基于微震数据反演分析的大佛寺煤矿40111工作面诱冲规律研究

2022-11-04赵森

现代矿业 2022年10期

赵森

（陕西彬长大佛寺矿业有限公司）

大佛寺煤矿采掘活动逐渐向煤层埋藏深部转移，存在地质构造异常区，且受煤柱宽度和回采扰动等开采因素影响，具有一定的冲击危险性，采掘过程中，冲击地压给矿井安全生产带来威胁。4上煤层作为4煤层的保护层进行开采，有必要在上覆煤层开采后对4煤层工作面回采期间冲击地压活动规律及防冲方案进行总结，为后续建立大佛寺矿井冲击地压管理和监测体系等提供技术支撑［1-4］。

1 工作面概况

1.1 矿井简介

陕西彬长大佛寺矿业有限公司隶属陕西煤业化工集团彬长矿业有限公司。矿井位于陕西省彬县和长武县境内，井田面积为71.293 1 km2，地质资源储量为10.6亿t，矿井采用斜井单水平开拓，主采侏罗系延安组4煤，局部开采4上煤层。矿井一期设计产能为3.0 Mt/a，2019年通过改扩建工程，生产能力提升至8.00 Mt/a。

大佛寺煤矿采用立井、斜井综合开拓，单水平开采，主水平标高为653 m，辅助水平标高为684 m。全井田共分为10个采区，分别为4煤的401、402、403、404、405、406采区，4上煤的411、412、415、416采区。

1.2 工作面布置

目前矿井采掘工作面分别位于401（411）、402（412）和403采区，4煤大巷将401采区分为东西两翼，两翼均已开采。40111采区西翼共设计4个回采工作面，即40105、40107、40109、40111工作面，采区内顺序回采，40111工作面为最后一个回采工作面。

40111工作面东部为4煤大巷保护煤柱，西部4上煤为41201工作面采空区，4煤为未采区（距采区边界18 m），北侧为40109工作面采空区，本煤层区段煤柱留设宽度为48 m，南侧为西部大巷保护煤柱，上覆为41106工作面采空区，回顺（上巷）内错13.1 m，运顺（下巷）外扩42.5 m，上下煤层层间距平均为20 m。大佛寺煤矿4煤层上距4上煤层0.80～45.55 m，平均为17.05 m。4上煤层平均厚度为2.88 m，4煤层厚度平均为11.65 m，二者均为弱冲击倾向煤层，其顶板均具有弱冲击倾向，但4上煤层埋藏更浅，且厚度更小，为便于4煤层的巷道维护和冲击地压防治，保护层应选择4上煤层，但在上下煤层工作面联合开采时应注意工作面切眼、停采线和区段煤柱的空间位置，避免或减小4上煤层开采后的应力增高区域对4煤层的影响。4上煤层开采后，其采空区底板应力重新分布形成应力卸压区，遗留区段煤柱处底板应力在侧向支撑压力及采动顶板共同作用下沿一定角度向底板深部传播并形成应力增高区域，下伏4煤层开采前，遗留区段煤柱下方被原岩应力等值线包络的区域应力将有一定集中，造成诱发冲击地压的能量源头，直接影响冲击地压的作用机制。

2 微震监测方案设计

2.1 微震监测方案

在40111工作面内，微震监测系统至少布置4个微震监测传感器（探头、拾震器），地音系统布置4个地音探头。微震监测系统的探头之间距离200～500 m，探头与拾震器之间的距离500～800 m。地音监测系统的探头成对使用，相互距离80 m，距离工作面不小于30 m。微震及地音探头布置方案如图1所示。

2.2 微震预警指标

当工作面监测预警出现以下情况之一时，工作面进入相应危险状态。按监测预警等级将冲击地压危险状态分为a、b、c、d共4种，采掘活动过程中针对不同危险等级采取对应的应对措施：a为正常生产；b为正常生产，加强监测；c为停止生产，人员撤离危险地点，开展解危措施，检验结果低于临界值，确认危险解除后恢复生产；d为停止生产，人员撤离危险地点，待危险等级降至c级或分析其他监测手段无危险后采取解危措施，检验结果低于临界值，确认危险解除后恢复生产。具体的冲击地压危险的微震监测预警指标如表1所示。

