高強(qiáng)綜放開采覆巖破斷與瓦斯涌出微震響應(yīng)規(guī)律及應(yīng)用

趙 剛，成小雨，尉 瑞

(1.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X分公司，山西 運(yùn)城 043300)

我國是煤炭生產(chǎn)大國和消費(fèi)大國，煤炭資源的高產(chǎn)高效開發(fā)對(duì)于保障我國能源安全具有非常重要的意義[1-2]。在煤礦生產(chǎn)中，高產(chǎn)高效的工作面由于開采強(qiáng)度大，工作面瓦斯涌出量大，造成局部瓦斯積聚，上隅角瓦斯異常甚至超限，嚴(yán)重影響了煤礦的安全生產(chǎn)[3-5]。采空區(qū)瓦斯是綜放工作面瓦斯涌出的主要來源[6-8]，采用高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)可以有效降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛?，防止工作面上隅角瓦斯超限。而高位鉆孔的抽采效果取決于能否準(zhǔn)確地掌握上覆巖層的應(yīng)力和裂隙的分布情況。近年來，眾多學(xué)者采用理論分析、物理相似模擬和數(shù)值模擬等方法針對(duì)高強(qiáng)度開采條件下上覆巖層破斷與裂隙演化規(guī)律進(jìn)行了研究。烏日寧[9]采用分形理論對(duì)采動(dòng)裂隙進(jìn)行定量分析，得到了厚煤層采動(dòng)裂隙的演化規(guī)律；李樹剛等[10]采用煤與瓦斯共采三維大尺度物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了采動(dòng)覆巖裂隙演化、瓦斯運(yùn)移與瓦斯抽采等問題的一體化同步研究；陸衛(wèi)東等[11]建立了巖體滲透率的計(jì)算模型，確立了“面應(yīng)變-孔隙率-滲透率”模型，用以表征煤巖體滲透率的變化；江成浩[12]通過經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算得到了煤層細(xì)觀參數(shù)，并運(yùn)用PFC3D軟件建立了煤層顆粒流模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)綜放采空區(qū)孔隙率變化規(guī)律的模擬研究。在微震監(jiān)測(cè)的應(yīng)用方面，王元杰等[13]通過上下微震聯(lián)合監(jiān)測(cè)技術(shù)，對(duì)微震事件分布規(guī)律與導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度的關(guān)系進(jìn)行了研究；蔡永順等[14]建立了地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地表塌陷分析模型，采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)地表塌陷過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)與預(yù)警，為礦山的安全開采提供技術(shù)保障；于春生等[15]以古漢山礦1604工作面為研究背景，采用高精度微震監(jiān)測(cè)研究了工作面回采過程中底抽巷圍巖動(dòng)態(tài)破壞特征以及底板突水危險(xiǎn)性，結(jié)果表明底抽巷內(nèi)錯(cuò)回采巷道8 m時(shí)處于底板卸壓區(qū)，位于回采巷道正下方和外錯(cuò)回采巷道時(shí)處于應(yīng)力集中區(qū)，受采動(dòng)影響程度高；薛吉?jiǎng)俚萚16]以寧武礦區(qū)汾源煤業(yè)為背景，采用KJ1160微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究了大傾角綜放面微震事件、能量分布特征，結(jié)果表明大傾角特厚煤層工作面頂板覆巖垮落帶、裂縫帶在煤層傾向上形成“上高下低”的形態(tài)，在走向上呈現(xiàn)滯后性。

中煤華晉公司王家?guī)X煤礦是我國典型的由低瓦斯煤層高強(qiáng)度開采導(dǎo)致的高瓦斯礦井[17-18]。本文以該礦目前主采的12302綜放工作面為研究對(duì)象，采用目前成熟的微震監(jiān)測(cè)技術(shù)配合工作面瓦斯涌出量監(jiān)測(cè)，研究了工作面在推進(jìn)過程中的采動(dòng)覆巖破斷及裂隙演化特征，確定了微震事件發(fā)生與瓦斯涌出定量的表征關(guān)系，最后采用高位定向長(zhǎng)鉆孔對(duì)裂隙帶瓦斯進(jìn)行抽采，并對(duì)抽采效果進(jìn)行了分析。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置方案

