190m，采空区顶、底板裂隙发育高度分别为75m，60m，该结论为深井开采冲击地压防治提供了重要的理论依据和参考。

千米深井；大采高；沿空工作面；微震活动；采动应力；覆岩运动

Micro-seismic Rule of Large-mining-height Mining Face along Gob in 1000m Deep Mine

ARAMIS M/E微震监测系统可实现对矿井包括冲击地压在内的微震信号进行远距离、实时、动态、自动监测，准确计算出能量大于100J的震动及冲击地压发生的时间、能量及空间三维坐标，给出冲击地压等矿震信号的波形，确定出每次震动的震动类型，判断出冲击地压发生力源类型。对矿井冲击地压危险程度进行评价，可出具冲击危险性评价报告和日常评价报告。监测矿井上覆岩层的断裂信息，确定断裂层位，实现定量描述空间岩层结构运动和应力场的迁移演化规律。通过监测掌握微震活动规律，掌握震源与采动影响关系，从而分析确定冲击危险区域，采取必要的防治措施，降低冲击危险[1-5]。

本文主要以唐口煤业公司5303深部开采工作面为研究对象，根据微震事件分布规律，得出深部开采过程中生产活动与冲击地压灾害的有关规律。

唐口煤业有限公司自2009年9月引进了波兰16通道ARAMIS M/E微震监测系统，2012年升级为32通道，同时安装了1套ARP2000井上监测设备，形成了空间立体式监测网络。目前该公司井下共安装了22台拾震器，井上安装了4台，共26个监测通道。截止到2014年5月，矿井共监测到有定位结果的微震事件5415个，释放能量2.8×107J。

1 研究对象

5303工作面是530采区第3个开采工作面，与5302采空区之间留设5m宽保护煤柱。选用综合机械化一次采全高走向长臂后退式采煤法开采，全部垮落法管理顶板。工作面走向可采长度1501m，面宽200m。开采煤层为3上煤，煤层平均厚度4.6m，煤层直接顶为均厚2.64m的泥岩，基本顶为均厚3.14m的砂岩，直接底为均厚2.22m的泥岩，老底为均厚2.88m的粉砂岩。

图1所示为5303工作面周围拾震器布置情况，该工作面周围共布置了6个拾震器监测点，地面对应1台监测分站，形成空间立体式监测网络，能够保证工作面微震事件的监测效果。

图1 5303工作面前期和后期拾震器布置

2 微震事件活动规律分析

2.1 微震事件的时空分布与时空迁移

如图2所示，微震事件主要分布在5303工作面及附近掘进巷道。因此，微震系统监测到的事件主要为开采活动导致的煤岩体的震动信息，通过分析这些信息，可以获得当前煤岩体的受力破坏状态，进而对未来的微震活动趋势作出判断[6]。

图2 5303工作面微震事件分布

图3 微震事件的时空迁移

图3为5303工作面微震事件的时空迁移，微震事件会随着工作面推进而移动，说明开采活动对微震事件的分布具有明显的影响。而5303工作面前方0～75m内微震事件出现密集分布状态，说明该区段煤岩体活动剧烈，危险性大。

2.2 微震活动的周期性

在采动影响下，煤岩体的活动具有明显的周期性，从微震事件的周期性能量释放可以得到较好的反映[7]。5303工作面平均每隔5～7d就会出现1次微震能量释放高峰，一般比周期来压早1～2d。如图4所示，图中黑色倒三角形表示工作面周期来压，可见周期来压与微震峰值出现时间差值基本保持在1d内。且微震峰值普遍要提前于周期来压。说明周期来压前顶板压力突然升高，顶板活动比较剧烈，煤岩体释放能量达到峰值。通过对微震活动性的分析，可以对工作面周期来压进行预测。

图4 5303工作面1月份微震活动与推进度关系

2.3 微震活动与采动应力的关系

假设第id第j个微震事件Bij的定位坐标为(x，y，z)，如图5，且第1d至第id的推进距离为Li，则，设第1d时工作面位置为工作面固定点，求出微震事件的相对坐标(X，Y，Z)如下：

X=x-Licosαcosβ；Y=y-Licosαsinβ；Z=

z-Litanβ

式中，α为工作面的推进角度，β为x轴与工作面推进方向在水平面上的投影的夹角。对于5303工作面来说，其走向认为是近水平的，即α为0，则：

X=x-Licosβ；Y=y-Lisinβ；Z=z

图5 微震事件的绝对位置和相对位置关系

以每月推进度的中点为固定点，根据微震事件的分布情况，得出固定工作面的微震事件分布图，如图6所示。

图6 微震活动与超前应力关系

由图6可见，微震事件的能量及频次的曲线具有明显的峰值结构。工作面超前采动影响范围可达380m，其中超前190m以外为原岩应力区，该区域微震频次少，煤岩体几乎不受采动影响。工作面超前40～190m范围内，采动影响开始增加，到达应力升高区，煤岩体应力逐渐增大并达到峰值，微震频次和能量也呈增加趋势。在工作面超前40m以内，煤岩体应力出现下降趋势，说明该区域为塑性区，应力较低。通过固定工作面的方式，可知5303工作面超前采动应力峰值在工作面前40m处，显著影响范围在工作面前190m。

2.4 微震活动揭示覆岩空间破裂形态

5303工作面采高平均4.6m，局部达到5.3m，属于综采大采高工作面。大采高工作面形成的开采空间较大，从而对上覆岩层“三带”变化影响比较明显。为掌握煤层上覆岩层活动情况，唐口煤业公司专门引进了波兰ARP2000矿震监测系统，该系统在地面安装监测站，与井下拾震器相互结合，形成井上下立体式联合监测网络，对上覆岩层活动规律的监测及冲击地压预警意义重大。

图7为5303工作面微震事件的剖面投影图，由图中可知，微震事件主要集中在煤层基本顶及老底中，顶板明显发育高度达到63m，底板明显发育深度为82m。从微震监测结果来看，开采未影响到厚度为30～62m的关键层，由于该关键层强度高，易积聚大量弹性能，若出现整体滑动可能对冲击地压防治带来较大影响。随着开采范围的加大，岩层破裂高度还会有进一步向上发展的趋势，在以后的监测中，应对该层位予以重视。

图7 微震揭示覆岩空间破裂形态

2.5 微震活动揭示构造异常区域

2014年2月下旬，5303工作面推采至距5303-3(H=4.5∠55°)断层50m，距DF5(H=0～9∠75°)断层245m，如图8所示，两断层均为正断层，且在图中填充区域形成了“地堑”结构。由图中可以明显看出微震事件集中在两断层之间，且开始快速增长，表明断层受采动影响开始活化，此后，微震事件整体上沿着断层走向发展。当工作面距离断层40m左右时，工作面平均支架工作阻力由25.1MPa升高到30.8MPa，高能微震事件发生概率增加，出现当月最高能量9500J，说明工作面受较大动载影响。当工作面距离断层15m左右时，每日微震事件达到峰值，为6次/d，但主要以小能量微震事件为主，支架受力降低。