基于微震監(jiān)測的綜放工作面覆巖“兩帶”高度確定

杜濤濤

(天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

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基于微震監(jiān)測的綜放工作面覆巖“兩帶”高度確定

杜濤濤

(天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013)

為了實現(xiàn)微震監(jiān)測確定綜放工作面覆巖垮落帶、裂縫帶高度的目的，為綜放工作面的“兩帶”研究提供依據(jù)，通過微震監(jiān)測，分析了“兩帶”微震事件分布特征，確定了“兩帶”高度，經(jīng)地面鉆孔探測，驗證了微震監(jiān)測覆巖“兩帶”高度的可行性。研究表明：現(xiàn)場微震監(jiān)測了垮落帶巖層 “裂隙產(chǎn)生—裂隙擴展—巖層斷裂—巖層垮落”的過程，以微震事件分布密集且分層集中為主要特征；裂縫帶巖層 “裂隙產(chǎn)生—裂隙擴展—巖層斷裂”的過程，以微震事件分布不集中，自下而上逐漸減少甚至消失為特征；同一屬性巖層微震事件具有明顯的分層特征，低位分層微震事件集中、高位分層微震事件明顯減少的特征，綜合利用微震事件分布及分層集中特征作為判斷“兩帶”的重要依據(jù)，分析得到垮落帶的高度為109m，裂縫帶巖層高度246～380m。微震監(jiān)測“兩帶”高度較實測結果有些偏差，但基本可以滿足現(xiàn)場需要。

微震監(jiān)測；“兩帶”高度；經(jīng)驗公式；地面鉆孔

目前，分層綜采或普采分層工作面覆巖垮落帶、裂縫帶高度確定多采用經(jīng)驗公式，且“兩帶”高度經(jīng)驗公式已寫入《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱、留設與壓煤開采規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)中，但其不適合綜放開采覆巖“兩帶”高度計算。許延春[1]收集了40余個“兩帶”孔的綜放開采工作面不同硬度類型覆巖的“兩帶”高度數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計回歸分析的方法，得出了綜放開采工作面 “兩帶”高度計算的經(jīng)驗公式，由于公式還未有效得到現(xiàn)場驗證尚未寫入《規(guī)程》。我國通用的巖層破裂監(jiān)測方法是鉆探法，此方法工程量大，且在時間和空間上有較大的局限性。近年來，微震監(jiān)測技術被用于煤礦動力災害研究方面，監(jiān)測圍巖破裂產(chǎn)生的震動信號，通過定位確定震源位置，確定覆巖的運動情況，為研究覆巖運動的空間結構提供了新手段。姜福興[2-3]研究了煤礦沖擊地壓與巖層在三維空間破裂之間的關系；成云海[4-5]采用微地震定位監(jiān)測技術揭示了采場覆巖空間破裂與采動應力場的關系；陸菜平[6-7]利用微震監(jiān)測技術開展了煤巖體微震異常信號的突變時刻、突變時刻所對應的頻率成分及其前兆信息研究；李世愚[8]通過礦震定位研究得到了礦震與開采進程的相關性；夏永學[9-10]利用微震監(jiān)測系統(tǒng)研究了圍巖破壞和應力分布特征。

綜上所述，回歸方法得到的綜放開采工作面覆巖“兩帶”計算的經(jīng)驗公式還有待于進一步驗證及修正，現(xiàn)場實測覆巖“兩帶”高度更符合現(xiàn)場實際情況，但存在測點少、工程量大的局限性，微震監(jiān)測為研究覆巖“兩帶”提供了一種實時監(jiān)測、簡便可行的新手段。為有效利用微震監(jiān)測，確定綜放工作面“兩帶”高度，初步探討了微震監(jiān)測確定覆巖垮落帶、裂縫帶高度的活動特征，并通過現(xiàn)場實測進行驗證。

