趙國棟

(中國煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京 100013)

基于微震監(jiān)測(cè)的大采高綜采面覆巖破斷特征研究

趙國棟

(中國煤炭科工集團(tuán)有限公司，北京 100013)

為了合理確定大采高綜采工作面覆巖“兩帶”高度，采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)探測(cè)頂板覆巖破斷特征，從走向和傾向兩個(gè)方面來分析微震事件分布規(guī)律，從而確定了大采高綜采面“兩帶”的高度：垮落帶高度約20m，裂縫帶高度約45m。研究認(rèn)為基于微震監(jiān)測(cè)的大采高綜采面覆巖“兩帶”探測(cè)方法可行，很好地解決了覆巖破壞實(shí)測(cè)難題。

微震監(jiān)測(cè)；大采高綜采；覆巖破斷特征

采用傳統(tǒng)的全部垮落法管理頂板，覆巖運(yùn)移破斷呈現(xiàn)“三帶”形態(tài)[1-2]，其中垮落帶和裂縫帶(簡(jiǎn)稱“兩帶”)高度是本煤層、上鄰近層瓦斯抽放設(shè)計(jì)的依據(jù)，準(zhǔn)確地劃分大采高工作面采場(chǎng)覆巖“兩帶”具有重要的工程意義。

近年來的生產(chǎn)實(shí)踐表明，大采高開采覆巖運(yùn)動(dòng)引發(fā)的地表環(huán)境問題日益顯現(xiàn)。理論分析和實(shí)測(cè)結(jié)果表明，由于采高的擴(kuò)大，垮落帶和裂縫帶發(fā)育高度都將比分層開采明顯增大，傳統(tǒng)的分層開采“兩帶”確定公式已經(jīng)不適用當(dāng)前的厚煤層開采，《三下采煤規(guī)程》中也沒有收錄大采高綜采的經(jīng)驗(yàn)公式。為合理確定大采高綜采工作面覆巖“兩帶”高度，采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)探測(cè)頂板覆巖破斷特征，從而確定大采高綜采面“兩帶”高度。

1 工作面地質(zhì)條件

下石節(jié)煤礦2301大采高綜采工作面所采3-2號(hào)煤層，煤層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，含夾矸較多，可采儲(chǔ)量約2.4318Mt。工作面對(duì)應(yīng)地面位于草灘西至斷頭川之間，多為森林覆蓋，最高標(biāo)高為+1560.5m，最低標(biāo)高為+1435.0m，井下水平標(biāo)高為+950m。該工作面走向可采長(zhǎng)度1720m，傾斜長(zhǎng)度210m，煤層平均厚度4.76m，煤層傾角平均5°。工作面傾向總體為一背斜構(gòu)造，軸部位于沿工作面中部偏北西方向，兩翼傾角6～8°，局部有小型起伏變化。工作面基本支架選用ZY10500/27/58大采高液壓支架。工作面頂?shù)装鍡l件見圖1。

圖1 3-2煤層頂?shù)装逯鶢?/p>

2 微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案

隨著工作面的正?；夭桑蓤?chǎng)覆巖發(fā)生移動(dòng)、破壞，由此將產(chǎn)生震動(dòng)和能量釋放。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是通過捕捉微震震源位置、記錄發(fā)生時(shí)間并計(jì)算其釋放的能量來確定微震事件，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)微震活動(dòng)的強(qiáng)弱和頻率，并結(jié)合微震事件分布規(guī)律判斷覆巖“兩帶”動(dòng)態(tài)發(fā)育特征以及潛在的礦山動(dòng)力災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和預(yù)警，用于指導(dǎo)工程實(shí)踐[3-5]。

