高瓦斯煤层覆岩空间破裂微震探测及应用

2021-03-29李文福徐文杰吴志强

煤炭工程 2021年3期

李文福，贾佳，徐文杰，吴志强

(安阳鑫龙煤业主焦煤矿，河南安阳 455141)

瓦斯灾害是煤矿安全生产的“第一杀手”[1]，为了保障高瓦斯矿井安全可持续生产，就必须对瓦斯气体进行治理，防患于未然。而矿井在开采过程中，由于原始地应力遭到破坏，导致煤岩体发生破坏、断裂等现象，从而引起应力的重新分配，在这个过程中积累在煤层中的瓦斯气体被大量释放出来，并通过煤岩体应力重新分配过程中形成的大量裂隙升浮扩散至采动裂隙带中，形成瓦斯积聚现象，从而造成瓦斯隐患[2-5]。针对卸压瓦斯的抽采，学者们进行了大量有价值的研究及实践[6-19]。虽然巷道法、钻孔法和综合抽采法是最为常见的卸压瓦斯抽采方法，但是采用巷道法治理瓦斯时存在较多问题，无论岩石巷道还是煤层巷道在掘进过程中都需要大量资金和人力物力的投入，且巷道法也存在瓦斯治理效率低的问题，而采用钻孔法则可大大节省瓦斯治理成本，提高瓦斯治理效果。为了解决主焦煤矿瓦斯隐患，采用微震探测技术对工作面回采过程中的覆岩活动规律进行监测记录，并通过对微震事件分析得到采动裂隙带范围，进而得到高位瓦斯富集区，并据此对高位瓦斯抽采钻孔进行优化设计。

1 工作面概况及钻场布置范围计算

1.1 工作面概况

安阳主焦煤矿2308工作面是23采区北翼最下部的工作面，东部为23采区边界，西部为23采区设计2306工作面(尚未掘进)，南部为23采区轨道、皮带、回风三条下山，北部为西保障村庄保护煤柱，井下标高为-401.41～-466.485m。该工作面上巷长686m，下巷长671.6m，切眼长140.3m，可采平面积约78281.5m2。煤层平均倾角14°，平均厚度5.67m，采高2.2m。根据2018年瓦斯等级鉴定主焦煤矿属高瓦斯矿井。

1.2 冒落带和断裂带高度计算

由文献[20，21]可知：冒落带和断裂带的计算公式如下所示：

式中，H1为冒落带高度，m；H2为断裂带高度，m；h为采高，m；k为垮落岩石的平均碎胀系数；α为煤层倾角，(°)；a，b，c分别为待定常数。

待定常数a，b，c的取值见表1。

表1 a，b，c取值

1.3 钻孔垂距合理范围

根据对相关文献的大量阅读，学者们认为高位钻孔垂距应当满足如下公式：

(3)

式中，H为高位钻孔的垂距，m；H2为断裂带高度，m。

根据主焦煤矿2308工作面的基本情况可知，该工作面采高为2.2m，冒落带岩石平均碎胀系数为1.3，煤层倾角为14°，煤层覆岩主要以中硬岩石为主。因此将已有参数代入上述公式可得：冒落带高度为7.6m，裂隙带高度为25.3～36.5m，因此高位钻孔垂距最合理的范围为：7.6m

2 微震监测方案及微震事件分析

2.1 微震监测方案

主焦煤矿2308工作面微震监测系统主要由主机系统、传感器和采集仪三部分组成，通过对2308工作面长度、进风巷、回风巷和采高等基本情况的考察和研究，制定了该工作面微震监测方案。此次微震监测试验主要采用八台采集仪，并将其分为两组，轮流监测并采集数据。

此次微震监测试验将在2308工作面进风巷及回风巷分别布置两台采集仪，每台采集仪对应两个传感器，两巷中传感器超前工作面40m开始布置，每个传感器之间的距离为15m。在监测过程当中，当工作面推进30m，即距离传感器10m的时候，将两巷距离工作面最近的采集仪及其对应的两个传感器向后移动，且仍保持各个传感器的间距为15m，以此循环直至微震监测活动结束，如图1所示。

图1 2308工作面微震监测系统布置

2.2 微震事件活动规律分析

通过对主焦煤矿2308工作面覆岩的微震事件进行监测记录，并利用该系统的数据处理软件对2308工作面当中及周围微震事件进行过滤处理，剔除误差较大的点，最终发现该工作面的微震事件主要集中在采空区、两巷、煤层及其顶底板。经过对此次微震监测数据的全面分析发现，微震监测过程中共产生四次周期来压，周期来压步距大约为14m，为了分析每次周期来压过程中微震事件的活动规律，选取监测过程中的一次周期来压数据进行具体分析。主焦煤矿2308工作面推进4m，8m，14m时的微震事件如图2—图4所示。

由图2可知，当主焦煤矿2308工作面累积推进4m的时候，采空区顶板出现较多微震事件，分布高度基本集中在10m以内，同时工作面前方煤层顶板也出现了部分微震事件，分布高度在5m以内。从微震事件倾向分布图中可以看出，微震事件基本集中在工作面、采空区及两巷上方。