經(jīng)過多年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為煤礦瓦斯突出、沖擊地壓和頂板斷裂來壓等煤礦災(zāi)害預(yù)測(cè)和機(jī)理研究的一項(xiàng)重要手段[19-21]。KJ699微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用24通道模擬信號(hào)輸入，輸入頻率范圍為0.1～2 000 Hz，通過上位機(jī)軟件的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)不同采樣頻率的設(shè)置。所有模擬信號(hào)經(jīng)過數(shù)字處理后經(jīng)過以太網(wǎng)上傳至上位機(jī)；遇到通訊不正常的狀態(tài)下，監(jiān)測(cè)分站可以繼續(xù)存儲(chǔ)所采集到的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，保證了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性。本次測(cè)試地點(diǎn)選在12302回采工作面，在進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷中各布置2臺(tái)數(shù)據(jù)采集儀和4個(gè)傳感器，傳感器超前工作面40 m開始布置，每個(gè)傳感器間隔15 m，具體布置方式如圖1所示。為了更加精確地監(jiān)測(cè)到采煤工作面作業(yè)區(qū)周圍的微震事件，隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)工作面回采至距離最近的一組傳感器15 m時(shí)，將巷道兩側(cè)靠近工作面的傳感器和數(shù)據(jù)采集儀拆除，并將此組設(shè)備及時(shí)安裝在后方，布置方式不變。

圖1 傳感器布置方案Fig.1 Layout programme of sensor

圖2為傳感器安裝方法，由圖2可知，由于12302工作面采用綜采放頂煤生產(chǎn)工藝，為了對(duì)工作面上覆巖層發(fā)生的微震事件進(jìn)行準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，將檢波器安裝在工作面頂板錨桿上，錨桿錨固段共6.0 m，其中巖層錨固段3.4 m，煤層錨固段2.6 m，兩者之間采用硬連接方式。微震傳感器布置在工作面頂板，通過連接線與檢波器相連，傳感器接線后，用扎帶將連接線固定在錨網(wǎng)上，數(shù)據(jù)采集儀與傳感器同樣采用連接線進(jìn)行連接，布置在巷道旁邊的硐室內(nèi)，并懸掛起來。

圖2 傳感器安裝方法Fig.2 Installation method of sensor

2 采動(dòng)覆巖破斷及裂隙演化規(guī)律

本次監(jiān)測(cè)時(shí)間為2021年7月12日至2021年7月28日，共計(jì)17 d，期間12302工作面推進(jìn)了102.50 m，日平均推進(jìn)6.03 m。通過對(duì)12302工作面在推進(jìn)過程中產(chǎn)生的微震事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)收集，并采用數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)工作面及周圍微震事件進(jìn)行過濾處理，在微震監(jiān)測(cè)期間共捕獲了2 554次微震事件。

2.1 微震事件能量與工作面周期來壓

隨著工作面的不斷推進(jìn)，會(huì)發(fā)生工作面的周期來壓現(xiàn)象，老頂在其自重及上覆巖層載荷的作用下，將沿煤壁甚至在煤壁內(nèi)發(fā)生折斷和垮落。通過分析工作面每日微震事件能量的變化規(guī)律，就可以得到工作面的周期來壓步距和時(shí)間。圖3為監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)每日微震事件能量分布的情況。由圖3可知，每日微震事件能量大小共出現(xiàn)了4次周期性的變化，即工作面老頂發(fā)生了4次周期性斷裂破壞。4次微震能量最大的日期分別為7月17日、7月21日、7月24日、7月27日，能量均超過了4.5 kJ。 并且在這4次周期來壓前，有3次微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的微震事件能量已經(jīng)開始變大，結(jié)合工作面每日推進(jìn)距離可以得出工作面周期來壓步距為21 m左右。

圖3 12302工作面每日微震事件能量分布Fig.3 Energy distribution of daily micro-seismic eventsin 12302 working face

2.2 微震事件分布及演化

由12302工作面周期來壓步距為21 m，所以選取了監(jiān)測(cè)期間的一次典型周期來壓進(jìn)行分析。微震事件在一個(gè)周期來壓的推進(jìn)過程中的微震事件分布情況如圖4～圖6所示。

圖6 工作面回采21 m時(shí)微震事件分布Fig.6 Distribution of micro-seismic events at 21 m in working face

由圖4可知，當(dāng)工作面推進(jìn)8 m時(shí)在采空區(qū)覆巖及底板監(jiān)測(cè)到了少量微震事件，事件集中分布高度在距煤層頂板10 m左右，工作面后方35 m范圍內(nèi)。在工作面前方進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷上部頂板也出現(xiàn)了若干微震事件，分布范圍在回風(fēng)巷工作面端頭往外約18 m。沿傾向方向，微震事件主要集中在距離工作面頂板10～15 m范圍內(nèi)，煤層底板微震事件較少。從微震事件的分布可以看出，工作面推進(jìn)8 m時(shí)，采空區(qū)頂板已經(jīng)出現(xiàn)了破斷現(xiàn)象，而煤層頂板和底板基本完好。

圖4 工作面回采8 m時(shí)微震事件分布Fig.4 Distribution of micro-seismic events at 8 m in working face

