三軟煤層掘進巷道微震活動特征及圍巖破壞分析

史登榮

（山西汾西礦業(yè)集團公司正幫煤業(yè)，山西 孝義 032300）

頂?shù)装寰鶠槟鄮r性質(zhì)的三軟煤層巷道，其圍巖具有物理力學強度低、裂隙發(fā)育、易碎脹變形等特點，所以需在掘進期間對巷道圍巖進行重點監(jiān)測與加固，以預防巷道失穩(wěn)危及安全。目前常用的傳統(tǒng)圍巖監(jiān)測技術(shù)手段有鉆孔探測、地質(zhì)雷達監(jiān)測、支護構(gòu)件受力分析等，但這些技術(shù)無法對圍巖進行連續(xù)監(jiān)測和定量評價。本文以汾西正邦煤業(yè)11101回風順槽為背景，結(jié)合其煤層頂?shù)装逄匦?，提出了?gòu)建微震監(jiān)測系統(tǒng)分析巷道掘進期間微震活動特征及規(guī)律，從而達到定量評價圍巖破裂程度的目的。

1 工程概況

汾西正幫煤業(yè)11101材料巷沿煤層由南向北掘進918.6m，掘進巷道南側(cè)為主運大巷、東西回風大巷和東西輔運大巷，東側(cè)170m處為1#探巷，巷道斷面為矩形，凈寬4m，凈高4m，采用EBZ-160型綜掘機一次截割成巷。

掘進煤層為石炭紀上統(tǒng)太原組11#煤層，煤層以亮煤、半亮煤、半暗煤組合為特征，埋深207～280m，厚度0.39～5.37m，平均厚度2.08m，傾角7°，為近水平煤層。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，巖性松軟，極易風化脫落，煤層直接底為鋁質(zhì)泥巖，巖性松軟，易吸水膨脹變形，因此11101材料巷掘進煤層為典型的三軟不穩(wěn)定煤層。頂?shù)装迩闆r見表1。

由于11101掘進巷道煤層頂?shù)装骞?jié)理、層理裂隙發(fā)育，且厚度不均一，在掘進過程中給巷道安全穩(wěn)定帶來了隱患，同時對巷道支護施工帶來困惑，因此急需一套可靠的監(jiān)測系統(tǒng)來準確、持續(xù)地了解并掌握圍巖破壞情況，從而避免巷道失穩(wěn)引發(fā)安全事故。

表1 11#煤層頂?shù)装逄匦?/p>

2 微震系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)

煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)中，由傳感器通過巷道支護錨桿接收圍巖破裂震動信號，并將震動信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過井下電纜傳輸至數(shù)字信號采集系統(tǒng)，由光電轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，之后利用光纖傳送至井下數(shù)據(jù)采集分站將光信號再次轉(zhuǎn)換為電信號，最后通過煤礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳送至井上接收系統(tǒng)進行信號處理分析。

2.2 微震監(jiān)測方案

在11101材料巷掘進期間布置2個斷面監(jiān)測站點，兩測站間距40m，每個站點布置3個傳感器，傳感器連接長度2.4m螺紋鋼錨桿，分別隨巷道支護施工布置于頂板中心處和左右兩幫中心處位置。隨著巷道掘進，傳感器逐漸向掘進頭推進方向移動，保證微震信號的持續(xù)性監(jiān)測。

2.3 微震信號識別

在巷道掘進時，掘進機工作產(chǎn)生大量振動噪聲信號，信號會對圍巖破裂信號產(chǎn)生干擾，影響準確的微震信號定位，因此預先將微震事件分為圍巖破裂事件和機械振動噪聲事件兩大類。收集信號后排除噪聲信號干擾，準確識別圍巖破碎微震信號，從而獲得圍巖破壞微震變化規(guī)律。

（1）圍巖破裂事件。當綜掘機截齒連續(xù)切割破煤時，圍巖內(nèi)會產(chǎn)生多個破裂信號，多個波形疊加隨時間均勻分布，在一定振幅范圍內(nèi)上下波動，如圖1所示。

