基于微震监测的煤岩破坏与瓦斯涌出关系研究

侯 俊

(山西焦煤集团有限责任公司 安全生产管理中心，山西 太原 030024)

随着矿井开采深度的不断增加，矿井瓦斯含量和瓦斯压力逐步增大，瓦斯涌出量也逐渐增大，增加了瓦斯治理难度。探究瓦斯涌出来源及规律对做好瓦斯治理工作有着重大意义[1].目前，微震监测技术被广泛用于煤矿安全管理中[2-5].在煤层开采中，可以根据微震事件能量变化间接反映工作面煤体应力变化和瓦斯涌出情况[5].李文福等现场试验结果表明，采用微震监测技术探测瓦斯富集区是可靠的[6].本文将结合前人的研究成果，利用微震监测技术对高瓦斯综放面煤岩破坏影响瓦斯涌出的情况进行研究。

1 工作面概况

东瑞煤矿3号煤层赋存稳定，煤厚约为5.99 m，顶板以泥岩、粉砂质泥岩为主，底板以黑色泥岩、粉砂岩为主，基本底主要是中细粒砂岩。S2205工作面可采走向长度为1 204 m，倾斜长度为265 m，采高为3.8 m，综放开采，共安设支架176台。

2 监测工作面煤岩破坏

采煤工作面因掘进和回采的影响，破坏了原岩应力的平衡状态，重新分布应力，若一部分岩层所受的应力大于自身的强度，岩体会开始断裂甚至垮落下沉同时形成微震(应力波)。微震监测系统可以定义为借助在采场周围布置传感器(主要为拾震器或检波器)，连续不间断24 h采集微震信息，另外基于震动定位机理，判断岩体发生破裂的三维空间区域，也可利用震源机理研究岩体破裂性质和尺寸，为分析采场裂隙演化规律及上覆岩体空间破坏冒落形态提供有效的方法[7-8].将ARAMIS M/E微震监测系统应用于东瑞煤矿S2205工作面，当工作面推进165.8 m时，微震事件分布情况见图1.

岩体发生煤岩破坏与微震之间的关系是必要非充分条件，就是煤岩体发生微震现象不一定意味着煤岩体发生破坏，但是煤岩发生破坏一定会伴随微震现象。

根据微震事件频数、能量及距离的1～4阶差分变化规律可准确预测预报煤岩破坏。如果发生微震事件密集度增大、连续贯通的现象，意味着煤岩发生破坏，如果仅发生单一的微震事件，并不表示煤岩体已经发生破坏。

由图1a)发现，根据微震事件的分布规律得到，煤岩体发生失稳破坏的区域主要位于工作面前方煤体10～50 m，沿着工作面走向，较大能量的微震事件主要集中在工作面前方煤体10～30 m.同时，在工作面采空区也存在一部分微震事件，可得到在工作面回采阶段，煤层顶底板开始失稳断裂或破坏，最终垮落形成采空区。从图1b)发现，在煤层顶底板岩体分布着大量的微震事件，且在煤层顶板中出现微震事件的数量明显大于底板，然而微震事件相对较少发生在煤层中。结合微震事件分布的规律，能大致获得工作面顶底板失稳破坏范围，顶板的破坏高度在10～60 m，顶板以上30 m微震事件分布最为集中；底板的破坏高度在0～30 m，底板以下10 m内微震事件较为集中。

图1 微震事件在工作面分布情况图

通过微震事件的统计数据得到，在煤层顶板的基本顶破坏断裂之前发生少量的微震事件，当基本顶开始破坏，微震事件突然增加，伴随事件频数多、密集度增大、能量高，基本顶破坏结束，微震事件突然减少，伴随着事件频数减小、能量降低；工作面不断向前回采，微震事件的发生频数、密集度及能量高低发生周期性变化规律。利用微震监测方法，可大致获得基本顶发生周期性失稳破裂的时间及区域。

3 煤岩破坏与瓦斯涌出关系

因为发生微震事件的数量和释放的能量表示了工作面煤岩破坏情况，所以通过研究微震事件和瓦斯涌出的关系，能掌握煤岩破坏对瓦斯涌出的影响。将监测微震期间的统计数据与工作面的最大瓦斯涌出量和平均瓦斯涌出量进行对比分析，4月10日—4月24日微震事件数量、微震事件发生能量、最大瓦斯涌出量和平均瓦斯涌出量变化情况见图2，图3.

图2 微震事件数量与瓦斯涌出之间关系图

图3 微震事件发生能量与瓦斯涌出之间关系图

从图2，3发现，工作面的瓦斯涌出量与微震事件的数量及能量大小的分布都具备一定的周期性。瓦斯涌出量随着微震事件发生数量的升高而相应增大，当发生微震事件数量达到最大值阶段，瓦斯涌出量继续升高，但2天后迅速减少，微震事件发生数量的最大值要超前于瓦斯涌出量的最大值。伴随煤岩体破坏不断加强，瓦斯涌出量在逐步升高，但瓦斯的大量涌出要滞后于煤岩的完全破坏1个班，所以借助微震监测手段能间接预估瓦斯涌出情况。

4 结 论

1)根据研究结果得到工作面周期来压的到来一般比微震事件峰值出现时间略晚，比瓦斯涌出量峰值出现时间略早。根据微震事件的能量、个数及频数来判断工作面来压规律和瓦斯涌出规律。

2)在东瑞煤矿S2205工作面来压之前，微震事件的能量和数量发生明显升高；微震事件的数量和能量在周期来压完成之后开始下降，并逐步趋于正常；随着煤岩破坏的增加，工作面瓦斯涌出量在不断升高，且瓦斯大量涌出比煤岩的充分破坏要推迟1个班。