復(fù)合頂板下沖擊地壓煤層綜放工作面微震特征分析

高永剛，葉 飛，趙維收

(陜西彬長(zhǎng)小莊礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713500)

隨著煤礦向深部開采，沖擊地壓作為一種常見的煤礦動(dòng)力災(zāi)害，許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究[1-4]。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以用來(lái)研究煤巖層的活動(dòng)規(guī)律、煤巖體的破裂機(jī)制及礦震時(shí)空演化規(guī)律，可以對(duì)沖擊地壓等煤巖動(dòng)力災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警[5-10]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微震活動(dòng)特征開展了大量的卓有成效的研究。姜福興[11]、竇林名[12]、潘一山[13]等采用微震系統(tǒng)對(duì)三維空間內(nèi)所有煤巖體破裂過(guò)程進(jìn)行24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)，采集和分析煤巖體微破裂時(shí)產(chǎn)生的彈性波，判斷煤巖體破裂的時(shí)間、空間位置、震級(jí)、能量釋放等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊地壓的超前預(yù)警；夏永學(xué)等[14]提出了微震預(yù)測(cè)沖擊地壓的5個(gè)指標(biāo)；CAO Anye等[15]運(yùn)用微震系統(tǒng)的被動(dòng)層析成像技術(shù)對(duì)孤島工作面沖擊危險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)。但上述研究大多針對(duì)厚層堅(jiān)硬頂板開展，針對(duì)復(fù)合頂板條件下微震活動(dòng)特征的研究尚顯不足。

筆者對(duì)小莊煤礦復(fù)合頂板條件下40204綜放工作面回采期間的微震活動(dòng)特征進(jìn)行研究，并由此制訂特厚煤層綜放工作面防沖措施。分析結(jié)果對(duì)類似條件下的沖擊地壓煤層安全回采具有借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工作面概況

40204綜放工作面主采4#煤層，其埋深約+518～+690 m，平均煤層傾角約3°～4°。40204綜放工作面走向長(zhǎng)1 801 m、寬195 m，工作面區(qū)域內(nèi)煤層賦存較為穩(wěn)定，平均厚度22 m，南鄰40203采空區(qū)，其余3面均為實(shí)體煤。

工作面回采前煤巖體中蘊(yùn)含集中靜載荷，在工作面開始回采后，由于綜放開采頂煤、頂板垮落或頂板彎曲下沉，導(dǎo)致在煤體中發(fā)生破裂事件。采用微震系統(tǒng)對(duì)工作面回采過(guò)程中產(chǎn)生的煤巖破裂事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在工作面上下巷各布置3個(gè)探頭，同一巷道內(nèi)探頭間距不超過(guò)300 m。

1.2 復(fù)合頂板概況

根據(jù)小莊煤礦40204工作面附近的1-2和2-4鉆孔柱狀圖可知，局部區(qū)域4#煤層上方垂距約60 m范圍內(nèi)頂板巖層巖性及厚度如表1所示。

表1 40204工作面局部區(qū)域4#煤層上方頂板結(jié)構(gòu)

由表1可知，勘探鉆孔附近區(qū)域多由厚度小于10 m的薄巖層組成，在1-2柱狀中煤層上方13層巖層中僅有2層厚度大于10 m，在2-4柱狀中煤層上方 13層巖層中僅有1層厚度大于10 m，并且在統(tǒng)計(jì)的13層巖層中，1-2柱狀包括7層砂巖，2-4柱狀包括6層砂巖，砂巖為鈣質(zhì)或泥質(zhì)膠結(jié)，硬度較高。對(duì)比1-2和 2-4 柱狀圖，發(fā)現(xiàn)兩鉆孔巖層結(jié)構(gòu)差異較大。由此可見，鉆孔附近區(qū)域4#煤層上方垂距約60 m范圍內(nèi)含有多層堅(jiān)硬巖層但厚度較小，且頂板巖層賦存穩(wěn)定性較差，頂板巖層內(nèi)沒(méi)有起主要作用的亞關(guān)鍵層，頂板硬度是靠多層薄硬巖層疊加而得。

