长平煤业5302 综放工作面顶板岩层移动规律研究

王飙

（山西晋城无烟煤矿业集团鄂托克前旗恒源投资实业有限责任公司，山西 晋城 048000）

一、工作面概况

（一）工作面概况及位置

长平井田5302综放工作面位于3#煤一水平五盘区南翼，为五盘区的首采工作面；地面标高979－1170m，煤层底板标高412－480m，工作面走向长度 1509.17m（帮—停），倾斜长度295.00m（帮—帮），煤层平均厚度5.64m；该工作面在1066m 处布置有第二切眼，长101.5m；工作面东部为5301 工作面（尚未布置），西部为5303 工作面（正在布置），北部为五盘区大巷，南部为西珏山庙保护煤柱。

图1 首采面巷道布置图

首采面共布置6 条顺槽巷道，其中西面布置Ш53022 巷、Ш5302 底抽2 巷和Ш53023 巷，东面布置了Ш53021 巷、Ш5302 底抽1 巷和五盘区泄水巷，Ш53022巷、Ш5302 底抽2 巷是回风巷，Ш53023 巷是辅助运输巷和进风巷，东面三条巷道均为进风巷，Ш53021 巷是皮带运输巷。Ш53022 巷和Ш5302 底抽2 巷之间煤柱(中-中)25m，Ш5302 底抽2 巷和Ш53023 巷之间煤柱(中-中)35m，Ш53021 巷和Ш5302 底抽1 巷之间煤柱(中-中)25m，Ш5302 底抽1 巷和五盘区泄水巷之间煤柱(中-中)35m。工作面切眼南侧布置有底抽巷和泄水巷，煤柱大小和顺槽之间的相同。

（二）地质构造

5302 工作面地质条件复杂，具体情况如表1 所示。（1）工作面回采至529m 处，采面内揭露SX99 陷落柱（DX72），回采至580m 处采面内过完，该陷落柱在采面内影响80m，推进方向影响51m。

二、顶板岩层移动规律研究

（一）微震监测设备布置方案

根据矿井采掘情况长平煤业需布置一套16 通道微震监测系统，包括10 个拾震器和6 个探头。为实现最好的监测效果，同时减少后期传感器的挪移频繁程度，故方案设计将传感器均布置在53022、53023 两巷横川内和53021 巷、五盘区南翼泄水巷两巷横川内；传感器全部采用拾震器进行监测，拾震器间距500m 左右，此方案可以保证对5302工作面全面包围覆盖，在5302工作面回采期间无需进行传感器的挪移。具体布置方式如图2 所示。

图2 微震设备布置方案

（二）工作面微震活动分析

长平矿5302 工作面微震监测系统自2019 年8 月31 日投入运行，至2019 年12月20 日共监测到微震事件1642 个，各能量级微震事件统计如图3-2 所示。微震事件主要以102J 能级以下的微震事件为主（占微震事件总数的92.51%），共发生了113 个103J 微震事件和10 个104J 高能微震事件。

1.微震事件分布分析

由于5302 工作面初采期间沿煤层顶板布置，在推进至10m 后工作面落底，直至机头推进30m、机尾推进50m 工作面沿底回采，而后遇构造向下找煤，因此将工作面回采分为五个阶段，①第一阶段为工作面推进前10m 的沿顶推进阶段，②第二阶段为工作面由10m 推进至机头30m、机尾50m 的卧底过渡阶段，③第三阶段为工作面沿底板推进阶段，④第四阶段工作面遇断层构造，工作面俯采向下找煤，⑤第五阶段为工作面正常回采阶段。

图3 和图4 分别为不同时期5302 工作面微震事件平面图和走向剖面图，由图中可见，如图3（a）和图4（b）在工作面回采初期图由于工作面采空面积较小，工作面附近区域的微震事件较少，而SX82 陷落柱附近区域存在明显的微震事件集中现象，在9 月29 日之后SX82 陷落柱附近区域微震事件集中现象消失，表明9 月29 日之后陷落柱活化运动停止。如图4 在回采初期，高能微震事件的发生高度为顶板以上40m，其后随着工作面的不断推采，采空区面积的变大，微震事件逐步发育至煤层顶板以上60m 位置，没有进一步向上发育。根据微震事件的平面和剖面分布图可见，在工作面附近区域的微震事件的发生主要是由于工作面的回采扰动而产生，因此微震事件发生的位置相对集中（尤其是103J 以上微震事件）；而陷落柱和向斜构造的影响范围大，因此微震事件在这两个区域的分布相对分散。

图3 微震事件平面图

图4 微震事件走向剖面图

随着工作面两侧进尺的偏差不同，微震事件的分布也随之变动。8 月31 日至10月1 日，53023 巷进尺快于53021 巷，微震事件主要分布在53023 巷一侧；10 月2 日至10 月12 日，53021 巷进尺快于53023 巷，微震事件向工作面中部集中；10 月13日至11 月2 日，53023 巷进尺快于53021 巷，微震事件再次集中在53023 巷一侧；（4）11 月3 日至11 月19 日，两条巷道的进尺偏差较小区域平稳，微震事件在工作面两侧均有分布；11 月20 日至11 月23 日，53023 巷进尺快于53021 巷，微震事件又集中至53023 巷侧；11 月24 日至11 月30，53021 巷的进尺提升明显，导致微震事件（尤其是103J 微震事件）向53021 巷侧集中。并且从12 月1 日至12 月20 日，微震事件最新的分布变化可见，工作面两侧的回采速度差仍是影响微震事件分布的主要因素，受两侧不均匀推采的影响103J 以上微震事件主要集中在工作面两侧（在两侧推采速度差较小时，103J 微震事件会出现在工作面中部区域）。

