基于震動場監(jiān)測的采動覆巖運移規(guī)律分析

李二峰

（山西煤炭運銷集團陽城惠陽煤業(yè)有限公司 ，山西 陽城 048100）

1 地質(zhì)概況

沖擊地壓災(zāi)害作為一種煤礦動力災(zāi)害，具有瞬時震動性、突發(fā)性、類型多樣性、巨大破壞性，其井下顯現(xiàn)一般表現(xiàn)為瞬時煤巖體沖出，從而造成工作面及順槽支架壓彎，巷道瞬間閉合，沖擊過程短暫，持續(xù)時間僅為幾秒至幾十秒。近年來隨著對沖擊地壓研究深入，逐漸形成了一系列沖擊地壓防治與預(yù)防理論，主要包括能量理論、沖擊啟動理論、剛度理論、三因素理論、動靜載荷理論等[1-5]。潘俊峰教授[6]基于微震監(jiān)測與總結(jié)，將沖擊地壓發(fā)生過程劃分為三階段，通過引進(jìn)不確定性系統(tǒng)分析法，提出了煤礦沖擊地壓啟動理論，表明采動圍巖近場系統(tǒng)內(nèi)集中載荷的積聚是沖擊地壓發(fā)生內(nèi)因；竇林名教授[7]針對現(xiàn)階段沖擊地壓發(fā)生情況，綜合分析動載與靜載發(fā)生沖擊地壓能量和應(yīng)力條件，系統(tǒng)提出了動靜載荷疊加誘發(fā)沖擊地壓的理論。上述研究成果為現(xiàn)階段沖擊地壓研究與預(yù)防體統(tǒng)了完善的理論的與先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)，本文在綜合在采用原有理論成果基礎(chǔ)上，通過微震監(jiān)測手段實現(xiàn)了采動影響下覆巖裂隙發(fā)育高度、超前影響距離、覆巖結(jié)構(gòu)演化規(guī)律的監(jiān)測與分析，為礦井超前支護(hù)設(shè)計，覆巖頂板運移規(guī)律研究提供技術(shù)參數(shù)，保證了礦井安全生產(chǎn)。

某礦井3306工作面為礦井正常接續(xù)面，其北側(cè)為3304采空區(qū)，南側(cè)為3308實體煤，區(qū)段煤柱寬度為5m，工作面傾斜長度180m，走向長度約650m，煤層單軸抗壓強度15MPa，礦井埋深約900m，煤層的直接頂為5.34m的泥巖，老頂為1.6m的中砂巖；直接底為0.27m的泥巖，0.95m的細(xì)砂巖和6.68m的粉砂巖。工作面范圍內(nèi)多地質(zhì)構(gòu)造，斷層分布較多，最大斷層落差30m，具備發(fā)生沖擊地壓的基礎(chǔ)條件。3306工作面平面示意圖如圖1所示。

圖1 3306工作面平面分布圖

2 理論分析與計算

3306工作面回采期間主要受到地質(zhì)斷層，采空區(qū)覆巖結(jié)構(gòu)演化影響，因此在回采階段應(yīng)重點實現(xiàn)對單工作面見方及過地質(zhì)異常帶監(jiān)測。

隨著3306工作面回采，基于采動影響從而造成采空區(qū)覆巖裂隙發(fā)育高度逐漸向上發(fā)育，從而造成單見方效應(yīng)顯現(xiàn)。依據(jù)現(xiàn)場工程經(jīng)驗及現(xiàn)有基礎(chǔ)礦壓理論分析，現(xiàn)階段3306覆巖裂隙發(fā)育高度約為傾向長度一半，后期隨著工作面推進(jìn)造成3306覆巖裂隙與原有3304工作面裂隙貫通，從而發(fā)育至該地質(zhì)條件下破裂高度最大值，在工作面推進(jìn)造成的覆巖裂隙發(fā)育高度變化過程中，容易造成關(guān)鍵層及上覆巖層不斷發(fā)生斷裂或滑移，極易誘發(fā)動力災(zāi)害，因此應(yīng)加強后期工作面覆巖結(jié)構(gòu)演化過程中沖擊地壓防治工作。