2 復(fù)合頂板下綜放開采微震活動(dòng)特征分析

2.1 微震基本規(guī)律分析

選取40204綜放工作面及其周圍100 m范圍的微震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，此時(shí)空范圍內(nèi)共有46 529個(gè)有效微震事件，總能量為1.10×108J，平均能量為 2.36×103J，最大能量為3.13×105J。在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)間范圍內(nèi)，工作面共推進(jìn)1 123.3 m，平均每米釋放能量為9.76×104J。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，能量大于104J微震事件占總頻次的1.12%；能量小于104J微震事件占總頻次的70.39%，其能量和頻次均占主導(dǎo)地位；能量小于 103J 微震事件占總頻次的28.37%，這表明回采過(guò)程中圍巖積聚的能量釋放較為均勻，對(duì)沖擊地壓的防治較為有利。根據(jù)以往發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象來(lái)看，當(dāng)微震事件能量在104J以上時(shí)，就有可能對(duì)巷道圍巖造成破壞，而在40204綜放工作面回采過(guò)程中，最大能量為3.13×105J，說(shuō)明40204綜放工作面回采期間具有一定的沖擊危險(xiǎn)性。但能量釋放還是以“高頻低能”的形式為主，這主要由于回采前和回采中采取的大量卸壓措施在煤層內(nèi)形成了大量裂隙，導(dǎo)致能量的逐漸釋放，也說(shuō)明了目前煤層大孔徑鉆孔卸壓參數(shù)較為合理，形成的裂隙場(chǎng)連續(xù)性較好。

2.2 微震頻次與能量的周期性變化

40204綜放工作面回采過(guò)程中每天的微震事件頻次和能量的變化曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，在40204綜放工作面回采前期微震事件的頻次和能量保持在較低水平，中后期有3個(gè)明顯的微震事件活躍時(shí)段：

1)A時(shí)段：A活躍時(shí)段持續(xù)48 d，平均每日微震頻次為282，單日微震能量總和平均為6.72×105J。

2)B時(shí)段：B活躍時(shí)段持續(xù)35 d，平均每日微震頻次為311，單日微震能量總和平均為7.66×105J。B時(shí)段相對(duì)于A時(shí)段，微震活躍度進(jìn)一步升高。在A和B活躍時(shí)段出現(xiàn)時(shí)，工作面內(nèi)并沒(méi)有大的地質(zhì)構(gòu)造，采掘布置情況相對(duì)于開采初期也沒(méi)有大的變化，工作面回采速度也比較穩(wěn)定，表明該區(qū)域頂板巖層結(jié)構(gòu)硬度較大，從而出現(xiàn)了這2個(gè)微震活躍時(shí)段。

圖1 40204綜放工作面回采期間微震事件每天頻次和能量變化曲線

3)C時(shí)段：C活躍時(shí)段持續(xù)64 d，平均每日微震頻次為146，單日微震能量總和平均為2.70×105J。該時(shí)段相對(duì)于A和B時(shí)段，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，但能量和頻次有所下降。該時(shí)段受停采煤柱及其附近巷道群的影響，微震能量和頻次大幅升高。

40204綜放工作面每推進(jìn)5 m時(shí)的微震能量變化情況見圖2?？梢钥闯?，工作面回采的大部分時(shí)間均處于弱沖擊危險(xiǎn)水平，少量時(shí)段工作面受頂板斷裂產(chǎn)生的動(dòng)載擾動(dòng)影響，沖擊危險(xiǎn)性有所升高，達(dá)到了中等沖擊危險(xiǎn)水平。

圖2 40204綜放工作面回采期間沖擊危險(xiǎn)性分析

綜上分析，40204綜放工作面由于頂板巖層屬于多層復(fù)合膠結(jié)頂板，單層厚度通常小于5 m，并且堅(jiān)硬巖層較少，因此微震能量和頻次較低，但局部頂板硬度加大，依然會(huì)導(dǎo)致微震活躍度的升高。

