基于微震监测的孤岛工作面冲击地压防治实践

2023-11-14路亚军吕经超白超强

煤矿现代化 2023年6期

路亚军，吕经超，白超强

（1.兖矿能源集团股份有限公司兴隆庄煤矿，山东兖州 272100；2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京海淀 100083）

0 引言

随着煤炭资源开采深度和强度的增大，冲击地压的发生频率和强度也在日益上升。冲击地压的发生与否主要受地质和开采技术因素的影响，而后者中最危险的即为孤岛煤柱[1]。孤岛工作面的形成往往是矿井为避免接续紧张采用跳采所导致的[2]。受边界条件影响导致其覆岩运动复杂多变[3]，三侧采空的孤岛工作面覆岩空间结构为“C”型，在工作面横向剖面上，覆岩空间结构表现为“T”型[4]；而顶板结构类型决定覆岩向煤体传递应力的机制，从而影响孤岛工作面应力集中程度及其分布方式，如三侧采空的孤岛煤柱会形成围绕工作面的反弧形高应力和弹性能集中[5]，孤岛工作面超前支撑压力影响距离为普通工作面3～5 倍等[6]，普遍表现为孤岛工作面支撑压力大。且回采过程中上覆岩层的弯曲和破断，对应着岩层弹性能的积聚和释放，煤体在高应力环境下受到扰动易失稳，极易发生冲击地压[7，8]。

本文以兴隆庄煤矿10304 孤岛工作面为背景，分析回采过程中的微震信息，研究震动发生的层位和破断形态以及微震发生的主控因素，揭示采掘引起的覆岩运动规律。

1 工程概况

兴隆庄煤矿10304 工作面埋深352.2～555.3 m，工作面宽179.5～226.6 m，走向长2291.4 m。工作面切眼以70 m 井田边界保护煤柱为界与东滩矿相邻，切眼下方为采区水仓；两侧顺槽与采空区之间均留设窄煤柱，运顺侧煤柱随回采逐渐变宽（2～6 m），轨顺侧煤柱随回采逐渐变窄（10～5 m）；同时有多条巷道位于工作面下方并形成老巷群，工作面平面布置如图1 所示。

图1 10304 工作面平面位置示意图

工作面所采煤层为山西组底部3 煤，煤层平均厚度为8.85 m，普氏硬度f=2.3。基本顶为中砂岩，平均厚度为11.50 m，硬度系数f=6.0～9.0，顶底板条件见表1。

表1 10304 工作面煤层顶底板条件

表2 微震事件统计表

2 冲击地压防治及监测措施

10304 工作面为一典型孤岛工作面，其西侧10305 工作面、东侧10303 工作面以及切眼正对应的14310 工作面均已回采完毕，受采空区侧向支撑压力影响，工作面内应力集中程度较高，如图2 所示，最大应力集中系数可达1.62。

图2 10304 工作面竖向应力分布图

孤岛工作面回采过程中，上覆岩层运动剧烈，工作面在高应力环境下容易发生冲击地压，造成煤体突出。因此，工作面对冲击危险区域的防治以避免高应力集中为目的，主要采取煤体大直径钻孔卸压方案，如下所述：

1）预卸压：工作面对于冲击危险区域施工大直径预卸压钻孔，始终保持超前工作面250 m，直径150 mm，弱冲击危险区域间距3 m（中等2 m），孔深25 m，共计施工1 828 个，累计45 700 m。

2）解危卸压：监测区域异常时，在原大直径钻孔之间增加一个大直径钻孔，加密卸压孔进行解危卸压，钻孔φ150 mm，孔深30 m，直到解除冲击危险。

工作面冲击地压监测预警采用微震、应力在线、钻屑法、支架工作阻力在线监测等相结合的方法。微震监测通过在工作面1 500 m 范围内布置6 个拾震器实时接收岩层微震信号，并随着工作面推采，对部分拾震器位置进行了优化，确保拾震器对工作面形成包围，使监测数据真实、有效，拾震器布置见图3。

图3 拾震器布置图

3 监测数据分析

3.1 数据采集

1）支架阻力在线监测。工作面回采期间共来压140 次，基本顶初次来压步距为36.5 m，周期来压平均步距为16.38 m，周期来压时平均支架加权末阻力为7 078.2 kN，回采期间工作面平均支架工作阻力为6 346.27kN，动载系数为1.12，属来压不明显型。

