基于震动场监测的采动覆岩运移规律分析

2019-06-19李二峰

煤矿现代化 2019年4期

李二峰

（山西煤炭运销集团阳城惠阳煤业有限公司，山西阳城 048100）

1 地质概况

冲击地压灾害作为一种煤矿动力灾害，具有瞬时震动性、突发性、类型多样性、巨大破坏性，其井下显现一般表现为瞬时煤岩体冲出，从而造成工作面及顺槽支架压弯，巷道瞬间闭合，冲击过程短暂，持续时间仅为几秒至几十秒。近年来随着对冲击地压研究深入，逐渐形成了一系列冲击地压防治与预防理论，主要包括能量理论、冲击启动理论、刚度理论、三因素理论、动静载荷理论等[1-5]。潘俊峰教授[6]基于微震监测与总结，将冲击地压发生过程划分为三阶段，通过引进不确定性系统分析法，提出了煤矿冲击地压启动理论，表明采动围岩近场系统内集中载荷的积聚是冲击地压发生内因；窦林名教授[7]针对现阶段冲击地压发生情况，综合分析动载与静载发生冲击地压能量和应力条件，系统提出了动静载荷叠加诱发冲击地压的理论。上述研究成果为现阶段冲击地压研究与预防体统了完善的理论的与先进的监测技术，本文在综合在采用原有理论成果基础上，通过微震监测手段实现了采动影响下覆岩裂隙发育高度、超前影响距离、覆岩结构演化规律的监测与分析，为矿井超前支护设计，覆岩顶板运移规律研究提供技术参数，保证了矿井安全生产。

某矿井3306工作面为矿井正常接续面，其北侧为3304采空区，南侧为3308实体煤，区段煤柱宽度为5m，工作面倾斜长度180m，走向长度约650m，煤层单轴抗压强度15MPa，矿井埋深约900m，煤层的直接顶为5.34m的泥岩，老顶为1.6m的中砂岩；直接底为0.27m的泥岩，0.95m的细砂岩和6.68m的粉砂岩。工作面范围内多地质构造，断层分布较多，最大断层落差30m，具备发生冲击地压的基础条件。3306工作面平面示意图如图1所示。

图1 3306工作面平面分布图

2 理论分析与计算

3306工作面回采期间主要受到地质断层，采空区覆岩结构演化影响，因此在回采阶段应重点实现对单工作面见方及过地质异常带监测。

随着3306工作面回采，基于采动影响从而造成采空区覆岩裂隙发育高度逐渐向上发育，从而造成单见方效应显现。依据现场工程经验及现有基础矿压理论分析，现阶段3306覆岩裂隙发育高度约为倾向长度一半，后期随着工作面推进造成3306覆岩裂隙与原有3304工作面裂隙贯通，从而发育至该地质条件下破裂高度最大值，在工作面推进造成的覆岩裂隙发育高度变化过程中，容易造成关键层及上覆岩层不断发生断裂或滑移，极易诱发动力灾害，因此应加强后期工作面覆岩结构演化过程中冲击地压防治工作。

图2 采动覆岩运移示意图

式中：L为工作面倾斜长度，m。

通过该矿井3306工作面倾向长度计算得到覆岩裂隙发育高度约为90m。

3 监测数据分析

3.1 监测方案设计

为实现工作面震动场监测，保证工作面安全回采，在3306工作面两顺槽内安装了8组检波器，其中检波器安装间距为100-300m，两顺槽之间采用交叉布置，从而降低设备移组对监测精度影响。基于震动场监测的设备安装示意图如图3所示。

图3 微震监测设备安装示意图

3.2 基于微震监测的覆岩运移规律分析

通过微震监测手段，主要实现了采动影响下震动事件定位，从而实现单工作面见方期间振动事件平面分布距离，走向定位高度、倾向定位高度事件统计，进一步得到采动影响下超前支承压力影响距离监测，覆岩裂隙微观发育高度监测，基于微震监测的事件分布如图4、图5、图6所示。

图4 基于微震监测的平面分布距离监测

图5 基于微震监测揭示的走向剖面分布图

图6 基于微震监测揭示的倾向剖面分布图

通过图4监测可知，基于微震监测揭示的采动影响下单工作面见方阶段震动事件平面分布距离约超前工作面180m，微震事件定位超期距离区别于超前支承压力峰值影响区域，这是由于震动事件定位为覆岩微观裂隙发育与裂隙贯通点，采动影响下工作面超前支护距离应小于或等于该监测距离。

通过图5监测可知，采动影响下工作面走向监测事件基本呈现双拱形，低位拱形运移控制工作面动压显现，其发育高度大致为90m，与理论分析结果较一致；高位拱形的运移造成了覆岩顶板的运移，基于微震监测揭示的高位拱发育高度约180m。另外，大能量事件主要分布在顶板内，底板集中分布小能量震动事件。

通过图6监测可知，采动影响下大能量事件主要集中分布在工作面高位顶板内，小能量事件主要分布在低位顶板及底板范围内，这是由于工作面低位顶板无坚硬岩层且频繁受到超前支护扰动造成的微震事件在空间展布形态的差异。

结合工作面地质钻孔资料可知，工作面顶板约80～90m范围内存在一层厚度约7m的砂岩顶板，同时结合微震监测揭示的3306工作面微震事件走向剖面图可知，微震大能量事件主要发育至顶板90m范围的砂岩组内，因此判定该层位属于3306单工作面见方期间覆岩的一关键层位；基于微震监测揭示的震动事件剖面分布可知，大能量事件主要集中在工作面上部约140～200m范围内，小能量震动事件主要分布在低位顶板及底板内。