2.3 微震活動(dòng)與采動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系分析

研究表明，煤巖體破裂發(fā)生在應(yīng)力差較大的區(qū)域，因此，煤巖體破裂區(qū)總是與高應(yīng)力差區(qū)域相重合，并與高應(yīng)力集中區(qū)域相接近，由此可見，只要監(jiān)測(cè)到煤巖破裂區(qū)域，即可找到高應(yīng)力區(qū)域和高應(yīng)力差區(qū)域。每一次煤巖體破裂都會(huì)產(chǎn)生一次微震事件和聲波，而震動(dòng)能量、頻次等又反映了煤巖體受力破壞程度，微震事件能量越大、震動(dòng)越頻繁，則煤巖體應(yīng)力集中程度越大，破壞越嚴(yán)重。因此，可通過(guò)微震監(jiān)測(cè)開采過(guò)程中微震事件能量、頻次及發(fā)生位置等參數(shù)來(lái)分析采動(dòng)對(duì)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)分布特征的影響。

為研究工作面前方超前支承壓力的分布特征，采用固定工作面的方法(即假定工作面的位置是固定不動(dòng)的)，根據(jù)定位結(jié)果及工作面推進(jìn)進(jìn)度，可以計(jì)算出每個(gè)微震事件相對(duì)于固定工作面的相對(duì)坐標(biāo)。微震事件的絕對(duì)位置和相對(duì)位置關(guān)系如圖3 所示。

圖3 微震事件的絕對(duì)位置和相對(duì)位置關(guān)系

假設(shè)第i天第j個(gè)微震事件Pij的定位坐標(biāo)為(x,y,z)，且第1天至第i天工作面的推進(jìn)距離為L(zhǎng)i，則選取第1天作為固定工作面，可求得該微震事件的相對(duì)坐標(biāo)(X,Y,Z)：

X=x-Licosαcosβ

Y=y-Licosαsinβ

Z=z-Litanα

式中：α為工作面推進(jìn)角度；β為工作面推進(jìn)方向在水平面上的投影與x軸的夾角。

對(duì)于小莊煤礦來(lái)說(shuō)，工作面走向方向可以認(rèn)為是近似水平的，即α=0，則：

X=x-Licosβ

Y=y-Lisinβ

Z=z

通過(guò)固定工作面位置，將40204綜放工作面微震事件空間分布按照上述方法進(jìn)行修正，取空間步長(zhǎng)為10 m，得到工作面前方和后方微震事件分布特征，進(jìn)而分析得到微震活動(dòng)與采動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系，如圖4 所示。總體來(lái)看，微震能量和頻次分布曲線同超前支承壓力曲線相類似，隨著與工作面距離的增大，微震能量和頻次快速降低。

圖4 微震活動(dòng)與采動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系

由圖4可知，大部分微震事件均集中在工作面附近，工作面前方40 m為微震能量和頻次的峰值區(qū)域，說(shuō)明工作面回采過(guò)程中頂板垮落較為及時(shí)，頂板巖層的垮落性較好，有利于防沖工作。此外，在工作面后方0～100 m，微震能量和頻次也比較集中，但相對(duì)于工作面前方要降低很多。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，隨著40204綜放工作面的回采，上部頂板垮落主要集中在工作面前方，而在工作面后方頂板破裂運(yùn)動(dòng)依然比較劇烈。由于工作面前后頂板破斷均比較充分，使得工作面超前區(qū)域的應(yīng)力保持在較低水平。

2.4 區(qū)段煤柱影響下微震能量沿傾向分布規(guī)律

40204綜放工作面留設(shè)寬度為28.6 m的區(qū)段煤柱，沿煤層傾向微震事件能量和頻次的分布情況如圖5所示。

圖5 沿煤層傾向微震事件分布情況

由圖5可知，整個(gè)40204綜放工作面微震事件沿傾向呈近拋物線型分布，距離區(qū)段煤柱越遠(yuǎn)則微震能量和頻次越低；在工作面回風(fēng)巷附近微震能量和頻次出現(xiàn)了升高，而后再次降低，說(shuō)明區(qū)段煤柱附近區(qū)域微震事件最為集中，相應(yīng)的沖擊危險(xiǎn)性最高，隨著與區(qū)段煤柱距離的增大危險(xiǎn)性逐漸降低；工作面中部微震能量和頻次相對(duì)較小，在工作面回風(fēng)巷端頭附近區(qū)域微震能量和頻次出現(xiàn)突然升高，說(shuō)明該區(qū)域具有較高的沖擊危險(xiǎn)性。

