頂板疏水對(duì)微震事件分布規(guī)律影響研究

蘆盛亮，司廣宏，郝 軍

（潞安化工集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司，山西 長(zhǎng)治 046000）

1 概 況

工作面頂板高壓含水層的存在給工作面安全生產(chǎn)帶來(lái)了較大隱患。為了保證安全生產(chǎn)，需要對(duì)頂板富水區(qū)進(jìn)行采前疏水降壓工作[1-3]。然而，在疏水降壓后，工作面頂板可能會(huì)在一些范圍內(nèi)出現(xiàn)礦壓顯現(xiàn)現(xiàn)象，引發(fā)一系列問(wèn)題。

鄂爾多斯礦區(qū)的一些深部巷道在頂板疏水過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的動(dòng)力現(xiàn)象。為了評(píng)估頂板疏水的礦壓變化，采用微震監(jiān)測(cè)手段對(duì)疏水后開(kāi)采進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在富水區(qū)的外或邊緣出現(xiàn)了大量微震信號(hào)。一些煤礦在工作面接近富水區(qū)時(shí)，發(fā)現(xiàn)每天都有105J 的大能量微震事件。為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)富水區(qū)疏水降壓對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響，需要定量化分析微震信號(hào)和疏水降壓支架的關(guān)系[4-5]。本文結(jié)合余吾煤業(yè)N1105 工作面疏水降壓過(guò)程，探究礦壓顯現(xiàn)與微震信號(hào)的關(guān)系。

2 N1105 工作面頂板疏水情況

根據(jù)瞬變電磁勘探及現(xiàn)有水文地質(zhì)資料，余吾煤業(yè)N1105 工作面頂板含水層主要為3 號(hào)煤層頂板、K8 及K10 砂巖含水層，工作面頂板富水情況如圖1 所示。工作面回采前已施工完成38 個(gè)頂板放水孔，頂板疏水孔布置如圖2 所示，累計(jì)放水量約6.4 萬(wàn)m3，各孔疏放水量見(jiàn)表1 和表2。N1105工作面回采過(guò)程中預(yù)測(cè)最大涌水量為150 m3/h，正常涌水量為50～80 m3/h。

表2 N1105 工作面回風(fēng)順槽頂板疏水情況Table 2 The roof drainage of return air roadway in No.N1105 Face

3 工作面回采過(guò)程富水區(qū)內(nèi)外微震事件分布

為了探究疏水后的礦壓顯現(xiàn)情況，對(duì)N1105工作面回采過(guò)程進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)。共布置5 個(gè)微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別為T25、T6、T7、T9 和T10，具體位置如圖3 所示。

圖3 微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置Fig.3 Arrangement of microseismic monitoring points

圖4 為N1105 工作面整個(gè)回采過(guò)程所有微震事件分布特征，淺色點(diǎn)表示監(jiān)測(cè)到的微震事件的全部位置。圖5 為N1105 工作面整個(gè)回采過(guò)程大于103J 微震事件分布特征。圖4、圖5 中陰影部分為頂板富水區(qū)域，工作面回采前對(duì)富水區(qū)施工了大量疏放水鉆孔，富水區(qū)砂巖裂隙水基本被疏干。

圖4 回采過(guò)程所有微震事件分布Fig.4 Distribution of all microseismic events in mining process

圖5 回采過(guò)程大能量微震事件分布Fig.5 Distribution of large energy microseismic events in mining process

由圖4 和圖5 可以看出，工作面回采過(guò)程大能量微震事件大部分產(chǎn)生在富水區(qū)域邊緣及以外區(qū)域，富水區(qū)內(nèi)較少。微震事件的能量越大，工作面上方的巖體破碎越劇烈，礦壓顯現(xiàn)也就越明顯。這表明在疏水后，富水區(qū)的應(yīng)力向周圍發(fā)生了轉(zhuǎn)移，在開(kāi)采時(shí)采動(dòng)應(yīng)力的作用下富水區(qū)邊緣及外部發(fā)生了劇烈的礦壓顯現(xiàn)。

為了研究大能量微震事件的具體情況，分別對(duì)富水區(qū)內(nèi)、富水區(qū)外及富水區(qū)邊緣的大能量微震事件個(gè)數(shù)及所占比例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖6 所示。

圖6 富水區(qū)內(nèi)外大能量微震事件個(gè)數(shù)及比例Fig.6 Number and proportion of large energy microseismic events inside and outside the water abundance area

