基于微震監(jiān)測的切頂卸壓無煤柱自成巷開采覆巖運移周期性演化機(jī)理驗證

王 寧，王世斌，李樹剛，劉長來，孫寶強(qiáng)

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜西煤業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710077)

無煤柱切頂沿空留巷由傳統(tǒng)留巷技術(shù)上發(fā)展而來，經(jīng)過長期的基礎(chǔ)研究與工業(yè)化實踐，逐漸發(fā)展成為一套煤炭高效開采新技術(shù)。近年來，由何滿朝院士團(tuán)隊系統(tǒng)提出的“110”及“N00”工法將煤炭開采水平提升至新的高度，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益[1-6]。陜北神府礦區(qū)是我國重要的煤炭開采基地，大多數(shù)煤層以淺埋為主，煤炭開采引起的巖層移動、斷裂等力學(xué)宏觀現(xiàn)象對礦區(qū)安全生產(chǎn)造成很大的安全隱患[7，8]。

國內(nèi)學(xué)者對于礦山壓力顯現(xiàn)方面研究較多，大多采用理論、實驗室模擬、數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗等手段[9-19]。

國內(nèi)很多學(xué)者對于常規(guī)的長壁開采方面研究礦山壓力顯現(xiàn)方面較多，但現(xiàn)階段，切頂卸壓無煤柱開采方法的應(yīng)用研究處于初步階段，理論基礎(chǔ)尚未完善，尤其缺乏礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律及機(jī)理方面的研究，對此基于微震監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)地分析和說明。

1 工作面概況及微震監(jiān)測原理

1.1 工作面概況

S12012工作面位于檸條塔煤礦南一盤區(qū)西大巷以北第9個工作面，井下位于南翼2-2煤西大巷北側(cè)，該面主回撤通道南距西檸公路保護(hù)煤柱約120m，北臨紅檸鐵路保安煤柱，西側(cè)為S12013預(yù)留工作面，東側(cè)為S12011已采工作面。該工作面主采2-2煤層，煤層底板標(biāo)高+1108～+1122m。2-2煤層厚度3.81～4.35m，平均厚度4.33m，基巖厚度99.43～129.78m，風(fēng)化基巖厚度15.58～77.92m，其中強(qiáng)風(fēng)化基巖厚度8.2～36.05m、中等風(fēng)化基巖厚度7.4～31.07m、弱風(fēng)化基巖厚度6.11～46.35m。利用關(guān)鍵層判別法得出在S12012煤層2-2上方19.36m位置的厚度為18.58m的中砂巖層為第1亞關(guān)鍵層，在煤層2-2上方30.4m位置的厚度為10.13m的粉砂巖為第2關(guān)鍵層，在煤層2-2上方49.58m位置的厚度為13.48m中砂巖和15.97m粉砂巖為主關(guān)鍵層。

S12012工作面采用切頂留巷無煤柱開采即N00 工法。該工法主要特點：采煤時，首先沿整個待采區(qū)四周邊界布置一條集中回風(fēng)巷，長開切眼和運輸巷。開采首采工作面時，工作面一側(cè)為已形成的運輸巷，另一側(cè)則在回采 過程中一邊采煤一邊形成一條回風(fēng)巷。工作面回采結(jié)束后，該回風(fēng)巷保留作為下一工作面的運輸巷繼續(xù)使用，以此類推直到整個采區(qū)。

1.2 微震監(jiān)測原理

在受外力作用以及溫度等的影響下，巖體等材料中的一個或多個局域源以順態(tài)彈性波的形式迅速釋放其能量的過程，稱為微震，采用微震監(jiān)測儀器來采集、記錄和分析微震信號，并據(jù)此來推斷和分析震源特征的技術(shù)。微震監(jiān)測技術(shù)是在地震監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它在原理上與地震監(jiān)測、聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)相同，是基于巖體受力破壞過程中破裂的產(chǎn)生彈性波的原理。

設(shè)震源位置的空間坐標(biāo)為(x，y，z)，發(fā)生時刻為t，第i個傳感器坐標(biāo)為(xi，yi，zi)，傳感器檢測到的時刻為ti，聲波傳播的平均速度為v，在震源和第i個傳感器之間的走時方程為：

式中，m是收到信號的傳感器個數(shù)；(x，y，z，t)是震源的時空參數(shù)。

2 微震監(jiān)測方案

由微震定位原理可知，三個傳感器才能定位一個微震事件，定位方法也是多種多樣，本試驗在定位原理理論基礎(chǔ)上，應(yīng)對切頂卸壓無煤柱開采的巷道布置，設(shè)計了如下微震傳感器布置方式，如圖1、圖2所示。根據(jù)井下實地考察，確定傳感器測點位置，確定每隔30m布置一個微震傳感器，在留巷段布置6個傳感器，在空間上形成一個較均衡的分布狀態(tài)，沿空留巷段一側(cè)將6只傳感器分別沿垂直方向上分三層布置，確保傳感器全都布置在切頂懸臂梁相對穩(wěn)定的巖層內(nèi)，并在工作面推采期間可以穩(wěn)定工作，對產(chǎn)生的微震事件實現(xiàn)有效監(jiān)測。

