采空區(qū)遺留煤柱微震分布規(guī)律分析

王廣露++曹建波++崔猛

摘 要：在海孜煤礦Ⅲ1012綜采工作面回采過程中，以SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的礦震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)工作面回采期間礦震分布規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：Ⅲ1012工作面采空區(qū)微震活動(dòng)強(qiáng)度較低，能量均在105J以下，且頻次較低；而其上區(qū)段采空區(qū)遺留煤柱附近微震活動(dòng)較為強(qiáng)烈，最大能量達(dá)4.52×107J，且頻次較高，分布異常集中。分析認(rèn)為，上區(qū)段采空區(qū)覆巖運(yùn)動(dòng)處于極限平衡狀態(tài)，受采動(dòng)影響引發(fā)煤柱失穩(wěn)，釋放大量能量。分析區(qū)段遺留煤柱對(duì)礦震分布規(guī)律的影響，為工作面安全回采提供重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：遺留煤柱；微震監(jiān)測(cè)；煤柱失穩(wěn)；分布規(guī)律

海孜煤礦Ⅲ1012工作面開采深度達(dá)730m，加之煤層上覆巖層含堅(jiān)硬厚層砂巖組影響，礦震顯現(xiàn)日益明顯，已成為必須要防治的災(zāi)害之一?；赟OS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分析區(qū)段遺留煤柱對(duì)礦震分布規(guī)律的影響，以便更好的掌握礦震分布規(guī)律，為工作面安全回采提供重要依據(jù)。

1 開采技術(shù)條件

Ⅲ1012綜采工作面為Ⅲ101采區(qū)首工作面，其上區(qū)段為Ⅱ101采區(qū)。受地質(zhì)構(gòu)造等因素的影響，Ⅱ101采區(qū)各工作面在回采期間遺留部分不規(guī)則煤柱，如圖1所示，陰影部分為遺留煤柱。

工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)745m，實(shí)際回采550m，傾斜長(zhǎng)175m，平均煤厚3.05m，平均煤層傾角23°。偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚0～0.3m；直接頂為泥巖或粉砂巖，厚1.9～4.7m；基本頂為中砂巖，厚9.9～19.7m。上覆巖層多為砂巖、粉砂巖互層，Ⅲ1012-1、Ⅲ1012-2、Ⅲ1012-3鉆孔顯示，砂巖、粉砂巖分別占基巖的85.2%、72.1%、56.3%。

圖1 Ⅱ101采區(qū)遺留煤柱平面圖

2 SOS微震監(jiān)測(cè)布置

SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由井下安裝的檢波測(cè)量探頭，地面安裝的信號(hào)采集站和信號(hào)記錄器等組成，它們相互配合形成一個(gè)整體系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠即時(shí)、連續(xù)、自動(dòng)采集礦山巖體震動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)微震信號(hào)的可視化，并可對(duì)其進(jìn)行分析、波群分離和篩選，還能完成三維空間定位，震動(dòng)能量推演及其他煤巖體震動(dòng)參數(shù)的物理計(jì)算等[1]。

基于SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)原理，將Ⅲ101采區(qū)作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，合理優(yōu)化臺(tái)網(wǎng)布置后，共設(shè)置了9個(gè)探頭進(jìn)行監(jiān)控[2]。對(duì)Ⅲ1012工作面回采期間發(fā)生的100 J以上微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括震源分布位置、能量和頻次等。

3 微震分布規(guī)律及分析

3.1 微震分布規(guī)律

自2014年9月至2015年6月5日，對(duì)Ⅲ1012工作面回采期間的微震分布情況進(jìn)行平面定位分析，如圖2～4所示。結(jié)果表明，能量>103J的微震震源分布范圍較廣，遍布于Ⅲ1012工作面采空區(qū)至Ⅱ1015采空區(qū)內(nèi)，其中有2處分布較為集中，即Ⅱ10111采空區(qū)煤柱和Ⅱ101上山保護(hù)煤柱附近，其余震源較均勻出現(xiàn)在老采空區(qū)內(nèi)，說明老采空區(qū)上覆頂板受周圍遺留煤柱的支撐作用，達(dá)到極限平衡狀態(tài)，在受采動(dòng)工作面頂板斷裂擾動(dòng)后應(yīng)力重新分布，較大范圍頂板活動(dòng)較為頻繁，但能量并不大。

