工作面不同采宽与微震监测时空分布规律研究

2024-05-13高杰涛

煤炭与化工 2024年3期

高杰涛

（1.河北煤炭科学研究院有限公司，河北邢台 054000；2.矿井水害探测与防控国家矿山安全监察局重点实验室，河北邢台 054000；3.河北省矿井微震重点实验室，河北邢台 054000）

1 概况

针对目前开采中的采动活动实时监测难题，新集二矿引进河北煤科院KJ1073 微震监测系统，在220102 工作面开展了微震技术实时监测及预警研究。220102 工作面回采期间出现了采宽变化的特殊阶段，通过对不同采宽变化下顶底板围岩活动和底板破坏发育情况进行监测，分析了微震事件分布范围、发育情况及空间展布特征，对工作面采宽变化期间底板破坏特征进行监测，为工作面采宽优化和底板破坏规律研究提供技术支持。

新集二矿隶属于中煤新集能源股份有限公司，矿井于1996 年10 月投产，核定生产能力270 万t/a，水文地质类型为复杂型。回采1 煤组主要水害隐患为下伏奥陶系灰岩水。

新集二矿220102 工作面位于二水平西翼2201采区，为该采区第5 个回采接替工作面，开采的1上煤属矿井可开采煤层底层煤，距离奥陶系灰岩含水层有效隔水层厚度为114～131.3 m，平均121.1 m。奥陶系灰岩水位标高为-73.23—-58.56 m，奥陶系灰岩静水压4.56 ～4.74 MPa，突水系数为0.039 ～0.046 MPa/m。地面标高+18.0—+23.4 m，工作面标高-530—-489.3 m。该工作面采用单一走向长壁综合机械化采煤方法，一次采全高，全部垮落法管理顶板。可采走向长652 m，倾斜长117 m，后变为186 m，平均煤层厚度3.9 m，可采斜面积103 705 m2。上部距4-1 煤层平均92.7 m，下部距太原组1 灰平均17.6 m。回采范围内煤岩层总体倾向为NNE 的单斜构造，局部受地质构造影响倾角变化较大，局部地质构造发育地段存在起伏。工作面平面布置如图1 所示。

图1 工作面平面图Fig.1 Plane of the working face

2 微震监测系统的布置

2.1 微震监测关键层

新集二矿井田含煤地层为单斜构造，走向近东西，上覆第四系与新近系松散层，下伏石炭系太原组和奥陶系。结合矿井实际揭露及钻探、物探探查情况，220102 工作面底板太原组地层厚96.17～106.64 m，平均厚99.80 m，其中灰岩总厚54.39～74.56 m，灰岩平均总厚62.5 m，占组厚62.63%。太原组C3Ⅰ组、C3Ⅱ组灰岩完整性未遭到破坏，岩性完整，太原组灰岩与奥陶系灰岩之间无明显水力联系，且未发现垂向隐伏构造，也未发现垂向隐伏导水通道。

太原组灰岩基本为弱富水性，以静储量为主，易疏干，缺少丰富补给水源，具有低存储、少补给、弱富水的特征。在C3Ⅰ组灰岩含水层中，C33、C34层灰岩相对较厚、岩溶发育，是开采l 煤层底板直接充水含水层。

结合矿井水文地质类型划分报告及淮南矿区早期研究成果，C3II 组灰岩含水层为相对隔水层。因此，微震监测过程中的底板监测关键层是C3II 组灰岩含水层。

2.2 监测布置

依据检波器布置原则，结合矿井现有系统巷道，利用已有底板巷检波器，在考虑完成监测任务的基础上，对检波器位置及采集分站合理优化布置。微震检波器布置在220102 工作面风巷、220102 工作面底板巷、220102 工作面机巷，并利用220106 底板巷，构成了全包围监测阵列，如图2 所示，共布置检波器22 个（单轴19 个，三轴3个）、监测分站4 个，共计28 通道。

图2 220102 工作面微震监测设计平面图Fig.2 Plane of microseismic monitoring design of No.220102 Face

3 底板微震事件分布特征

220102 工作面微震系统自2021 年8 月24 日起开始监测，2021 年9 月1 日回采，于2022 年1月16 日回采结束，数据周期为2022 年3 月29 日停止监测。共计监测217 d，有效微震事件42 929个，日均198 个。