圖1 傳感器測量點布局

圖2 探測器巷道布置

3 切頂卸壓無煤柱開采覆巖周期性變化機(jī)理

3.1 采動覆巖裂隙周期動態(tài)演化特征

通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，單個微震事件具有一定的隨機(jī)性，但隨著工作面推進(jìn)微震事件產(chǎn)生過程存在一定規(guī)律，表明工作面采動與微震產(chǎn)生有著密切聯(lián)系，微震監(jiān)測總長度為180m，現(xiàn)選取微震事件分布較明顯的區(qū)域，當(dāng)工作面推進(jìn)到106.4～165.9m時，微震分布規(guī)律性較強(qiáng)，如圖3所示。

圖3 微震事件的產(chǎn)生周期性變化

由圖3可知，在工作面的推進(jìn)過程中，剛開始較少的微震事件集中出現(xiàn)在在垂直方向23～32m范圍內(nèi)，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，較多微震事件出現(xiàn)在垂直方向21～75m范圍內(nèi)，當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離時，大量的高能量微震事件集中出現(xiàn)在19.7～86m范圍內(nèi)。在工作面傾向方向上，剛開始微震事件分布范圍最遠(yuǎn)端距沿孔留巷段24.6m范圍內(nèi)；微震事件發(fā)生在滯后工作面23m范圍內(nèi)至超前工作面15m范圍內(nèi)；隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，微破裂演化發(fā)育寬度和長度在逐漸增大，微震事件分布范圍最遠(yuǎn)端距沿孔留巷段34m范圍內(nèi)；微震事件發(fā)生在滯后工作面24m范圍內(nèi)至超前工作面15m范圍內(nèi)，當(dāng)工作面推進(jìn)到一定距離后，微破裂演化發(fā)育寬度和長度也會達(dá)到一個最大距離，微震事件分布范圍最遠(yuǎn)端距沿孔留巷段67m范圍內(nèi)；微震事件發(fā)生在滯后工作面45m范圍內(nèi)至超前工作面19.4m范圍內(nèi)。結(jié)合綜合柱狀圖，在垂直方向上，隨著工作面推進(jìn)，高能量微震事件首先出現(xiàn)在煤層上方厚度為16.20m的中砂巖層中，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)中，高能量微震事件發(fā)生的區(qū)域從下往上演化發(fā)育，集中出現(xiàn)在煤層上方厚度為16.20m的中粒砂巖至煤層上方厚度為3.97m的粉砂巖和30.65m的粉砂巖層中及其之間?？傊诠ぷ髅嫱七M(jìn)過程中，微破裂的發(fā)生呈現(xiàn)一定規(guī)律，首先出現(xiàn)在超前工作面頂部范圍內(nèi)，發(fā)生少量微破裂，隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，較多的微破裂逐漸向上及工作面偏后發(fā)育演化，當(dāng)工作面推進(jìn)到一定值后，微破裂集中出現(xiàn)在一個區(qū)域內(nèi)，在該區(qū)域微破裂相互作用，形成微裂隙，微裂隙繼續(xù)擴(kuò)展、劈裂衍生形成宏觀裂隙，且隨著工作面推進(jìn)，這種微裂隙演化發(fā)育成宏觀裂隙的現(xiàn)象呈現(xiàn)周期性出現(xiàn)。

結(jié)合礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，工作面上方基本頂出現(xiàn)周而復(fù)始破斷跨落情況被稱為周期來壓，利用微震監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測到微震事件的動態(tài)發(fā)生也呈現(xiàn)此規(guī)律，大約每隔2d會出現(xiàn)一次微震事件的高發(fā)期，微震事件數(shù)和能量都有明顯增加，這時應(yīng)該要即將來壓，在大量微破裂集中發(fā)生時，相互作用演化發(fā)育成宏觀裂隙，基本頂將會發(fā)生斷裂、破壞及冒落。通過統(tǒng)計周期來壓時定位到的微震事件，基本頂巖層微震事件的集中區(qū)域為19.7～24m范圍；即當(dāng)發(fā)生周期來壓時，基本頂19.7～24m范圍內(nèi)巖層出現(xiàn)破斷、冒落；冒落帶高度范圍為19.7～24m。