能量在104～105J之間和大于105J的微震分別為62次和15次，其中分布于Ⅱ101采空區(qū)分別為37次和12次，分別占59.7%和80%，且集中在Ⅱ1019和Ⅱ10111采空區(qū)遺留煤柱附近。能量在104～105J之間的震動(dòng)出現(xiàn)在Ⅲ1012采空區(qū)5次，占8%，而大于105J的震動(dòng)未出現(xiàn)在Ⅲ1012工作面。

分析結(jié)果表明，微震能量越大，震源分布集中程度越高。分布于Ⅱ101采空區(qū)、大于105J的微震均在Ⅲ1012工作面沿上區(qū)段采空區(qū)回采之后出現(xiàn)，說明回采工作面采空區(qū)與上區(qū)段采空區(qū)連通之后，形成協(xié)同運(yùn)動(dòng)，覆巖活動(dòng)更加劇烈。隨著采空區(qū)懸露面積不斷擴(kuò)大，應(yīng)力在遺留煤柱位置不斷集中，煤巖體中靜載荷與礦震形成的動(dòng)載疊加之和大于誘發(fā)煤巖體強(qiáng)礦震顯現(xiàn)的最小載荷，就會(huì)誘發(fā)大能量礦震，釋放較大能量[3]。

3.2 原因分析

當(dāng)采深達(dá)到一定程度時(shí)，采空區(qū)覆巖是否充分運(yùn)動(dòng)的判別標(biāo)準(zhǔn)為其寬度是否達(dá)到臨界開采寬度（采深的0.4倍）。Ⅱ101采區(qū)采深620m，覆巖充分運(yùn)動(dòng)的臨界開采寬度為250m，而采區(qū)遺留煤柱之間采空區(qū)的寬度之和為254m，說明上覆巖層運(yùn)動(dòng)處于極限平衡狀態(tài)。

Ⅲ1012工作面采深730m，覆巖充分運(yùn)動(dòng)臨界開采寬度280m，而Ⅲ1012工作面和鄰近采空區(qū)寬度之和為285m，說明Ⅲ1012覆巖運(yùn)動(dòng)也處于極限平衡狀態(tài)。

隨著Ⅲ1012工作面不斷向前推進(jìn)，采空區(qū)內(nèi)發(fā)生的礦震最大能量在105J以下，且頻次很低，而采動(dòng)面對(duì)上區(qū)段采空區(qū)產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，覆巖的極限平衡狀態(tài)被打破，引發(fā)遺留煤柱應(yīng)力進(jìn)一步集中，造成失穩(wěn)，特別是不規(guī)則煤柱的尖端部位，釋放更大能量，其中監(jiān)測(cè)到的最大一次能量為4.52×107J，地面有震感，井下有較大悶響，但并未造成巷道明顯變形和瓦斯異常涌出。

4 結(jié)論

①Ⅲ1012工作面回采期間，采空區(qū)微震活動(dòng)強(qiáng)度較低，能量均在105J以下，且頻次較低；而其上區(qū)段采空區(qū)遺留煤柱附近微震活動(dòng)較為強(qiáng)烈，最大能量達(dá)4.52×107J，且頻次較高，分布異常集中。

②Ⅲ1012工作面采空區(qū)與上區(qū)段采空區(qū)連通之后，形成協(xié)同運(yùn)動(dòng)，使覆巖活動(dòng)更加劇烈，隨著采空區(qū)懸露面積不斷擴(kuò)大，應(yīng)力在遺留煤柱位置不斷集中，煤巖體中靜載荷與礦震形成的動(dòng)載疊加之和大于誘發(fā)煤巖體強(qiáng)礦震顯現(xiàn)的最小載荷，就會(huì)誘發(fā)大能量礦震。

③上區(qū)段采空區(qū)覆巖運(yùn)動(dòng)處于極限平衡狀態(tài)，受采動(dòng)影響時(shí)，覆巖的極限平衡狀態(tài)被打破，引發(fā)遺留煤柱應(yīng)力進(jìn)一步集中，造成失穩(wěn)，特別是不規(guī)則煤柱的尖端部位，釋放大量能量。

參考文獻(xiàn)：

[1]張明偉，竇林名，王占成，等.深井SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用[J].煤礦開采，2010，15（2）：16-20.

[2]鞏思園，竇林名，曹安業(yè)等.煤礦微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)研究.地球物理學(xué)報(bào)，2010，53（2）：457-465.

[3]竇林名，何學(xué)秋.沖擊地壓防治理論與技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.