3.1 各层位微震事件

微震事件日变化统计情况见表1。

表1 微震事件日变化统计情况Table 1 Statistics of daily variation of microseismic events

从微震事件数量及比例分布情况来看，底板事件占比较大，底板深部事件均在50 m 以内，未突破底板监测关键层。

3.2 底板事件展布特征

对220102 工作面在回采过程中引发的微震事件进行统计分析，空间展布范围如图3、图4 所示。

图3 回采期间底板微震事件展布Fig.3 Floor microseismic events distribution during mining period

图4 回采期间底板灰岩层段微震事件展布Fig.4 Floor microseismic events distribution in the limestone section during mining period

近煤层底板微震事件主要分布在220102 工作面及220106 采空区范围内，220102 工作面微震事件较为密集，因220106 工作面已经回采完，在220106 采空区范围内持续监测到较为分散的顶底板事件，分析为采空区应力场恢复影响。影响范围为距离220102 机巷90 m 范围内，在220102 机巷180 m 范围内分散分布。

由图可知，底板C3Ⅰ组层位微震事件主要分布在工作面初采、220102 工作面中部及220102 机巷断层带这3 个区域。主要是初采应力场变化、工作面“窄变宽”区域、风巷断层带破碎等因素。需要重点关注220102 工作面C3Ⅰ组事件密集发育区域，关注工作面采宽变化区域的煤柱稳定性。

4 工作面采宽变化期间的微震响应特征

4.1 采宽变化期间微震演化规律

220102 工作面属于不规整“刀把型”工作面，220102 工作面回采过程中宽度由117 m 变为186 m。

工作面“窄变宽”阶段，微震事件响应明显，受采动影响的微震事件随之急速增长。10 月7日、8 日，工作面逐渐变宽，微震事件开始增长，采场区域微震事件聚集，事件分布情况如图5、图6 所示。

图5 微震监测事件平面图（2021.10.07）Fig.5 Microseismic monitoring events plane（2021.10.07）

图6 微震监测事件平面图（2021.10.08）Fig.6 Microseismic monitoring events plane（2021.10.08）

进入“窄变宽”初期，微震事件主要分布在采场区域，事件进一步聚集，且在附近区域监测到底板C3Ⅰ组事件，底板发育最大深度较深。主要受该工作面超前支承压力和临近采宽变化区域的叠加影响所致。

工作面通过“窄变宽”阶段，微震事件数量出现“尖峰点”，主要是在采场采宽变化由117 m 变为186 m，增加58.9%。10 月21 日微震事件总数为633 个，微震事件明显聚集的为10 月19 日～21日，10 月24 日微震事件总数开始下降，事件分布情况如图7、图8 所示。

图7 微震监测事件平面图（2021.10.19）Fig.7 Microseismic monitoring events plane（2021.10.19）

图8 微震监测事件平面图（2021.10.21）Fig.8 Microseismic monitoring events plane（2021.10.21）

在工作面“窄变宽”期间（10 月1 日～11 月12 日），微震事件在10 月17 日开始增长，21 日聚集明显，24 日事件开始回落。在此期间，持续出现C3Ⅰ组层位事件，底板事件扰动深度为煤底18.11～36.64 m，最深36.64 m 位于宽面，说明随着采宽增加，底板破坏深度进一步加大。受采场采动及采宽变化影响，主要受采动超前支承压力及“窄变宽”压力集中影响，微震事件在采场前方30 m 密集出现。

4.2 采宽变化期间微震特征

在采宽变化初期，微震事件总数开始缓慢增长，进入宽面阶段，事件总数突增，此时回采速度减慢，事件回落后继续增长至高点，应力充分释放，微震事件平稳。

对该工作面窄面、宽面回采期间监测到的底板微震事件进行统计分析，见表2，从垂向上展布范围来分析采宽模式下回采期间微震响应。

工作面采宽变化期间，微震事件总体上呈现高频次。此阶段微震事件变化主要受采宽影响，220102 宽面采宽约186 m，220102 窄面采宽约117 m，采宽比1.59；微震事件日均频次比1.40，深部微震事件日均频次比1.83，均呈正相关；底板平均扰动深度比1.20，底板最大扰动深度比1.38，均呈正相关。