图2 回采4m时微震事件分布

图3 回采8m时微震事件分布

图4 回采14m时微震事件分布

由图3可知，当主焦煤矿2308工作面累积推进8m的时候，采空区微震事件明显增多，分布高度基本在20m以内，工作面前方煤壁及煤壁顶板也新增了大量的微震事件，部分高度主要集中在15m以内，同时从微震事件的倾向分布图中可以看到，较图1相比，工作面、采空区及两巷上部微震事件均有增多。

从图4中微震事件的分布情况可知，当主焦煤矿2308工作面累积推进8m的时候，微震事件急剧增加，从微震事件分布走向图可知，采空区及工作面前方煤壁微震事件大幅度增多且向上发展，最终微震事件发育高度可达到38m左右，从微震事件的倾向分布图中可知，两巷上方微震事件以直线增长的形式向上方延伸至38m处。

2.3 上覆岩层活动规律分析

根据对上述微震事件分布特征的分析可知，当工作面累积推进4m的时候，采空区出现部分微震事件且向上部衍生10m左右，表明采空区顶板出现部分断裂破坏现象，但是没有出现大面积破坏，工作面前方煤层也出现也出现也不同程度的破坏现象，而煤层底板只出现了个别微震事件，表明工作面推进4m时煤层底板基本完好。

当2308工作面持续推进8m的时候，采空区微震事件持续增加，且高度衍生至采空区顶板20m左右位置处，表明此时的采空区已经出现了较多处的破坏断裂现象，且破坏不断向上发展，而工作面前方煤层及其顶板也出现了大量的新破坏，其高度延伸至煤层顶板10m处。同时发现两巷上部微震事件持续增多，这是因为工作面回采过程中，两巷处于应力集中区域，在高应力作用下导致两巷上部煤层岩层发生剪切破坏，进而出现大量裂隙。

当2308工作面持续推进14m的时候，整个2308工作面新增大量微震事件，采空区、工作面前方煤壁及其顶板出现大面积破坏，且破坏高度直接延伸至上覆岩层38m左右；两巷处由于裂隙上移且与采空区顶板离层裂隙相互沟通，最终形成了“裂隙沟通带”，随着采面的推进，煤层中的原始瓦斯则源源不断地被解析出来，最终通过“裂隙沟通带”升浮扩散至裂隙带中，形成瓦斯富集区。而工作面前方则由于支撑压力作用使得破坏现象主要集中在80m范围内，且该范围会随着工作面的持续推进而继续向前发展。从微震事件的分布特征及增加趋势明显可知，此时2308工作面产生大面积来压现象，即工作面推进14m时为一个周期来压。

综上可知，主焦煤矿2308工作面煤层开采过程中周期来压步距为14m左右，采动裂隙带高度在38m左右，矿井开采过程中卸压瓦斯主要积聚于此，因此可通过上覆岩层裂隙带的高度及周期来压步距等对高位瓦斯抽采钻孔的布置方式进行设计。

3 高位瓦斯抽采钻孔优化设计及瓦斯抽采效果检验

3.1 高位瓦斯抽采钻孔优化设计

通过经验公式及微震监测技术得到裂隙带的发育高度及周期来压步距，并结合矿井的实际开采条件及作业特点等，确定每隔60m设置一个高位钻场，钻场内共设计18个钻孔，其中6个钻孔为一排，共分三排。根据微震事件的分布特征，设计钻孔距开孔点最大垂距为30m，距回风巷里帮最大水平距为30m，钻孔布置如图5所示。

当5号钻场抽采失效后，由6号钻场的18个钻孔接力抽采，钻孔交错，以保证钻孔间互不干扰，立体式抽采采空区高位瓦斯富集区的瓦斯。

3.2 瓦斯抽采效果检验

优化后的高位钻孔施工成功并正常工作后，收集钻孔瓦斯抽采数据进行整理分析，发现优化后高位钻孔的瓦斯抽采效果显著，由于篇幅所限，选取较典型钻孔的瓦斯抽采数据和钻孔优化前的瓦斯抽采情况进行对比分析，以达到检验瓦斯抽采效果的目的。优化后的高位钻孔开始运行一个月内的瓦斯抽采情况如图6所示。

图5 高位钻场布置方案

图6 高位钻孔瓦斯抽采情况

由图6可知，所选钻孔的瓦斯抽采量为4.98～18.31m3/min，优化前钻孔的瓦斯抽采量为1.08～10.29m3/min，平均瓦斯抽采量提升了162%；所选钻孔瓦斯抽采体积分数在15.37%～26.27%之间，优化前钻孔的瓦斯抽采体积分数为2.19%～14.72%，平均瓦斯抽采体积分数提升了210%。由此可知，优化后高位钻孔的瓦斯抽采效果明显提升，表明以微震监测技术探测覆岩瓦斯富集区是可靠的。