图5 为距离工作面不同位置微震事件频次分布图和能量分布图，由图中可见微震事件峰值位于工作面前方140m-160m 范围内，微震事件能量主要集中在工作面前方120m-160m 内释放，因此工作面前方120m 至160m 区域为煤岩体剧烈破裂的区域。

图6 为基准倾向方向微震事件频次和能量分布图。由图中可见，微震频次峰值位于53203 巷道向工作面内部20m 处（60m 处为第二峰值处），并且此处的微震事件能量释放也相对集中。同时在53021 巷处（320m 位置）也存在一能量峰值，因此处微震事件数量相对较少，可知该处微震事件多为大能量事件。

图5 距离工作面不同位置微震事件频次分布图（走向）

图6 倾向方向微震事件分布统计图

图3-9 微震事件能量频次图Fig.3-9 Micro-seismic event energy frequency diagram

图3-10 微震事件频次与推进度关系图Fig.3-10 Relationship between the frequency of microseismic events and propulsion

图3-11 微震事件能量与推进度关系图Fig.3-11 Relationship between energy and propulsion of microseismic events

2.微震活动时序分析

为了分析工作面回采工作面对微震事件发生的影响，选取切眼前方350m 范围内的微震事件进行分析（该区域内共发生微震事件995 个），图3-9～图3-11 分别是微震事件能量、频次和推进度关系图。在10 月19 日之前由于微震事件数据量较少，因此，三个因素之间没有明显的规律。

10 月25 日至11 月10 日，微震频次与工作面的推采强度呈现明显的相关性，随后相关性大幅减弱，可能是由于之后S3 号拾震器数据传输故障，导致一些能量较小的微震事件无法接收和有效定位。

在11 月15 日、25 日和30 日周期来压时期，微震事件能量存在三个明显的峰值，二者吻合度较高。因此在12 月4 日和12 月10 日分别出现的微震能量峰值可推测为此时工作面周期来压。

3.大能量微震事件分布分析

截止2019 年12 月20 日5302 工作面103J 以上微震事件分析可见，在工作面当前开采可能影响区域区域（图中红色框）微震事件主要集中在工作面两侧的顶底板内，工作面中部区域微震事件明显少于工作面两侧区域。由于该区域并未存在异常地质构造，因此分析认为造成此种现象的原因主要有以下两个：一是工作面机头和机尾推进速度差较大，导致工作面两侧区域煤岩体破裂极不均匀。二是工作面中部的底抽巷影响了工作面的应力分布状态，使得工作面中部的应力向两侧转移。

由以上分析可以看出，长平矿5302 工作面微震事件具有以下特征：

（1）陷落柱、向斜等构造是影响长平矿5302 工作面微震事件发生的主要因素，构造因素影响范围广，会存在一个活化-稳定-活化-再稳定的，循环运动过程。

（2）工作面回采对微震事件的发生影响范围较小，微震事件的位置相对集中。

（3）5302 工作面两侧回采进尺的不同，对微震事件的分布影响较大，为避免某些岩层的突然、大面积破裂应降低两侧的速度差。

（4）微震事件的发生在工作面回采正常时通工作面的推采速度存在一定的相关性。

（5）工作面前方120m 至160m 区域为煤岩体剧烈破裂的区域。

4.微震事件与工作面来压的相互关系

根据微震事件分析结论，微震事件峰值发生在9 月24 日、10 月2 日、10 月8 日、10 月19 日、11 月2 日、11 月19 日、11 月25 日、11 月30 日，对应以上时间内工作面矿压情况如表2 所示。由统计结果可以看出，微震事件峰值时间与工作面来压时间完全一致，仅有个别震源距来压范围较远，但由于震源层位较高，普遍在40m以上，该位置顶板活动影响范围较大，与来压位置较远亦属正常现象。

三、小结

本文通过微震监测系统对工作面顶板岩层移动规律进行监测，基于工作面推进过程，将工作面回采分为五个阶段，第一阶段为工作面推进前10m 的沿顶推进阶段；第二阶段为工作面由10m 推进至机头30m、机尾50m 的卧底过渡阶段；第三阶段为工作面沿底板推进阶段；第四阶段工作面遇断层构造，工作面俯采向下找煤；第五阶段为工作面正常回采阶段。主要得到以下结论：

1.在回采初期，高能微震事件的发生高度为顶板以上40m，其后随着工作面的不断推采，采空区面积的变大，微震事件逐步发育至煤层顶板以上60m 位置，没有进一步向上发育。

2.根据微震事件的平面和剖面分布图得出，工作面的回采扰动对微震事件的影响较大，因此微震事件发生的位置相对集中（尤其是103J 以上微震事件）；其次，陷落柱和向斜构造的影响范围大，因此微震事件在这两个区域的分布相对分散。

3.通过微震事件频次分布图和能量分布图，由图中可见微震事件峰值位于工作面前方140m-160m 范围内，微震事件能量主要集中在工作面前方120m-160m 内释放，因此工作面前方120m 至160m 区域为煤岩体剧烈破裂的区域。

4.根据微震频次与工作面的推采强度呈现明显的相关性，并且通过微震能量峰值可推测工作面周期来压的时间。