本次觀測(cè)在2301工作面回采區(qū)域內(nèi)共布置7個(gè)監(jiān)測(cè)探頭，其中運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷內(nèi)分別布置3個(gè)探頭，+950m石門內(nèi)布置1個(gè)探頭。工作面運(yùn)輸巷內(nèi)布置在B1(幫探頭)、D2(頂板探頭)、D2′，B3(幫探頭)，B3′測(cè)點(diǎn)處，工作面回風(fēng)巷內(nèi)布置在Di5(底板探頭)、B6(幫探頭)，B6′，D7(頂板探頭)，D7′測(cè)點(diǎn)處，+950m石門處在D4測(cè)點(diǎn)處。具體微震布置方案見圖2所示。

圖2 2301工作面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

3 微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2301工作面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2013年7月4日進(jìn)行安裝調(diào)試，7月14日正常運(yùn)轉(zhuǎn)。截止到9月10日，觀測(cè)期間工作面推進(jìn)約261m，超出一個(gè)“見方”，頂板巖層達(dá)到充分采動(dòng)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)到了大量的微震事件。

根據(jù)微震定位原理，要確定一個(gè)微震事件的精確位置，至少要有4個(gè)探頭同時(shí)監(jiān)測(cè)到該微震事件，本次工作面安裝7個(gè)監(jiān)測(cè)探頭，滿足定位要求。圖3和圖4分別為本次監(jiān)測(cè)中8月18日記錄的一次典型微震事件的波形圖和微震定位結(jié)果。

圖3 不同探頭對(duì)應(yīng)的微震事件波形

圖4 微震事件定位結(jié)果

3.1 工作面走向覆巖破斷特征

煤巖體破裂產(chǎn)生微震事件和聲波，而震動(dòng)能量、頻次和密集程度等又綜合反映了煤巖體受力破壞程度，微震事件能量越高，事件分布越密集則煤巖體活動(dòng)越劇烈，破壞也越嚴(yán)重。通常，巖層的破斷垮落運(yùn)動(dòng)伴隨有高能量事件的產(chǎn)生，對(duì)應(yīng)于覆巖垮落帶；而巖層裂縫帶的擴(kuò)展、發(fā)育一般表現(xiàn)為中、低能量微震事件，且多處于上位巖層中。通過微震監(jiān)測(cè)開采過程中微震事件能量、頻次及發(fā)生位置等參數(shù)，可以分析煤巖應(yīng)力分布和覆巖空間破壞發(fā)育特征[6-7]。結(jié)合以往對(duì)微震的相關(guān)研究[8-9]及下石節(jié)煤礦覆巖巖性、結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，劃分大于10000J為高能量事件，低于1000J為低能量事件，介于二者之間的為中等能量事件。根據(jù)2013年7月14日至9月10日所監(jiān)測(cè)到的微震事件，將各事件在走向剖面上進(jìn)行投影，得到回采期間的覆巖破斷特征，如圖5所示。

圖5 微震事件揭示頂覆巖破斷特征

分析圖5中微震分布特征，覆巖垮落帶內(nèi)微震事件分布密集，大、中等能量的事件占比較大。根據(jù)2301工作面鉆孔柱狀分析，該區(qū)域內(nèi)存在厚度為24.7m的粉砂巖、砂泥巖互層，該層厚度大，完整性較好，阻止了垮落帶向上發(fā)展。高位巖層裂隙區(qū)高能量事件非常少，多為小能量的微震事件。根據(jù)鉆孔柱狀可知，基本頂巖梁上方為細(xì)砂巖、粉砂巖、砂質(zhì)泥巖互層，總厚度達(dá)27.48m，隨著基本頂失穩(wěn)破斷，該巖層出現(xiàn)拉伸破壞，產(chǎn)生較多的小能量事件。

根據(jù)工作面走向微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，按照微震能量高低級(jí)別與巖層運(yùn)移破壞規(guī)律的對(duì)應(yīng)關(guān)系，高能量事件(大于10000J)基本處于煤層上方20m范圍之內(nèi)，中、低能量事件(低于1000J)在上位巖層中的發(fā)育高度約為45m。據(jù)此可得出，垮落帶高度約20m，裂縫帶高度約45m。