由圖6 可知，在富水區(qū)外共發(fā)生236 次大能量微震事件，占微震事件總個(gè)數(shù)的73%；在富水區(qū)內(nèi)共發(fā)生35 次大能量微震事件，占微震事件總個(gè)數(shù)的11%；在富水區(qū)邊緣共發(fā)生53 次大能量微震事件，占微震事件總個(gè)數(shù)的16%。因此可以看出，N1105 工作面回采過(guò)程中，大能量微震事件主要分布在富水區(qū)邊緣及富水區(qū)外，在富水區(qū)內(nèi)微震事件較少。這在一定程度上說(shuō)明在進(jìn)行疏水降壓后，富水區(qū)是應(yīng)力降低區(qū)，在回采過(guò)程中發(fā)生的礦壓顯現(xiàn)的可能較低；富水區(qū)邊緣及其外部是應(yīng)力升高區(qū)域，在回采過(guò)程中較為容易發(fā)生礦壓顯現(xiàn)。

在N1105 工作面回采期間，統(tǒng)計(jì)了富水區(qū)內(nèi)、外區(qū)域微震事件各指標(biāo)變化規(guī)律，如圖7 和8 所示。

圖7 富水區(qū)內(nèi)外各微震日累計(jì)頻次變化規(guī)律Fig.7 The variation lawof daily cumulative frequency of microseismic events inside and outside the water abundance area

圖8 富水區(qū)內(nèi)外各微震日累計(jì)能量變化規(guī)律Fig.8 The variation lawof daily cumulative energy of microseismic events inside and outside the water abundance area

由圖7 和8 可以看出，頂板疏水影響著N1105工作面微震事件的分布規(guī)律。具體表現(xiàn)為在富水區(qū)邊緣外150 m 范圍內(nèi)的微震事件總個(gè)數(shù)具有多于富水區(qū)內(nèi)的趨勢(shì)；在富水區(qū)邊緣外150 m 范圍的微震事件總能量具有大于富水區(qū)內(nèi)的趨勢(shì)。因此，總體分析可見(jiàn)，在富水區(qū)邊緣外150 m 范圍內(nèi)的各微震指標(biāo)數(shù)值普遍高于富水區(qū)內(nèi)，并且在富水區(qū)的2 個(gè)邊緣外呈現(xiàn)各微震指標(biāo)數(shù)值先增大后減小的趨勢(shì)，峰值距富水區(qū)邊緣70～80 m。說(shuō)明疏水區(qū)是應(yīng)力降低區(qū)，其應(yīng)力向周圍發(fā)生了轉(zhuǎn)移，使得富水區(qū)邊緣和外部更容易發(fā)生微震事件。

通過(guò)以上工作面回采過(guò)程微震事件的分布特征，可以發(fā)現(xiàn)頂板疏放水使得煤巖層原巖應(yīng)力重新分布，進(jìn)而影響著微震事件的分布規(guī)律，總體表現(xiàn)為在富水區(qū)內(nèi)大能量微震事件較少，各微震監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)值較低，在富水區(qū)邊緣一定范圍內(nèi)大能量微震事件較多且各微震監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)值較高。因此，微震事件的頻次和能量可以在一定程度上反映疏水降壓后的礦壓顯現(xiàn)情況，礦壓顯現(xiàn)越劇烈，微震事件的頻次和能量越劇烈。在疏水區(qū)域外，礦壓顯現(xiàn)比較劇烈，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，做好相應(yīng)的支護(hù)措施，以免發(fā)生礦井動(dòng)力災(zāi)害。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)余吾煤業(yè)N1105 工作面頂板疏水后回采過(guò)程中微震監(jiān)測(cè)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)不同位置和回采階段的微震事件進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分析了微震事件的個(gè)數(shù)、能量和頻次分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在富水區(qū)邊緣及其外部微震事件的個(gè)數(shù)和能量遠(yuǎn)大于富水區(qū)域內(nèi)部，微震能量的峰值距富水區(qū)邊緣70～80 m，表明在對(duì)頂板疏水后，富水區(qū)域內(nèi)會(huì)形成應(yīng)力降低區(qū)，其應(yīng)力會(huì)向周圍轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致周圍區(qū)域發(fā)生礦壓顯現(xiàn)。因此，可以根據(jù)微震監(jiān)測(cè)的信號(hào)對(duì)頂板疏水引發(fā)的礦壓災(zāi)害進(jìn)行定向防治。