缓斜综放工作面初放顶板活动规律分析

黄远明

(新疆煤矿安全监察局,乌鲁木齐 830000)

缓斜综放工作面初放顶板活动规律分析

黄远明

(新疆煤矿安全监察局,乌鲁木齐 830000)

据对宽沟煤矿E1122工作面初放起期间电磁辐射以及微震监测系统的监测结果,分析了工作面围岩破坏的空间范围,得出了岩层破裂程度发展由低位岩层向高位岩层逐渐减弱。初次来压期间,顶板活动加剧,并伴随着高能量事件的释放,当顶板发生断裂后,岩层活动趋于平稳,微震能量和频次开始降低,趋于稳定后逐步形成周期来压的规律变化。通过对电磁辐射监测数据的分析,老顶来压期间顶板活动及变化作用在煤体上,使煤体应力发生变化,而电磁辐射的能量及频次与煤体的应力有关,煤体应力越大,电磁辐射的强度越高,电磁辐射及频次的频繁变化表征了老顶受力的变化,从而可判断老顶来压期间危险性。根据目前E1122综放工作面的顶板活动强度及活动规律,可实现对顶板的可防可控。

放顶煤;初次来压;顶板;电磁辐射;微震

综放开采技术是厚煤层矿区开采技术的发展方向。自1982年以来,中国的综放开采研究取得了大量成果,解决了厚及特厚煤层开采面临的许多问题[1-7]。 大量理论研究和物理试验已经证实煤岩变形破裂过程中会产生宽频带的电磁辐射信号,因此研究坚硬顶板—煤体—底板所构成的组合煤岩变形破裂电磁辐射规律对于预测预报煤岩动力灾害具有重要的意义[8-9]。微地震监测技术是一种基于交叉学科的新技术,该技术采用震动定位原理,在监测区域周围附近空间内布置多组检波器实时采集因岩层破裂而产生的微震数据,经过数据处理和定位后,可确定发生破裂的位置,并在三维空间上显示出来,该技术也日益成为监测因采动引起的岩层运动的最为有效的研究手段之一[10-12]。根据目前E1122综放工作面的顶板活动强度及活动规律,煤矿可实现对顶板的可防可控。

1 工作面概况

E1122工作面倾斜长度200 m,可采走向长度1 642 m,采高3.2 m,放煤厚度6.3 m,工作面倾角平均13°,直接顶以泥岩、砂质泥岩和粉砂岩为主,平均8.19 m,饱和抗压强度平均33.33 MPa,以易冒落的松软顶板为主。底板以泥岩、砂质泥岩和粉砂岩为主,饱和抗压强度平均39.73 MPa,底板稳定性差,较稳定。

2 电磁辐射监测数据分析

为掌握E1122工作面回采顶板初次放顶活动规律,图1为工作面初放期间电磁辐射监测曲线,从图1可以看出,2016年3月18日至3月21日,电磁辐射值低于60 mv,3月22日后,电磁辐射强度开始明显变化,表明顶板压力发生改变,煤体所受的压力在变化。可见,电磁辐射的能量及频次与煤体的应力有关,煤体应力越大,电磁辐射的强度越高,电磁辐射及频次的频繁变化表征顶板岩层受力的变化。因此3月22日顶板发生较强的变化,根据综合数据分析,为工作面初次来压时期。

1-a 电磁辐射强度曲线

1-b 电磁辐射频次曲线图1 工作面初放期间电磁辐射监测曲线Fig.1 Monitoring curve of electromagnetic radiation during initial mining

3 微震监测顶板活动分析

3.1微震事件时空分布

初次放顶顶板在2016年3月19日至2016年3月25日微震事件空间分布图见图2-图7(黑色为0-102J微震事件,绿色为103-104J微震事件,蓝色为104-105J微震事件)。2016年3月19日,微震事件能量和频次开始增多,且有4次方能量出现,倾向方向主要分布在工作面的中下部区域; 2016年3月22日,随着岩层活动的加强,产生的事件次数达到最大,能量和为最强的时期;22日过后,工作面事件开始减弱,且事件向上端头发展,正好符合工作面上部来压滞后,但无4次方的能量发生,说明工作整体的来压强度已过。通过对现场2月20至3月25日期间的写实,工作面中下部煤体的微震事件明显增多,工作面中下部煤壁在此期间“煤炮”、“片帮”较频繁,监测与现场吻合性较好。

通过分析,得到微震事件空间分布规律:1)微震事件发生区域在工作面前方30 m范围内,岩层发生破裂的最高层位为煤层顶板上方30 m ～40 m。2)微震事件集中区域在工作面下部25#-55#支架区域,位于岩层层位为煤层上方20 m ～ 30 m。岩层破裂程度发展由低位岩层向高位岩层逐渐减弱。3)微震事件首先由工作面下部50 m范围(倾向)率先活动,主要是因为上部50 m煤柱的高应力影响,致使顶板在受采动的影响下,积聚弹性能发生释放。但随着工作面的推进微震事件向整个工作面转移,主要是工作面进入全面的初次来压。

2-a E1122工作面微震反演平面图

2-b E1122工作面微震反演剖面图图2 2016年3月19日微震事件分布图Fig.2 Microseismic events distribution on March 19, 2016

3-a E1122工作面微震反演平面图

3-b E1122工作面微震反演剖面图图3 2016年3月20日微震事件分布图Fig.3 Microseismic events distribution on March 20, 2016

4-a E1122工作面微震反演平面图

4-b E1122工作面微震反演剖面图图4 2016年3月22日微震事件分布图Fig.4 Microseismic events distribution on March 22, 2016

5-a E1122工作面微震反演平面图

5-b E1122工作面微震反演剖面图图5 2016年3月23日微震事件分布图Fig.5 Microseismic events distribution on March 23, 2016

