深部厚煤層巷道掘進(jìn)微震預(yù)警參數(shù)及臨界指標(biāo)研究

王 濤，李 根，姜 濤，王向宏

(1.皖北煤電集團(tuán)，安徽 宿州 234001；2.山東理工大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255000；3.淄博市王莊煤礦有限公司，山東 淄博 255400)

近年來，我國煤炭資源基于復(fù)雜條件下，開采深度也逐年增加，沖擊地壓危險(xiǎn)性相對逐年加大，且沖擊形式也呈現(xiàn)出多樣化特征。具有自發(fā)性和時(shí)滯性特點(diǎn)的隱蔽性災(zāi)害“蠕變型”沖擊事故，多發(fā)生在深部特厚煤層巷道掘進(jìn)過程中[1-3]。彈性能量易在底煤較厚的底板積聚，加之底板支護(hù)強(qiáng)度低，其沖擊危險(xiǎn)性更為顯著[4，5]。沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警主要依靠微震、煤巖體應(yīng)力、鉆屑、電磁輻射等技術(shù)手段。微震監(jiān)測技術(shù)具有距離遠(yuǎn)、實(shí)時(shí)、可三維定位等優(yōu)點(diǎn)，多應(yīng)用于沖擊地壓礦井[6-8]。目前微震監(jiān)測研究多關(guān)注于確定預(yù)警參數(shù)和構(gòu)建預(yù)警平臺。于洋等人[9]根據(jù)深埋硬巖隧洞局部能量釋放率與微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了巖爆風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)預(yù)警指標(biāo)。談國文等人[10]根據(jù)“列表法”“臨界域”理念、“三率法”等方法，分析確定了汪家寨煤礦煤與瓦斯突出預(yù)警指標(biāo)。王永等人[11]通過微震、應(yīng)力及鉆屑等多參量，建立了煤礦沖擊地壓多參量監(jiān)測預(yù)警平臺。夏雙等人[12]分析了微震C反演評價(jià)指標(biāo)和電磁輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系。

特厚煤層沖擊地壓致災(zāi)機(jī)理、沖擊危險(xiǎn)性及其與微震預(yù)警參數(shù)的關(guān)聯(lián)性具有特殊性[13]，目前相關(guān)研究較少。因此，本文以崔木煤礦深部特厚煤層巷道掘進(jìn)為工程實(shí)例，分析微震信號在此條件下的典型特征，進(jìn)而探索微震預(yù)警指標(biāo)與沖擊危險(xiǎn)性的關(guān)聯(lián)性，為防治此類沖擊地壓提供一定的理論依據(jù)和工程參考。

1 工程概況

崔木煤礦21306工作面采深663～717m，煤巖層整體屬單斜構(gòu)造，傾角小于15°，煤層厚度16～19m，屬特厚煤層。周邊存在向斜和背斜構(gòu)造及DF1斷層構(gòu)造。直接頂為0.3～0.5m泥巖，直接底為0.5～3.35m炭質(zhì)-鋁質(zhì)泥巖。由于底板炭質(zhì)-鋁質(zhì)泥巖遇水易膨脹軟化，因此巷道留設(shè)2m底煤。21306工作面運(yùn)輸巷鄰近21305采空區(qū)掘進(jìn)，留設(shè)36m區(qū)段煤柱，東側(cè)與21305泄水巷間存在8m煤柱，崔木煤礦21306工作面位置及微震探頭布置如圖1所示。

圖1 崔木煤礦21306工作面位置及微震探頭布置

21306工作面安裝了可監(jiān)測震動能量大于100J、頻率0～150Hz及低于30dB震動事件的SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)通過24位σ-δ轉(zhuǎn)換器及記錄服務(wù)器，完成震動信號的轉(zhuǎn)換和記錄。在工作面附近布置4#、8#和6#檢波器，由于6#檢波器距運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面較遠(yuǎn)，易產(chǎn)生監(jiān)測盲區(qū)造成事件遺漏。因此，為有效監(jiān)測掘進(jìn)工作面微震事件，在回風(fēng)巷800m位置處增加1個(gè)檢波器“增1”，并在高位巷內(nèi)布置1個(gè)檢波器“增2”。此外，為保證微震臺網(wǎng)的布置能適應(yīng)不斷移動的采掘作業(yè)，使得迎頭附近具有較高的微震事件定位精度，巷道每掘進(jìn)300m對微震臺網(wǎng)進(jìn)行一次優(yōu)化，同時(shí)進(jìn)行定位校驗(yàn)。