綜上所述，在區(qū)段煤柱及采空區(qū)側(cè)向壓力影響下，煤柱區(qū)、膠帶巷和回風(fēng)巷端頭區(qū)域?qū)儆趹?yīng)力增高區(qū)，煤巖體具有較強(qiáng)的活動(dòng)性。

3 復(fù)合頂板下微震活動(dòng)特征的成因分析

由微震監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，復(fù)合頂板條件下小面積的采空區(qū)對(duì)應(yīng)力集中的影響較小，只有當(dāng)采空區(qū)面積較大時(shí)才會(huì)產(chǎn)生較大影響，這是因?yàn)閺?fù)合頂板單層巖層厚度較小，垮落性較好，當(dāng)采空區(qū)面積較小時(shí)低位頂板垮落會(huì)填滿采空區(qū)，對(duì)層位較高的頂板形成支承效應(yīng)；但是當(dāng)形成大面積采空區(qū)時(shí)，頂板垮落高度開始上升，大面積采空區(qū)上方的高位頂板會(huì)形成聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，這種聯(lián)動(dòng)效應(yīng)增加了復(fù)合頂板下采空區(qū)附近頂板圍巖的應(yīng)力集中程度。

4 復(fù)合頂板下防沖卸壓措施

根據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，制訂復(fù)合頂板下的防沖卸壓措施。在工作面回采期間，與40203采空區(qū)相鄰的膠帶巷采取煤層爆破卸壓，爆破孔孔徑44 mm、孔深 12～15 m，單孔裝藥4～6 kg，孔間距2～4 m；回風(fēng)巷采取大直徑鉆孔卸壓，孔徑133 mm，煤柱側(cè)孔深 15 m，回采側(cè)孔深50 m，孔間距0.8～1.6 m。根據(jù)沖擊地壓監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力顯現(xiàn)情況，判定工作面沖擊危險(xiǎn)等級(jí)，依據(jù)沖擊危險(xiǎn)等級(jí)調(diào)整爆破孔和大直徑鉆孔間距。

目前，40204綜放工作面已回采結(jié)束，未發(fā)生沖擊地壓顯現(xiàn)，證明了回采過(guò)程中采取的卸壓解危措施較為合理，進(jìn)一步驗(yàn)證了微震監(jiān)測(cè)結(jié)果符合客觀實(shí)際。

5 結(jié)論

1)復(fù)合頂板條件下，40204綜放工作面回采期間小于104J微震事件的能量和頻次占居主導(dǎo)地位，表明回采過(guò)程中圍巖積聚能量釋放較為均勻，避免了局部應(yīng)力集中。

2)復(fù)合頂板條件下工作面附近微震事件主要集中在工作面前方，但在工作面后方頂板活動(dòng)依然比較劇烈，頂板垮落較為充分，工作面超前區(qū)域的應(yīng)力保持在較低的水平，降低了工作面沖擊危險(xiǎn)性，說(shuō)明復(fù)合頂板條件下40204采空區(qū)對(duì)工作面超前應(yīng)力集中影響較小。

3)40204綜放工作面區(qū)段煤柱附近區(qū)域，以及工作面回風(fēng)巷端頭附近區(qū)域微震事件最為集中，此區(qū)域沖擊危險(xiǎn)性最高，工作面中部微震能量和頻次相對(duì)較小，沖擊危險(xiǎn)性相對(duì)較低，說(shuō)明復(fù)合頂板條件下相鄰采空區(qū)對(duì)鄰空巷道的影響較大。

4)由于復(fù)合頂板垮落性較好，當(dāng)采空區(qū)面積較小時(shí)低位頂板垮落會(huì)充滿采空區(qū)，對(duì)層位較高的頂板形成支承效應(yīng)，但是當(dāng)形成大面積采空區(qū)時(shí)，采空區(qū)上方的高位頂板會(huì)形成聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，增加了復(fù)合頂板下采空區(qū)附近頂板圍巖的應(yīng)力集中程度。

5)根據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，制訂復(fù)合頂板下的防沖卸壓措施。目前，40204工作面已回采結(jié)束，未發(fā)生沖擊顯現(xiàn)，表明微震監(jiān)測(cè)結(jié)果符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際。