大同忻州窯礦“三硬”煤層開采微震規(guī)律及監(jiān)測技術(shù)

樊繼強

大同忻州窯礦“三硬”煤層開采微震規(guī)律及監(jiān)測技術(shù)

樊繼強

針對大同礦區(qū)忻州窯礦典型的堅硬頂-煤-底“三硬”條件的特點，分析研究了沖擊礦壓發(fā)生時微震信號變化規(guī)律，建立了適合大同礦區(qū)的沖擊危險監(jiān)測技術(shù)體系，取得了較好的效果。

沖擊礦壓；微震；監(jiān)測技術(shù)

礦井開采過程中，由于應(yīng)力的集中和巖層的運動，將會導致煤巖體的震動，從而釋放出大量積聚的能量，形成微震（礦震），嚴重時將導致沖擊礦壓的發(fā)生。大同煤礦集團公司忻州窯煤礦位于大同煤田的東北部，開采侏羅系煤層，已有60多a的開采歷史。采用多煤層聯(lián)合開拓，層間距0 m～30 m，頂板普遍存在有10 m～25 m的厚層狀整體砂巖，普氏系數(shù)f=8～16；煤層厚度0.80 m～13.02 m，普氏系數(shù)f=3.0～4.5，屬典型的堅硬煤層、堅硬頂?shù)装宓摹叭病睏l件。忻州窯煤礦發(fā)生過30多起典型的沖擊礦壓事故，表現(xiàn)為巷道煤幫突然猛烈拋出，造成巷道嚴重破壞和人員傷亡事故，成為忻州窯煤礦的重大動力災(zāi)害之一。為保證礦井的安全，礦井基于SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)建立了適合大同礦區(qū)的沖擊危險監(jiān)測技術(shù)體系，分析了工作面沖擊礦壓顯現(xiàn)發(fā)生的原因、類型、機理、特征，以及主要影響因素，圈定了礦壓顯現(xiàn)危險性大的區(qū)域和重點防治區(qū)域，取得了較好效果。

1 現(xiàn)場微震規(guī)律分析

沖擊礦壓發(fā)生前，微震信號的頻譜主要分布在0 Hz～70 Hz，低頻成分較多，且震動速度較低，此時微震信號的主頻帶為10 Hz～35 Hz，震動速度高于沖擊之前的微震信號。當煤體發(fā)生沖擊礦壓時，微震信號的主頻帶為0 Hz～10 Hz，且震動速度較高，達到10 m/s～3 m/s。沖擊礦壓發(fā)生后，由于頂板內(nèi)部重新產(chǎn)生了大量的微裂紋以及煤體產(chǎn)生強烈的震動，導致微震信號的頻譜又呈現(xiàn)出多峰值型的高頻特征，主頻帶分布在0 Hz～50 Hz，其中高頻成分急劇增加。

微震平面定位結(jié)果表明，震源主要位于工作面及相鄰未采面和采空區(qū)內(nèi)，影響范圍為采空區(qū)后方100 m～150 m，工作面前方100 m左右。能量數(shù)量級103J的震動多發(fā)生在采空區(qū)及工作面頂?shù)装?，能量?shù)量級104J的震動多發(fā)生在采空區(qū)，能量數(shù)量級105J的震動多發(fā)生在靠近區(qū)段煤柱及工作面前方100 m范圍內(nèi)。整體層位上，大能量震動多發(fā)生在15 m內(nèi)的頂板和震動區(qū)域底板向下50 m范圍。

沖擊發(fā)生前震動的能量及次數(shù)明顯變化，幅度較大，接著出現(xiàn)幾天的平靜期，能量及頻次降至很低水平，變化趨勢比較異常，急劇上升急劇下降，預(yù)示著沖擊危險性很高。根據(jù)現(xiàn)場分析，當日均累計能量為3.77E+05J，日平均能量2.15E+04J，日平均震動次數(shù)16次，沖擊危險性極大，須采取必要措施治理。