1　綜放工作面覆巖“兩帶”高度微震監(jiān)測

1.1綜放工作面覆巖結構特征

21141工作面位于21區(qū)下山西翼，工作面切眼西到礦井邊界煤柱，東到21區(qū)下山煤柱，北臨21121工作面(已采)，南臨21161工作面(未采)。21141工作面上巷為沿空掘巷，設計長度1439m；下巷實體煤掘進，設計長度1537m。上巷對應地表標高為+590.1～+614.2m，井下標高為-39.4～-64.8m。下巷對應地表標高為+590.1～+606.8m，井下標高-68.7～-97.2m，工作面平均采深684.4m。巖層結構特征如表1所示。

表1　巖層結構特征

1.2ARAMIS M/E微震監(jiān)測布置

21141工作面周圍拾震器布置是S5，S6，S7，主要大巷、上山、永久硐室拾震器布置是S1，S2，S3，S4，S8，其他拾震器不在本區(qū)域內(nèi)，拾震器布置如圖1所示。

圖1　微震拾震器布置

ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)構成如下：

系統(tǒng)信息傳輸系統(tǒng)(DTSS)該部分包括地面SP/DTSS信息收集站，其由OCGA數(shù)字信號接收裝置、配備GPS時鐘的ST/DTSS傳輸系統(tǒng)控制模塊、主通道切換模塊以及SR 15-150-4/11 I型配電裝置組成[11]。

SN/DTSS井下分站包括SPI-70拾震器以及NSGA震動信號發(fā)射裝置。ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了礦山震動定位、震動能量計算及震動的危險評價。系統(tǒng)可以監(jiān)測震動能量大于100J，頻率范圍在0～150Hz之間及低于100dB的震動事件[11]。傳感器監(jiān)測震動事件并將其處理為數(shù)字信號，然后由數(shù)字信號傳輸系統(tǒng)DTSS傳送到地面，完成連續(xù)、實時的震動監(jiān)測。

1.3覆巖“兩帶”高度微震監(jiān)測分析

為了揭示上覆巖層“兩帶”高度，依據(jù)微震事件在巖層層位的分布集中度進行判定。上覆巖層經(jīng)歷“裂隙產(chǎn)生—裂隙擴展—巖層斷裂—巖層垮冒”的過程，并且?guī)r層垮落是自下而上分層垮落。因此，“兩帶”巖層發(fā)育的每個過程均伴隨著微震事件的產(chǎn)生，并且自下而上的各巖層產(chǎn)生的微震事件分布與集中度不同。

微震事件傾向剖面分布如圖2所示，橫軸代表大地坐標，縱軸為高程，單位m。上覆泥巖、中細砂巖巖層產(chǎn)生的微震事件集中度高，容易判定位于垮落帶。而厚180m的砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細砂巖、礫巖互層微震事件集中度具有明顯的分層特征，其低位85m的分層厚度的微震事件集中度較密集，分布大量的微震事件，而且微震事件在傾向方向分布特點明顯不同；其高位95～180m的分層微震事件集中度明顯減少，工作面上部事件集中與工作面下部微震事件分布具有明顯的分布界限。礫巖層的低位巖層分布少許的微震事件，表明礫巖的低位巖層也發(fā)生了破裂變形。

圖2　微震事件傾向剖面分布

(1)垮落帶巖層 “裂隙產(chǎn)生—裂隙擴展—巖層斷裂—巖層垮落”的過程，微震事件分布密集且分層集中，具有明顯分層特征?？迓鋷У臀粠r層破壞發(fā)展充分，微震事件分布集中度高，自下而上分層垮落，越是高位巖層微震事件集中度越低，這是垮落帶巖層發(fā)育的一個特征。

(2)裂縫帶巖層 “裂隙產(chǎn)生—裂隙擴展—巖層斷裂”的過程，微震事件分布分散，集中度低。裂縫帶在微震事件集中度與垮落帶具有明顯的界限，微震事件分布不集中，表現(xiàn)為自下而上逐漸減少甚至消失，這是裂縫帶巖層發(fā)育的一個特征。