3.2 工作面傾向覆巖破斷特征

將觀測(cè)期間的微震數(shù)據(jù)向2301工作面傾向剖面圖上進(jìn)行投影，得到微震事件在工作面傾向上的分布情況。隨著工作面的推進(jìn)，工作面傾向微震事件開始增多，高能量事件也有所增加。從整體上看，2301工作面傾向方向的微震事件大致呈對(duì)稱分布。為了直觀分析，將上述微震事件投影在工作面剖面圖上，如圖6所示。

圖6 工作面傾向微震事件分布

從2301工作面傾向方向的微震事件分布可以看出，微震事件分布沿工作面中部軸線，大致呈對(duì)稱分布。高能量事件主要分布在靠近工作面兩端及中部，背斜軸部附近相對(duì)較少，工作面以外區(qū)域基本無高能量事件分布，說明工作面頂板巖層以工作面中部、兩端垮斷最為強(qiáng)烈，而背斜軸部由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)巖層已發(fā)生破壞，高能量事件很少。中等能量微震事件主要集中在工作面中部及背斜軸部附近，兩端部較少。低能量事件主要分布在高位巖層。

根據(jù)工作面傾向微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，并依據(jù)上文中有關(guān)微震能量級(jí)別與巖層運(yùn)移破壞規(guī)律的對(duì)應(yīng)關(guān)系可得，垮落帶高度約15～25m，裂縫帶高度40～50m。

4 結(jié)論

通過微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析了大采高綜采工作面覆巖的破斷特征，得出以下結(jié)論：

(1)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面覆巖破斷特征的定性分析和描述。

(2)通過微震監(jiān)測(cè)方法得到2301大采高綜采工作面覆巖“兩帶”高度，其中，沿工作面走向，垮落帶高度約20m，裂縫帶高度45m；沿工作面傾向，垮落帶高度約15～25m，裂縫帶高度40～50m。

[1]錢鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

[2]錢鳴高，劉聽成．礦山壓力及其控制[M]．北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

[3]姜福興．微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦井巖層破裂監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，2002，24(2)：147-149.

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[6]夏永學(xué)，潘俊峰，王元杰，等．基于高精度微震監(jiān)測(cè)的煤巖破裂與應(yīng)力分布特征研究[J]．煤炭學(xué)報(bào)，2011，36(2)：239-243.

[7]楊志國，于潤(rùn)滄，郭 然，等．基于微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的礦山高應(yīng)力區(qū)采動(dòng)研究[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(2)：3632-3638.

[8]林 峰，李庶林，薛云亮，等．基于不同初值的微震源定位方法 [J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(5)：996-1002.

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[責(zé)任編輯：潘俊鋒]

SurroundingRockBrokenCharacteristicofLarge-mining-heightFull-mechanizedMiningFaceBasedonMicro-seismicMonitoring

ZHAO Guo-dong

(China Coal Technology Engineering Group Co., Ltd., Beijing 100013, China)

In order to rationally determine“two-zone”height of large-mining-height full-mechanized mining face, applying micro-seismic monitoring technology to detecting roof broken characteristic,“two-zone”height was determined on the basis of micro-seismic matters distribution rule.Caving zone height was about 20m and fissure zone height was about 45m.It was proved that micro-seismic monitoring is feasible for detecting“two-zone”height and well settled the difficult problem of measuring overlying strata failure.

micro-seismic monitoring; large-mining-height full-mechanized mining; overlying strata broken characteristic

2014-03-12

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.04.034

國家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(51304115)；開采設(shè)計(jì)事業(yè)部科技創(chuàng)新基金(KC-QNCX-2012-01)

趙國棟(1969-)，男，山東棗莊人，博士研究生，高級(jí)工程師，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理及科研工作。

趙國棟.基于微震監(jiān)測(cè)的大采高綜采面覆巖破斷特征研究[J].煤礦開采，2014，19(4)：112-114.

TD326.1

A

1006-6225(2014)04-0112-03