2 掘進(jìn)期間微震數(shù)據(jù)分析

2.1 微震事件分布規(guī)律

微震事件發(fā)生的頻次和能量可表征采掘過程中的沖擊危險(xiǎn)程度，巷道掘進(jìn)過程中5次方以上的大能量事件發(fā)生伴有煤炮或頂板震動現(xiàn)象。對21306運(yùn)輸巷掘進(jìn)過程中每天采集的微震事件頻次、微震事件能量和5次方以上能量事件分布進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，微震事件呈現(xiàn)明顯的階段性特點(diǎn)，整個(gè)掘進(jìn)過程可分為鄰近泄水巷掘進(jìn)階段(8m煤柱)、正常掘進(jìn)階段、對頭掘進(jìn)階段和貫通階段四個(gè)階段。微震事件能量和頻次分布曲線如圖2所示。

圖2 21396運(yùn)輸巷掘進(jìn)微震事件能量、頻次曲線

分析微震事件頻次曲線可知，泄水巷掘進(jìn)期間和巷道貫通期間微震事件頻次較高。鄰近泄水巷掘進(jìn)期間，每天平均頻次為17.3次；巷道貫通階段，隨著巷道掘進(jìn)面案貫通距離的縮短，微震事件頻次逐步增加，該階段范圍內(nèi)每天平均20.6次。微震事件頻次最低的階段為正常掘進(jìn)期間，日平均事件數(shù)量為5.9次。

分析微震事件能量曲線可知，不同掘進(jìn)階段微震事件能量曲線呈現(xiàn)一定規(guī)律性。泄水巷掘進(jìn)期間頻次和能量起伏變化，在掘進(jìn)初期，由于突然改變了煤巖體的原有應(yīng)力平衡，微震頻次和能量有明顯變化，沖擊危險(xiǎn)性增強(qiáng)；隨著掘進(jìn)的進(jìn)行，煤巖體應(yīng)力趨于新的平衡，相應(yīng)的微震頻次和能量明顯下降；但到了泄水巷掘進(jìn)末期，由于與21305工作面采空區(qū)之間存在小煤柱局部高應(yīng)力區(qū)，微震頻次和能量趨勢上升。在相向掘進(jìn)期間，隨著兩掘進(jìn)工作面距離不斷縮短，微震頻次和能量有明顯的增加趨勢；當(dāng)停止一側(cè)工作面掘進(jìn)后，微震頻次和能量有所回落；隨著貫通距離的縮短，在貫通距離不足80m后，微震能量又快速增加，直至貫通結(jié)束。其中，巷道貫通階段單天微震能量最大，每天平均能量為1.46×105J；其次為鄰近泄水巷掘進(jìn)期間，每天平均能量為1.23×105J；運(yùn)輸巷對頭掘進(jìn)期間，每天平均能量為1.13×105J；正常掘進(jìn)期間，日平均能量最小，為3.79×104J。

21306運(yùn)輸巷掘進(jìn)期間，共計(jì)發(fā)生105J以上的大能量事件15次，巷道掘進(jìn)現(xiàn)場有明顯的頂板震動現(xiàn)象及煤炮聲。正常掘進(jìn)期間大能量事件只發(fā)生1次；鄰近泄水巷掘進(jìn)期間發(fā)生4次，且時(shí)間較分散；相向?qū)蚱陂g5次，時(shí)間相對較密集；貫通階段5次，時(shí)間相對最為密集。

由圖2微震事件能量和頻次擬合曲線的比較可以看出，鄰近泄水巷掘進(jìn)期間、運(yùn)輸巷相向掘進(jìn)期間及正常掘進(jìn)期間微震監(jiān)測頻次曲線與能量曲線呈現(xiàn)的規(guī)律性基本一致。在貫通階段，微震能量呈逐漸上升趨勢，而微震頻次卻逐漸下降，與此同時(shí)，在這一階段大能量事件明顯增多。由此可推斷，當(dāng)微震頻次持續(xù)降低而能量呈上升趨勢時(shí)，在后續(xù)的掘進(jìn)過程中易產(chǎn)生密集大能量事件。