綜上，在傾向方向，沿微震事件分布明顯的界限畫出垮落帶的形態(tài)，從而得到垮落帶的高度為109m；裂縫帶巖層高度246～380m。

圖3為開采過程微震事件走向分布，橫軸為大地坐標，縱軸為高程，單位m。沿走向判斷“兩帶”發(fā)育高度較傾向分析困難，但是依據(jù)傾向分析結果，仔細梳理辨別，同樣可以找尋巖層破壞發(fā)展過程，為微震監(jiān)測“兩帶”應用提供借鑒。

(1)通過分析微震事件產(chǎn)生過程發(fā)現(xiàn)，微震事件主要集中在工作面前方，工作面后方采空區(qū)上覆巖層產(chǎn)生的微震事件較少。采空區(qū)后方的垮落產(chǎn)生的微震事件辨別較困難，但利用微震監(jiān)測確定巖層采動作用下“裂隙產(chǎn)生—擴展—破壞”的過程比較容易。

圖3　微震事件走向剖面分布

(2)同一屬性巖層微震事件具有明顯的分層特征，具有低位分層微震事件集中，高位分層微震事件明顯減少的特征。綜合利用微震事件分布具有分層集中特征作為判斷“兩帶”的重要依據(jù)，當分層特征不明顯時，應結合傾向分布特征和經(jīng)驗公式計算綜合確定。

2　現(xiàn)場實測驗證

2.1微震監(jiān)測驗證

“兩帶”高度與開采尺度等密切相關，21141工作面歷時約2a的開采，覆巖經(jīng)歷了足夠長時間的運動發(fā)展，歷時約1a采用微震監(jiān)測確定了工作面“兩帶”，再經(jīng)過約10個月的微震監(jiān)測，大量監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證表明，確定的“垮落帶”演化過程基本一致，而“裂縫帶”高度隨開采過程變化發(fā)展，最終可根據(jù)微震事件分布確定裂縫帶發(fā)展的最大高度，微震監(jiān)測“兩帶”演化過程如圖4所示，橫軸代表大地坐標，縱軸為高程，單位m。

2.2地面鉆探實測驗證

(1)探測方法微震確定“兩帶”高度需要與實測結合驗證，為探測21采區(qū)覆巖“兩帶”發(fā)展情況，在21采區(qū)已開采的21121綜放工作面采空區(qū)，開展了2個鉆孔探測試驗。采用130mm口徑開孔，孔深45.57m時變?yōu)?10mm口徑。

圖4　“兩帶”高度驗證過程

(2)探測結果1號鉆孔鉆進孔深538m，在219m處進入導水裂縫帶。自292m處開始采用頂漏鉆進的方法，鉆機每小時最小用水量8m3左右，鉆進至243m時，發(fā)生瓦斯涌出現(xiàn)象，在提取的巖芯中，巖芯破碎，采取完整率只有16%，有5處出現(xiàn)約2.5～6m掉鉆現(xiàn)象，即裂隙。從324m處該鉆孔又采用堵漏鉆進施工，并用水泥漿對孔內(nèi)裂隙進行封堵。[12]從324m封堵至286m，封堵38m，消耗水泥17t。鉆進過程中，出現(xiàn)以下幾種現(xiàn)象：出現(xiàn)掉鉆現(xiàn)象，掉鉆深度1.8m；出現(xiàn)碎石埋鉆現(xiàn)象，提取巖芯破碎；孔內(nèi)漏水嚴重；特別是紅色泥質(zhì)砂巖遇水易出現(xiàn)松軟、垮塌現(xiàn)象；用水泥封堵后，還是出現(xiàn)掉鉆、埋鉆現(xiàn)象。根據(jù)以上發(fā)現(xiàn)情況認定1號鉆孔已進入采空區(qū)垮落帶。探測分析結果如圖5所示。

圖5　1號鉆孔探測結果

2號鉆孔鉆進孔深385m，在251m處進入導水裂縫帶，裂隙發(fā)育較多。在256m裂隙處出現(xiàn)瓦斯涌出現(xiàn)象，向下鉆進的過程中，瓦斯涌出現(xiàn)象出現(xiàn)斷續(xù)，自進入導水裂縫帶后，孔內(nèi)出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象。探測分析結果如圖6所示。