2 監(jiān)測技術(shù)研究

巖層破裂造成工作面開采區(qū)域周圍總是形成一側(cè)應(yīng)力降低區(qū)與一側(cè)高應(yīng)力集中區(qū)，如圖1所示。在沒有外力的作用下，兩者的存在總是相輔相成的。由縱波波速與應(yīng)力的實驗關(guān)系模型，裂隙帶區(qū)域?qū)?yīng)低波速區(qū)，而應(yīng)力集中區(qū)域則對應(yīng)高波速區(qū)，從高波速向低波速的過渡帶也是沖擊危險的區(qū)域。應(yīng)力在超過煤巖體的極限強度時將發(fā)生破壞，可能造成煤巖體的動力性失穩(wěn)，從而發(fā)生沖擊礦壓，危害礦井的安全生產(chǎn)。

微震CT反演計算選取2008年5月至7月的震動波形作為研究數(shù)據(jù)。危險指標及波速反演結(jié)果表明8929工作面存在3個沖擊危險區(qū)域。8929工作面推進的兩邊各存在一個沖擊危險區(qū)域，相比5929巷道，2529巷附近的危險區(qū)域更偏向?qū)嶓w煤側(cè)。第三個危險區(qū)距工作面前方230 m左右，而且前方還存在一個負異常帶。綜合3個危險指標確定5929巷與2529巷上的危險帶為中等沖擊危險，第三個區(qū)域為強沖擊危險區(qū)域。下一時段的大部分高能量震動都發(fā)生在預(yù)警的3個危險區(qū)域內(nèi)，而其中3個沖擊礦壓事件全部發(fā)生在預(yù)警的強沖擊危險區(qū)域內(nèi)，體現(xiàn)了微震CT預(yù)警技術(shù)的有效性和沖擊危險預(yù)警指標的準確性。

3 實施效果分析

選取忻州窯煤礦8929工作面作為微震CT預(yù)警的應(yīng)用實踐典型。首先評價了研究區(qū)域內(nèi)的震源定位能力，對工作面回采過程中記錄的礦震信號進行了最優(yōu)通道個數(shù)選擇和P波波速確定的研究。根據(jù)反演波速分布，利用3個沖擊危險指標預(yù)警了下一個時段的沖擊危險區(qū)域及危險級別，其后的監(jiān)測結(jié)果顯示沖擊礦壓大部分都發(fā)生在預(yù)警的危險區(qū)域內(nèi)，并且很好地對應(yīng)了應(yīng)力集中區(qū)位置，表明微震CT技術(shù)用于沖擊危險預(yù)警是可行且準確的。在具有沖擊礦壓危險的8929工作面，實現(xiàn)了工作面回采全過程的安全生產(chǎn)，安全采出煤炭約170萬t。提高了大同礦區(qū)沖擊礦壓災(zāi)害的監(jiān)測水平，減少了沖擊礦壓監(jiān)測的盲目性，為大同礦區(qū)制定防御、減輕和控制沖擊礦壓動力災(zāi)害提供了可靠的科學依據(jù)，提高了礦井開采的安全性，減少了經(jīng)濟損失。

On Microseismic Rules and Monitoring Technology of“Three Hard” Coal Bed Mining in Xinzhou Kiln Ore,Datong Mine

Fan Jiqiang

For the characteristics of typical“three hard” (top-coal-bottom)in Xinzhou kiln ore and Datong mine,this article analyses and studies microseismic signal change rules when rock-burst occurs,sets up the impact risk monitoring and technical system for Datong mine,and achieves good results.

rock-burst;microseism;monitoring technology

TD323

A

1000-4866（2011）04-0008-02

樊繼強，男，1972年6月出生，1997年6月畢業(yè)于山西礦院（采礦專業(yè)），現(xiàn)在大同煤礦集團公司安監(jiān)局工作，工程師。

2011-09-08

2011-09-29