（2）噪聲事件。分為電流噪聲和風鉆噪聲，電流噪聲波形隨時間在一定振幅范圍內(nèi)上下波動，波動較為完整、均勻；而風鉆噪聲波形變化呈規(guī)律出現(xiàn)，單個風鉆噪聲波形特點為某瞬間振幅突然增加，隨后逐漸減弱直至恢復正常，如圖2所示。

圖1 掘進圍巖微震事件波形圖

圖2 風鉆噪聲事件波形圖

3 圍巖微震活動特征分析

正幫煤業(yè)11101材料巷布置微震監(jiān)測系統(tǒng)后，持續(xù)正常監(jiān)測60d，在巷道掘進期間經(jīng)識別及除噪最終得到微震事件297個。微震事件矩震級主要集中在-2.670～0.598范圍內(nèi)，平均值為-1.6，微震活動釋放能量較低。

對收集到的微震信號進行統(tǒng)計可知，11101材料巷掘進期間微震事件空間分布共劃分為3個區(qū)域，如圖3所示。其中Ⅰ區(qū)域(0～3m)圍巖裂隙發(fā)育，完整性較差，微震事件密集；Ⅱ區(qū)域(3～7m)圍巖存在少量裂隙，發(fā)育不明顯，為微震事件中密度區(qū)；Ⅲ區(qū)域(7m以外)圍巖較為完整，為微震事件低密度區(qū)。

圖3 微震事件空間分布規(guī)律

由圖3可看出，微震事件主要集中于巷道左肩部、頂板中心及底板中心處。圖4為微震事件密度云圖，同樣可看到，在巷道左肩部、頂板中心、底板中心處微震事件密集，與圖3展示結(jié)果相同，說明巷道掘進期間肩部與頂?shù)灼茐膰乐?。上述與實際地質(zhì)勘探資料中的頂板松軟易風化垮落及底板松軟遇水易膨脹的描述相符。

圖4 微震事件密度圖

4 微震事件與支護構(gòu)件受力關(guān)系

軟巖巷道開挖引起圍巖應力重新分布，層理節(jié)理裂隙發(fā)育、擴展加重，大量微震事件由此產(chǎn)生，導致巷道圍巖破壞、支護構(gòu)件受力發(fā)生變化。因此，微震事件活動與巷道錨桿、錨索受力存在著密切的聯(lián)系，為揭示二者關(guān)系，同時為驗證上文微震系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果可靠性，在11101材料巷布置監(jiān)測點，利用錨桿、錨索測力計分別監(jiān)測巷道肩部、幫部、頂板錨桿、錨索受力載荷狀況，自監(jiān)測設(shè)備安裝完成后持續(xù)監(jiān)測140d。

圖5為巷道不同位置處錨桿工作載荷變化曲線圖。監(jiān)測初期錨桿載荷由于預緊力的施加明顯提高，之后略有下降并在40d后基本趨于穩(wěn)定。另外可從圖中得知，巷道肩部及頂板處錨桿受力明顯大于兩幫，尤其左肩處錨桿載荷值在監(jiān)測期間始終保持最大，且各位置錨桿載荷變化規(guī)律與上文中微震事件空間分布規(guī)律一致。

圖5 錨桿工作載荷監(jiān)測曲線圖

綜上所述，利用微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確、定量、持續(xù)地監(jiān)測掘進巷道圍巖微震事件，從而能夠準確反映圍巖破壞情況，較傳統(tǒng)的監(jiān)測手段擁有明顯的優(yōu)勢，彌補了以往定性分析巷道圍巖破壞程度的局限性，具有較大的理論指導意義與工程實用價值。

5 結(jié)論

（1）11101材料巷掘進期間微震事件矩震級范圍主要集中在-2.670～0.598，平均值為-1.6，圍巖破裂釋放能力低。

（2）軟巖巷道圍巖0～3m為微震事件高密度區(qū)，3～7m為微震事件中密度區(qū)，大于7m為微震事件低密度區(qū)。

（3）軟巖巷道微震事件主要集中于巷道肩部、頂板、底板處，尤其肩部微震事件密集，破裂嚴重。

（4）微震監(jiān)測系統(tǒng)可準確、定量、持續(xù)地監(jiān)測軟巖巷道圍巖破壞程度，其監(jiān)測結(jié)果在巷道支護構(gòu)件受力上已得到驗證。