2）钻屑法及应力在线监测。工作面回采期间共施工钻屑法检测钻孔4316 个，所有检测数据正常，煤粉量大部分在（2.1～4.0）kg/m 之间，最大煤粉量为5.1 kg/m，低于预警指标（6.2 kg/m）；应力在线监测最大应力值为12.6 MPa（预警值为15 MPa），均未出现预警现象，表明大直径钻孔卸压作用效果良好，煤体高应力集中得到缓解。

3）微震监测。工作面回采期间总微震次数为44285，其中工作面附近震动以小能量震动事件为主，1 000 J 以下震动事件占比92.7%，大于10 000 J的大能量事件共2 次，占比仅0.004 5%。

通过震源的空间分布和演化特征，可进一步研究震动发生的层位和破断形态以及微震发生的主控因素等，能揭示采掘活动引起的覆岩运动规律。通过对工作面微震数据整理，可将工作面回采分为3 个阶段进行分析，即初采阶段、见方阶段、老巷群影响阶段，如下所述。

3.2 数据分析

3.2.1 初采阶段

工作面回采初期，微震活动频率较低，其分布除受本工作面顶板活动影响外，还受相邻采空区顶板活动、与东滩煤矿14310 采空区间不规则煤柱区、断层活化、十采水仓围岩活动影响。

由平面图可知，微震活动多分布于采动影响区域，如不规则煤柱、相邻10303 采空区等。不规则煤柱在工作面回采前受三侧采空影响，其内部应力集中程度较高，工作面回采后其内部应力进一步调整，微震活动集中；同时10303 采空区侧的微震活动多于10305 采空区侧，一方面是由于10303 采空区内NF6 断层受回采扰动影响后活化，围岩处于不稳定状态，另一方面是10303 采空区与10304 工作面间留设煤柱宽度逐渐缩小，应力集中程度较高。

由剖面图可知，煤层下方岩层的微震活动多于上覆岩层。回采初期采掘活动引起工作面下方采区水仓围岩运动，下方岩层进一步破断导致应力重新调整，而随工作面推进，逐渐远离十采水仓的影响范围时，微震活动从-550 m 范围向-500 m 范围的更高位底板转移；同时上覆岩层的微震活动大多集中在直接顶、基本顶以及上覆细粉砂岩互层，约在煤层上方30 m 范围，回采初期围岩扰动程度较小，未引起自身及相邻采空区更高位顶板的破断。

图4 10304 工作面初采阶段微震平面和剖面定位图

3.2.2 见方阶段

工作面推进至270～370 m 位置时处于工作面一次见方区域。此阶段微震活动明显增加，尤其是大于1.0E+3J 以上的大能量微震事件由每月39 次增加至每月174 次，总能量也随之大幅上升，受一次见方及周期来压等引起的上覆50 m 范围内顶板持续运动、破断，导致该阶段发生的微震事件大部分集中于10304 工作面内；当工作面远离一次见方区域时，其微震活动也明显减弱，大能量微震事件频次及总能量均有所下降。一次见方前后对比可知，该阶段主要受一次见方及周期来压引起的低位顶板活动影响，其微震活动分布逐渐从底板向煤层及顶板靠拢。

图5 10304 工作面一次见方阶段微震平面和剖面定位图

工作面推进至520～620 m 时处于二次见方阶段，顶板出现反复破碎现象，相对于该阶段的顶板活动程度，一次见方阶段工作面顶板并未出现大范围掉顶、见矸情况，大能量微震频次由每月64 次增加至每月241 次，说明受二次见方影响上覆岩层的活动更为剧烈，危险程度更高；二次见方对比一次见方可知，微震活动明显积聚于工作面推进位置附近，基本完成向工作面内部的转移，仅有少部分微震活动分布于两侧采空区，表明二次见方对工作面本身覆岩的影响程度明显强于临近采空区覆岩的影响。

图6 10304 工作面二次见方阶段微震平面和剖面定位图

3.2.3 老巷影响阶段

工作面推进至795～895 m 时处于老巷超前应力影响区域，工作面前方超前支承压力本身处于较高水平，同时受回采扰动的影响，底板老巷群围岩逐渐趋于不稳定状态，加之后方及侧方采空区顶板的剧烈运动甚至破断，运输顺槽侧10305F3 断层进一步活化，使得工作面围岩整体性及稳定性遭到破坏，大能量微震事件由206 次激增至756 次，总能量也明显上升一个能级。由剖面图可知，该阶段微震活动分布集中在煤层、上覆岩层50 m 范围及下方老巷群附近，未有向更高层位发展的趋势，同时煤层下方的微震事件多于其上方的，说明该阶段老巷群超前支承应力及围岩活动的影响强于三次见方对顶板活动的影响。