6-a E1122工作面微震反演平面图

6-b E1122工作面微震反演剖面图图6 2016年3月24日微震事件分布图Fig.6 Microseismic events distribution on March 24, 2016

7-a E1122工作面微震反演平面图

7-b E1122工作面微震反演剖面图图7 2016年3月25日微震事件分布图Fig.7 Microseismic events distribution on March 25, 2016

3.2微震能量与频次关系

2016年3月19日至2016年3月25日微震事件能量与频次关系曲线图见图8。

E1122工作面初次来压期间,微震能量与频次呈上升趋势,表明顶板来压时顶板活动开始变的频繁,当岩层发生断裂时,产生高能量事件,从图中可知, 3月22日高能量事件产生,能量和达到最大的时期,当发生顶板断裂后,岩层活动区域平稳,微震能量和频次开始降低。

图8 微震能量与频次关系曲线Fig.8 Relationship between Microseismic energy and frequency

4 结论

1)通过微震事件监测得到:初次来压期间,顶板活动加剧,并伴随着高能量事件的释放,当顶板发生断裂后,岩层活动区域平稳,微震能量和频次开始降低,并趋于一个稳定的阶段,逐步形成周期来压的规律变化。

2)通过对电磁辐射监测数据的分析,老顶来压期间顶板活动及变化作用在煤体上,使煤体应力发生变化,而电磁辐射的能量及频次与煤体的应力有关,煤体应力越大,电磁辐射的强度越高,电磁辐射及频次的频繁变化表征了老顶受力的变化,从而可判断老顶来压期间危险性。

[1] 宋振骐,陈立良,王春秋,等.综采放顶煤安全开采条件的认识[J].煤炭学报,1995, 20(4): 356-360.

SONG Zhengqi,CHEN Liliang,WANG Chunqiu,etal.Knowledge on Face Working Conditions in Mechanized Sub-level Caving Work Face[J].Journal of China Coal Society,1995, 20(4): 356-360.

[2] 钱鸣高,缪协兴.采场上覆岩层结构的形态与受力分析[J].岩石力学与工程学报,1995, 14(2): 97-106.

QIANG Minggao,MIAO Xiexing.Theoretical Analysis on the Structural Form and Stability of Overlying Strata in Long Wall Mining[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,1995, 14(2): 97-106.

[3] 吴健.我国放顶煤开采的理论研究与实践[J].煤炭学报,1991,(3):1-11.

[4] 王家臣.我国综放开采技术及其深层次发展问题的探讨[J].煤炭科学技术,2005,33(1):14-18.

WANG Jiachen. Fully Mechanized Longwall Top Coal Caving Technology in China and Discussion on Issues of Further Development[J].Coal Science and Technology,2005,33(1):14-18.

[5] 钱鸣高,刘听成.矿山压力及其控制[M].北京:煤炭工业出版社,1984.

[6] 姜福兴,宋振祺,宋扬.老顶的基本结构形式[J].岩石力学与工程学报,1993,12(4):366-379.

[7] 闫少宏,尹希文.大采高综放开采几个理论问题的研究[J].煤炭学报,2008,33(5):481-484.

YAN Shaohong,YIN Xiwen.Discussing about the Main Theoretical Problems of Long Wall with Top Coal Caving[J].Journal of China Coal Society,2008,33(5):481-484.

[8] 窦林名,田京城,陆菜平,等. 组合煤岩冲击破坏电磁辐射规律研究[C]//全国地面岩石工程学术会议暨中南地区岩石力学与工程学术会议.2005.

[9] 窦林名, 何学秋. 采矿地球物理学[M].中国科学文化出版社,2002.

[10] 王传朋.田陈煤矿冲击地压的微震活动规律研究[J].煤矿开采,2015(3):97-100.

WANG Chuanpeng.Micro-seismic Rule of Rock-burst in Tianchen Colliery[J].Coal Mining Technology,2015(3):97-100.

[11] 姜福兴,LUO Xun.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.

JIANG Fuxing,LUO Xun.Application of Micro Seismic Monitoring Technology of Strata Fracturing in Underground Coal Mine[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2002,24 (2):147-149.

[12] 夏永学,潘俊锋,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.

XIA Yongxue,PAN Junfeng,WANG Yuanjie,etal.Study of Rule of Surrounding Rock Failure and Stress Distributed Base on High-precision Micro Seismic Monitoring[J].Journal of China Coal Society,2011,36(2):239-243.

InitialRoofActivitiesofInclinedFull-mechanizedCavingMiningFace

HUANGYuanming

(XinjiangCoalSafetySupervisionBureau,Urumqi830000,China)

Based on electromagnetic radiation and microseismic monitoring system, the failure range of surrounding rock shows that fracture decreases gradually from low to high rock strata on E1122 working face of Kuangou Mine during initial mining. During the first weighting, we observed intensified roof activities accompanied by the release of high-energy event. After roof breaking, the strata activities slowed down; the energy and frequency of the shock decreased and gradually formed stable cyclic weighting.On the analysis of electromagnetic radiation monitoring, activities and changes of main roof on coal body leads to the stress variation. The energy and frequency of the electromagnetic radiation correlates with the coal body stress; the more the stress is, the more intense the radiation is. In other words, the frequent variation of the electromagnetic radiation represents the force change of the old roof, so that it could be used to judge the risk during the main roof weighting. Therefore, the prevention and control for the roof could be realized based on the roof activity intensity and pattern.

top coal caving;first weighting;roof;electromagnetic radiation;microseismic

TD327.6

A

1672-5050(2017)02-0020-05

10.3919/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2017.04.006

2017-03-11

黄远明(1968-),男,四川绵阳人,本科,工程师,从事煤矿安全监察方面的工作。

(编辑:武晓平)