圖6　2號鉆孔探測結果

地面鉆孔分析結果為：覆巖垮落帶高度為94.4m，裂縫帶高度范圍為324～410m。微震監(jiān)測“兩帶”高度較實測結果有些偏差，垮落帶較實際偏大、裂縫帶較實測偏小，主要有2個方面原因：一是微震監(jiān)測精度限制；二是微震監(jiān)測的回采工作面覆巖未充分發(fā)展。考慮巖層運動是不斷變化的，微震監(jiān)測法確定覆巖“兩帶”的高度具有實時性、操作方便性。

3　結　論

(1)現(xiàn)場微震監(jiān)測分析得到“兩帶”的發(fā)育分布特征?？迓鋷r層“裂隙產(chǎn)生—裂隙擴展—巖層斷裂—巖層垮落”的過程，微震事件分布密集且分層集中。裂縫帶巖層“裂隙產(chǎn)生—裂隙擴展—巖層斷裂”的過程，微震事件分布分散，表現(xiàn)為自下而上逐漸減少甚至消失。

(2)同一屬性巖層微震事件存在明顯的分層特征，具有低位分層微震事件集中，高位分層微震事件明顯減少的特征，可作為判斷“兩帶”的重要依據(jù)。當分層特征不明顯時，應結合傾向分布特征綜合判斷，微震監(jiān)測分析得到垮落帶的高度為109m，裂縫帶巖層高度246～380m。

“兩帶”高度與開采尺度大小密切相關，微震監(jiān)測確定“兩帶”高度需要與實測結合驗證。微震監(jiān)測確定的“兩帶”高度較實測結果有些偏差，但基本可以滿足現(xiàn)場需要?？紤]“兩帶”發(fā)育過程是變化的，微震監(jiān)測法確定覆巖“兩帶”的高度具有實時性、操作方便性，具有應用價值。后續(xù)有待進一步提高微震監(jiān)測精度、取得更多數(shù)據(jù)，從而進一步揭示不同開采尺度覆巖破壞發(fā)展過程。

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[責任編輯：潘俊鋒]

‘Two-zones’ Height Determination of Top Coal Caving Working Face Based on Micro Seismic Monitoring

DU Tao-tao

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science& Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

In order to implement the aim that collapse zone height and fracture zone height of top coal caving working face were determined by micro seismic monitoring，and provide the basic for ‘two-zones’ studying of top coal caving working face.According micro seismic monitoring，the height of ‘two-zones’ was determined by ‘two-zones’ micro seismic accident distribution characters，the feasibility that overburden ‘two-zones’ height monitored by micro seismic was verified by surface drilling.The research showed that the process ‘ fracture appear- fracture develop- strata fracture- strata collapse’ of strata in collapse zone was monitored by micro seismic，its main characters is micro seismic incident distribution densely and layering concentration，and the process “ fracture appear- fracture develop- strata fracture” appeared in fracture zone，its main characters was micro seismic incident disperse，and then decreased or disappeared form down to up，second，an obvious layering characters of micro seismic incident appeared in that same property strata，micro seismic incident densely in low layering but decreased obviously in high layering，the characters of micro seismic incident distribution and layering densely were important reasons for ‘two-zone’ judging，the height of collapse zone was 109m after analysis，fracture zone height was 246～380m.Its results was deviated for filed measurement，but it could meet filed need.

micro seismic monitoring；‘two-zones’ height；empirical formula；surface drilling

2016-04-05

國家自然科學基金資助項目(51304116，51574149)

杜濤濤(1984-)，男，山東棗莊人，碩士，助理研究員，主要從事沖擊地壓的研究。

TD821；P315.63

A

1006-6225(2016)05-0079-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.022

[引用格式]杜濤濤.基于微震監(jiān)測的綜放工作面覆巖“兩帶”高度確定[J].煤礦開采，2016，21(5)：79-82，74.