3.2 覆巖周期性動態(tài)破斷機(jī)理

通過對檸條塔煤礦2-2煤大采高工作面3次完整周期來壓的微震監(jiān)測過程表明，微震事件隨工作面周期回采而出現(xiàn)周期性變化。按照微震事件的分布特征，其周期性發(fā)育可分為周期回采初期、周期回采中期及周期回采末期，如圖4所示。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，當(dāng)工作面處于周期回采初期0.6m、20.91m和40.43m時，系統(tǒng)監(jiān)測微震事件分別為11個、10個和8個。當(dāng)工作面處于周期回采中期9.4m、30.01m和50.01m時，系統(tǒng)監(jiān)測微震事件分別為74個、68個和73個。當(dāng)工作面處于周期回采末期20.3m、39.81m和59.61m時，系統(tǒng)監(jiān)測微震事件分別為196個、185個和179個。根據(jù)上述內(nèi)容，總結(jié)微震事件的周期發(fā)育過程：

圖4 頂板周期破斷過程

1)周期回采初期，上一周期開采剛剛結(jié)束，頂板經(jīng)歷了破斷卸壓的過程，工作面附近微震事件發(fā)育程度低、輕度小，只在超前17.09m位置有少量微震事件分布。

2)周期回采中期，當(dāng)工作面回采至9.4m位置時，工作面超前14m位置出現(xiàn)微震集中事件，微震事件沿垂向主要分布在21.56m至70.23m范圍。一般情況下，該區(qū)域易形成超前宏觀拉裂隙。隨后的回采過程中，微震事件在該區(qū)域進(jìn)一步發(fā)育，事件頻率及強(qiáng)度均有大幅度提高，并沿垂向向更高層位延伸，超前宏觀拉裂隙也進(jìn)一步出現(xiàn)擴(kuò)張；

3)周期回采末期，當(dāng)工作面推進(jìn)至19.46m位置時，微震事件的分布范圍、強(qiáng)度及頻率均達(dá)到最大狀態(tài)，宏觀裂隙發(fā)育成度最高，基本頂達(dá)到極限破斷狀態(tài)。

4 現(xiàn)場礦壓監(jiān)測結(jié)果分析

4.1 微震事件周期規(guī)律的驗證

根據(jù)微震監(jiān)測得到隨著工作面推進(jìn)，微震的個數(shù)和能量呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律，結(jié)合礦井監(jiān)測站監(jiān)測到的煤層頂板周期性破斷，來分析發(fā)生破斷時所需微震事件累計能量大小。支架上中下部周期來壓步距平均值如圖5所示。

圖5 支架上中下部周期來壓步距平均值

根據(jù)圖5可知，工作面上部周期來壓步距15～26m，平均步距20.5m；中部17～26m，平均步距21.5m；下部15.4～24.7m，平均步距20.05m；平均為20.68m。監(jiān)測結(jié)果每發(fā)生一次周期來壓，工作面平均推進(jìn)19.83m，與監(jiān)測結(jié)果相差基本一致，因此兩者相互驗證。選取在微震監(jiān)測期間較明顯一次周期來壓微震事件分布，這次周期來壓工作面推進(jìn)了20.3m；即周期來壓步距為20.3m。

在微震監(jiān)測期間，發(fā)生多次周期來壓，選擇其中4次周期來壓來分析覆巖出現(xiàn)破斷的能量閾值，通過統(tǒng)計周期來壓期間微震事件在不同高度的累計能量值，統(tǒng)計如圖6所示。從圖6中可以看出，當(dāng)發(fā)生周期來壓，距工作面25m處的微震累計能量釋放最多達(dá)到1.9×105J，其中四次周期來壓在25m處微震事件累計能量最低為1.48×105J，四次微震事件累計能量平均值為1.7×105J；當(dāng)發(fā)生一次周期來壓，上覆巖層頂板發(fā)生破斷，因此可以把四次周期來壓中微震事件累計能量最小值作為閾值來判斷巖層發(fā)生破壞斷裂，利用該判據(jù)確定了工作面超前影響距為10～15m。

圖6 來壓期間微震事件能量沿垂直方向分布

5 結(jié) 論

1)研究了采動影響下基于微震事件和能量分布的覆巖裂隙周期演化機(jī)理、微震事件的空間動態(tài)演化特征，得到切頂卸壓無煤柱開采覆巖裂隙周期破斷規(guī)律。

2)按照微震事件的分布特征，將采場裂隙演化劃分為萌芽期、發(fā)展期和高潮期。覆巖周期性斷裂、破壞可分為周期回采初期、周期回采中期及周期回采末期。

3)結(jié)合該礦礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，得出周期來壓步距19.83m。提出了一種用周期來壓時累計微震能量值作為頂板斷裂、破壞判據(jù)的思路，利用該判據(jù)確定了工作面超前影響距為10～15m。