2.2 掘進(jìn)速度與微震事件的關(guān)系

大量研究表明采掘速度與微震事件之間存在一定相互影響關(guān)系：工作面推進(jìn)速度越快，推進(jìn)速度變化越大，微震事件越顯著[14，15]。崔木煤礦21306運(yùn)輸巷在82d統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)累計(jì)進(jìn)尺529m，SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)共接收到微震事件609個(gè)(能量大于100J)，總能量4.99×106J。將微震事件投影到橫軸時(shí)間軸上，以單日總能量、總頻次和掘進(jìn)速度為縱軸繪制曲線，如圖3所示。

圖3 21306運(yùn)輸巷微震頻次、能量與掘進(jìn)速度之間的關(guān)系曲線

由圖3可以看出，微震事件發(fā)生頻次及能量與掘進(jìn)速度呈正相關(guān)性，隨著掘進(jìn)速度的增加，微震事件頻次、能量也相應(yīng)增加，當(dāng)掘進(jìn)速度減小時(shí)，其微震事件頻次、能量也會呈降低趨勢。大能量事件的發(fā)生主要在掘進(jìn)速度明顯變化時(shí)，隨著掘進(jìn)速度的突然變化，微震事件能量呈增大趨勢。

3 微震監(jiān)測臨界指標(biāo)的確定

不同區(qū)域微震日平均能量有著很大不同，單一的能量和頻次統(tǒng)計(jì)不能完全反映上部巖層活動情況。因此，采用微震次數(shù)異常系數(shù)和微震平均能量異常系數(shù)來表征微震事件異常性和沖擊危險(xiǎn)性的發(fā)展趨勢。其定義分別為發(fā)生礦震期間單位時(shí)間內(nèi)微震次數(shù)、微震平均能量與工作面正常采掘活動期間微震次數(shù)、微震平均能量與的比值，分別用Kn、KEn表示。其具體表達(dá)為：

式中，Kn、KEn為頻次異常系數(shù)和平均能量異常系數(shù)；E均為每日的事件平均能量，J；N均為平均每天發(fā)生微震頻次，個(gè)；E礦震為高能事件發(fā)生前的平均日能量，J；N礦震為高能事件發(fā)生前的平均每天發(fā)生微震頻次，個(gè)；n為時(shí)間步長，天數(shù)。

假定時(shí)間步長n為5，由公式(1)計(jì)算得到的運(yùn)輸巷相向掘進(jìn)35d內(nèi)微震事件能量、頻次的微震活動異常系數(shù)如圖4所示。

圖4 微震異常系數(shù)時(shí)間曲線

從圖4中可以看出，微震大能量事件發(fā)生前期，微震活動異常系數(shù)有明顯提高，當(dāng)平均能量異常系數(shù)為3.3、3.4時(shí)，在第6d、第7d依次發(fā)生了第1次、第2次大能量微震事件；當(dāng)頻次異常系數(shù)和平均能量異常系數(shù)分別持續(xù)增加到5.0和2.9后，在第18d發(fā)生了第3次大能量事件；當(dāng)微震平均能量異常系數(shù)從2.6持續(xù)上升到3.5，頻次異常系數(shù)從1.8持續(xù)上升到2.3時(shí)，在第22d和24d依次發(fā)生了第4次、第5次微震大能量事件。

可以得出，微震大能量事件發(fā)生前期總是伴隨著異常系數(shù)的持續(xù)增強(qiáng)。通過對崔木其他巷道掘進(jìn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析得到：正常情況下，微震活動異常系數(shù)臨界值約為1.5左右；當(dāng)異常系數(shù)值超過1.5，意味著可能發(fā)生大能量震動事件。

4 結(jié) 論

1)深部厚煤層巷道雖然在不同掘進(jìn)階段的能量和頻次表現(xiàn)形式不同，但通過微震數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)其具有一定規(guī)律性。相鄰巷道掘進(jìn)期間、相向掘進(jìn)期間及正常掘進(jìn)期間的微震頻次曲線與能量曲線變化規(guī)律基本一致，但在貫通階段微震頻次逐漸下降而微震能量呈上升趨勢，同時(shí)大能量事件明顯增多。

2) 微震事件發(fā)生頻次及能量與掘進(jìn)速度具有正相關(guān)性，大能量事件的發(fā)生主要在掘進(jìn)速度明顯變化時(shí)。

3)微震大能量事件可用微震活動異常系數(shù)進(jìn)行預(yù)測，通過對崔木煤礦微震數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析可以得到微震活動異常系數(shù)臨界值約為1.5左右。