基于微震数据反演分析的煤矿工作面突涌水危险性评价

穆永刚

(山西鑫飞能源投资集团有限公司 山西 吕梁 033300)

经过大量的研究,突涌水地压发生机理已趋于清晰。从力学本质上讲,突涌水地压是特定地质赋存条件下的煤岩体系统由于采矿活动在变形破坏过程中能量的稳定态积聚、非稳定态释放的非线性动力学过程,是其外部荷载环境、内部结构、构造及其物理力学性质的综合反映,具有明显的时空演化特征[1]。在丰富的发生机理理论研究基础上,进一步推进了突涌水地压的预测预警机制研究。

而突涌水地压的准确监测预警可为现场采取措施避免灾害的发生提供依据[2]。目前国内外现场应用最多的突涌水地压监测预警方法主要有:电磁辐射法、微震法、地音法、应力监测法及钻屑法[3-7]。钻屑法和应力监测法属于接触式探测方法,需要进行钻孔工程,打钻费时费力,而且限于钻孔数量,探测范围十分有限。目前国内外常用电磁辐射法、微震法和地音法(声发射)等非接触式的突涌水地压监测技术手段进行突涌水地压的监测预警。微震法和地音法通过在顶板、煤层和底板中布置探头(或拾震器)并实时采集煤岩体在应力作用下发生破坏而产生的应力波,可实时接收并保存煤岩震动信号,从而为突涌水地压危险预测提供基础数据。

山西某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,具有一定的突涌水危险性,采掘过程中,突涌水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突涌水活动规律及防治方案进行总结,为后续研究并建立适合矿井的突涌水管理体系、规划体系、评价体系、监测体系、防治设计体系、效果检验体系相结合的“六位一体”的防治体系提供技术支撑,并指导矿井下一步防冲工作。

1 工作面概况

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工作面、40107工作面、40109工作面、40111工作面,采区内顺序回采。40111工作面为第4个回采工作面,即最后一个回采工作面,具体工作面布置如图1所示。

图1 40111工作面布置示意

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48 m,南侧为西部大巷保护煤柱,上覆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20 m.4煤层上距4上煤层0.80～45.55 m,平均17.05 m.4上煤层平均厚度2.88 m,4 煤层厚度平均为11.65 m,二者均为弱突涌水倾向煤层,其顶板均具有弱突涌水倾向,但 4上煤层埋藏更浅,且厚度更薄,为便于4煤层的巷道维护和突涌水地压防治,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,造成诱发突涌水地压的能量源头,直接影响突涌水的作用机制。

2 微震监测方案设计与布置

2.1 微震监测原理

微震监测系统的主要功能是对全矿范围进行突涌水地压的预测预报,是一种区域性监测方法。系统自动记录微震活动,实时进行震源定位、微震能量计算和防治措施评估,为评价全矿范围内的突涌水地压危险提供依据。

2.2 微震监测方案布置

在40111工作面内,微震系统至少布置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。微震监测系统的布置原则为:探头之间距离200～500 m,探头与拾震器之间的距离500～800 m.地音监测系统的布置原则为:探头成对使用,相互距离80 m,距离工作面不小于 30 m.微震探头布置方案如图2所示。

图2 40111工作面回采期间微震布置图

图3 微震活动垂直方向活动统计

2.3 微震预警指标

微震监测指标常用于表征岩体损伤,通过不断进行工程实践,并结合实际矿井开采条件,确定适合本矿自身条件的微震监测的阈值。确定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。按监测预警等级将突涌水地压危险状态分为 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:①正常生产;②正常生产,加强监测;③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;④停止生产,人员撤离危险地点,待危险等级降至c级或分析其它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,具体的突涌水地压危险的微震监测预警指标如表1所示。

表1 突涌水地压危险的微震监测预警指标

3 微震活动规律分析

3.1 微震事件发生基本情况

40111工作面微震事件周期选取2020-07-18—2021-08-31整个回采期间,40111工作面共推进约1 745 m.对该期间40111工作面范围的微震数据进行分析,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均小于4次方,特征上总体表现为高频次、低能量。“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月、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、走向和垂向三个方面进行分析。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范围内;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面前-100～350 m范围,2021年6月9日工作面累计推采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面前-100～100 m范围。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。

将微震活动的Z坐标做统计分析,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。其一,工作面面前-200～300 m范围内的微震事件在垂向上发生在煤层底板至其上方60 m范围内;其二,工作面面前0～300 m范围内的部分微震事件在垂向上发生在煤层上方80～200 m范围内;其三,工作面面前300～500 m范围内的微震事件在垂向上随着距离工作面的距离越远,影响的高度越低;其四,工作面面前0～250 m范围内的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范围,高位顶板的能量释放主要在工作面面前0～250 m范围,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,增高了工作面前方300 m范围内的突涌水危险性。

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4所示。

图4 40111回采工作面最大日进尺和平均日进尺速度曲线

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对应积聚和能量释放的频繁转换中,而在具有突涌水危险的情况下,这种波动状态开始加剧。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,开始具有突涌水危险性,而在下降阶段再回升或者下降阶段中出现较长时间的沉寂后,或者震动频次维持在较高水平时,突涌水危险性较高。

如图5所示,微震频次与能量基本呈正相关关系,但从3月份开始,微震频次及能量呈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。

图5 40111工作面月度微震能量与频次关系图

4 结 语

1) 通过分析40111工作面微震监测数据可知,4煤及4上煤层联合开采工作面初采初放期间总能量较低且震源分布较为分散。即使在工作面一次、双面和三面“见方”时期,日总能量仅保持在4次方,验证了开采保护层能起到显著卸压作用。

2) 统计40111工作面微震空间分布特征可知,采动煤岩体微震空间分布特征倾向上发生在工作面-180～180 m 范围内,走向上运回巷两侧微震事件超前工作面的距离基本相同,垂向上低位顶板的能量释放主要在工作面面前-200～300 m 范围,高位顶板的能量释放主要在工作面面前 0～250 m范围,揭示了诱冲规律。

3) 40111工作面推进速度与煤岩活跃程度的正相关性较强,微震频次和能量主要集中在面前-100～300 m范围,120 m位置达到峰值,当工作面回采至构造区域时,由于构造应力的影响,突涌水危险区域向构造区域转移。借助于现有的先进微震监测技术对其进行理论研究与数据前兆预警判识,确保安全高效生产。