圖2 采動覆巖運移示意圖

式中：L為工作面傾斜長度，m。

通過該礦井3306工作面傾向長度計算得到覆巖裂隙發(fā)育高度約為90m。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測方案設(shè)計

為實現(xiàn)工作面震動場監(jiān)測，保證工作面安全回采，在3306工作面兩順槽內(nèi)安裝了8組檢波器，其中檢波器安裝間距為100-300m，兩順槽之間采用交叉布置，從而降低設(shè)備移組對監(jiān)測精度影響。基于震動場監(jiān)測的設(shè)備安裝示意圖如圖3所示。

圖3 微震監(jiān)測設(shè)備安裝示意圖

3.2 基于微震監(jiān)測的覆巖運移規(guī)律分析

通過微震監(jiān)測手段，主要實現(xiàn)了采動影響下震動事件定位，從而實現(xiàn)單工作面見方期間振動事件平面分布距離，走向定位高度、傾向定位高度事件統(tǒng)計，進(jìn)一步得到采動影響下超前支承壓力影響距離監(jiān)測，覆巖裂隙微觀發(fā)育高度監(jiān)測，基于微震監(jiān)測的事件分布如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 基于微震監(jiān)測的平面分布距離監(jiān)測

圖5 基于微震監(jiān)測揭示的走向剖面分布圖

圖6 基于微震監(jiān)測揭示的傾向剖面分布圖

通過圖4監(jiān)測可知，基于微震監(jiān)測揭示的采動影響下單工作面見方階段震動事件平面分布距離約超前工作面180m，微震事件定位超期距離區(qū)別于超前支承壓力峰值影響區(qū)域，這是由于震動事件定位為覆巖微觀裂隙發(fā)育與裂隙貫通點，采動影響下工作面超前支護(hù)距離應(yīng)小于或等于該監(jiān)測距離。

通過圖5監(jiān)測可知，采動影響下工作面走向監(jiān)測事件基本呈現(xiàn)雙拱形，低位拱形運移控制工作面動壓顯現(xiàn)，其發(fā)育高度大致為90m，與理論分析結(jié)果較一致；高位拱形的運移造成了覆巖頂板的運移，基于微震監(jiān)測揭示的高位拱發(fā)育高度約180m。另外，大能量事件主要分布在頂板內(nèi)，底板集中分布小能量震動事件。

通過圖6監(jiān)測可知，采動影響下大能量事件主要集中分布在工作面高位頂板內(nèi)，小能量事件主要分布在低位頂板及底板范圍內(nèi)，這是由于工作面低位頂板無堅硬巖層且頻繁受到超前支護(hù)擾動造成的微震事件在空間展布形態(tài)的差異。

結(jié)合工作面地質(zhì)鉆孔資料可知，工作面頂板約80～90m范圍內(nèi)存在一層厚度約7m的砂巖頂板，同時結(jié)合微震監(jiān)測揭示的3306工作面微震事件走向剖面圖可知，微震大能量事件主要發(fā)育至頂板90m范圍的砂巖組內(nèi)，因此判定該層位屬于3306單工作面見方期間覆巖的一關(guān)鍵層位；基于微震監(jiān)測揭示的震動事件剖面分布可知，大能量事件主要集中在工作面上部約140～200m范圍內(nèi)，小能量震動事件主要分布在低位頂板及底板內(nèi)。

4 結(jié)論

1）基于理論計算分析得到單工作面見方期間是覆巖結(jié)構(gòu)演化期，理論計算得到覆巖裂隙發(fā)育高度達(dá)約為90m。

2）基于震動場監(jiān)測的采動影響下微震事件平面分布超前距離約180m，覆巖裂隙發(fā)育高度為90m，與理論計算結(jié)果較吻合，為超前支護(hù)優(yōu)化提供技術(shù)參數(shù)。

3）基于理論分析與現(xiàn)場監(jiān)測監(jiān)研究得到工作面采動影響下覆巖運移規(guī)律，為沖擊地壓監(jiān)測提供技術(shù)支撐，指導(dǎo)礦井超前支護(hù)設(shè)計，有效保證回采安全。