注：E max表示所监测到最大微震能量大小；∑E表示累计能量。

3 微震活动规律分析

3.1 微震事件发生基本情况

40111工作面微震事件监测周期选取2020年7月18日—2021年8月31日整个回采期间，工作面共推进约1 745 m。该期间工作面范围内共有38 131个有效微震事件，总能量为1.8×107J，平均能量为4.6×102J，最大能量为8.7×103J。

40111工作面回采期间微震事件能量级别均小于“4次方”，特征上总体表现为“高频低能”的能量释放形式，主要由于回采前和回采中采取的大量卸压措施在煤层内形成大量裂隙，导致能量逐渐释放。“3次方”微震事件大部分发生在工作面末采期间（2021年7—8月），相比其他回采工作面，证明了4上煤41106工作面保护层的开采起到了较好的卸压作用。

3.2 微震事件空间分布特征

40111工作面回采期间微震事件空间分布特征从工作面倾向、走向和垂向3个方面进行分析。40111工作面回采期间微震事件在回顺和运顺的分布规律有着明显的特征，40111工作面微震事件在倾向上基本均匀分布，以倾向中心为零点，在工作面-180～180 m；运回巷两侧微震事件超前工作面的距离基本相同。

从工作面开始回采至2021年6月9日，微震事件主要集中在-100～350 m，工作面累计推采1 473 m，距离4上煤41106停采线267 m，后续随着工作面的回采，微震事件发生范围缩小，主要表现为采动超前影响范围减小，距离41106工作面停采线越近，微震事件越向工作面方向集中，直至工作面回采末期，40111工作面微震事件主要集中在-100～100 m。结合现场工作面布置和回采情况分析，截至2021年6月9日，工作面累计推采1 473 m之前，40111工作面在41106采空区下方回采时，顶板应力提前得到释放，40111工作面在失去保护层条件下开采，微震事件向工作面方向移动，且发生的微震范围较为集中。

40111工作面在整个回采过程中微震活动在垂直方向上主要表现为4种特征。（1）工作面面前-200～300 m微震事件在垂向上发生在煤层底板至其上方60 m范围内；（2）工作面面前0～300 m部分微震事件在垂向上发生在煤层上方80～200 m；（3）工作面面前300～500 m的微震事件在垂向上随着距离工作面越远影响的高度越低；（4）工作面面前0～250 m部分微震事件在垂向上发生在煤层底板下方40 m范围内。

由上述分析可知，40111工作面回采期间低位顶板的能量释放分布方位较广，主要在工作面面前-200～300 m，高位顶板的能量释放主要在工作面面前0～250 m，高位顶板能量的提前释放，能够降低工作面附近顶板垮落时释放的动载荷，同时，高位顶板提前以大能量释放时，增加了工作面前方300 m范围内的冲击危险性。

3.3 40111工作面微震事件与推进度关系分析

40111工作面于2020年7月18日开始生产，从2020年8月1日开始统计，于2021年8月31日回采完毕，回采长度1 754 m。现将回采过程中每月回采速度、最大日进尺和平均日进尺曲线图汇总如图2所示。

一般情况下，回采工作面的推采速度与能量释放量和释放频次成正比例关系，推采速度越快，能量释放和频次就越多。岩体中能量的释放总是处于一种波动状态，震源总能量变化趋势首先经历一个震动活跃期，之后出现较明显的下降阶段，开始具有冲击危险性，而在下降阶段再回升或出现较长时间的沉寂现象以及震动频次维持在较高水平时，此时冲击危险性较高。

如图3所示，微震频次与能量基本呈正相关关系，但从3月份开始，微震频次及能量出现明显大幅度增加的趋势，主要原因为该阶段微震监测系统数据采集模块及定位软件能量算法进行了升级，升级后微震系统识别震动信号的敏感度及有效性大大增加，同时微震事件能量整体上也有所增加。