由圖5可知，當(dāng)工作面推進(jìn)15 m時(shí)采空區(qū)后方微震事件增多，同時(shí)在工作面前方煤層頂板也新增了大量的微震事件，微震事件分布較連續(xù)，事件集中程度增加，事件分布范圍增大。沿傾向方向，覆巖25 m高度兩側(cè)處形成事件集中區(qū)，覆巖40 m高度處新增若干微震事件，煤層底板微震事件增加。根據(jù)微震事件的分布可以得出工作面推進(jìn)15 m時(shí)采空區(qū)覆巖相對(duì)不穩(wěn)定，出現(xiàn)了較多破壞現(xiàn)象；受超前采動(dòng)應(yīng)力的影響，工作面前方煤層產(chǎn)生破壞，破壞多分布在沿傾向靠近兩側(cè)巷道。

圖5 工作面回采15 m時(shí)微震事件分布Fig.5 Distribution of micro-seismic events at 15 m in working face

由圖6可知，當(dāng)工作面繼續(xù)推進(jìn)至21 m時(shí)，此時(shí)采空區(qū)覆巖及工作面前方微震事件顯著增多，采空區(qū)覆巖微震事件在30 m高度處集中增多，45 m高度處新增若干事件，且55 m高度附近出現(xiàn)分散分布的微震事件，同時(shí)煤層底板事件也有所增多。表明采空區(qū)下部覆巖發(fā)生較大破斷垮落，中上部覆巖產(chǎn)生較多破斷現(xiàn)象，且高位覆巖出現(xiàn)離層下沉。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析總結(jié)

1) 工作面微震監(jiān)測(cè)時(shí)間微震事件主要集中分布在采空區(qū)頂?shù)装?、煤層、煤層頂?shù)装寮斑M(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷頂板。由工作面推進(jìn)過程中采空區(qū)覆巖微震事件分布和變化特征可以分析得出，采動(dòng)覆巖裂隙帶主要分布在采空區(qū)頂板兩側(cè)，高度在55 m左右。煤層中的瓦斯在工作面回采過程中從煤體中逐漸解吸出來，升浮擴(kuò)散至裂隙帶中，形成瓦斯富集區(qū)。

2) 采空區(qū)頂板微震事件最大高度(離層裂隙發(fā)育高度)在55 m左右(距煤層頂板垂距)，微震事件最遠(yuǎn)距離(裂隙在工作面走向的發(fā)育范圍)在97 m左右(距工作面平距)，微震事件范圍(裂隙在工作面傾向的發(fā)育范圍)基本覆蓋進(jìn)風(fēng)巷至回風(fēng)巷的整個(gè)采空區(qū)頂板。

3) 在監(jiān)測(cè)時(shí)間段工作面回采過程中，采空區(qū)頂板裂隙演化特征大致為：監(jiān)測(cè)初期，采空區(qū)頂板裂隙開始孕育、產(chǎn)生和擴(kuò)展，并以縱向裂隙為主；隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加，采空區(qū)中部和下部頂板有新的裂隙不斷產(chǎn)生，且中部頂板新生裂隙和原有裂隙之間、原有裂隙之間相互貫通，逐漸形成了頂板裂隙帶，采空區(qū)下部頂板裂隙貫通后發(fā)生較大范圍垮落，上部頂板出現(xiàn)離層現(xiàn)象。

3 工作面瓦斯涌出變化特征

3.1 微震事件與瓦斯涌出變化

微震事件的數(shù)量多少和能量大小反映了工作面煤巖的破壞特征，因此通過分析微震事件與瓦斯涌出量的關(guān)系，即可了解煤巖破壞對(duì)瓦斯涌出量的影響[22]。將12302工作面在微震監(jiān)測(cè)期間的微震事件頻次與工作面的瓦斯涌出量(絕對(duì)瓦斯涌出量)進(jìn)行對(duì)比分析，變化特征如圖7所示。由圖7可知，在工作面微震監(jiān)測(cè)期間，12302工作面的瓦斯涌出量大小與微震事件的數(shù)量變化均具有一定的周期性，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的微震事件增加時(shí)，相應(yīng)的瓦斯涌出量也會(huì)增大；瓦斯涌出量和微震事件的峰值分別發(fā)生在7月17日、7月21日、7月24日、7月27日，其中7月17日和7月24日瓦斯涌出量的強(qiáng)度最大。

圖7 微震事件與瓦斯涌出變化特征Fig.7 Micro-seismic events and variationcharacteristics of gas emission

表1為12302工作面各次來壓前后的微震事件數(shù)量和絕對(duì)瓦斯涌出量數(shù)據(jù)。由表1可知，監(jiān)測(cè)期間共發(fā)生4次周期來壓，第1次周期來壓時(shí)瓦斯涌出量為7.33 m3/min，微震事件為322次，分別是來壓前的1.11倍和6.57倍；第2次周期來壓時(shí)瓦斯涌出量為5.53 m3/min，是來壓前的1.10倍，而第二次來壓前沒有監(jiān)測(cè)到微震事件，來壓時(shí)微震事件增加了83次；第3次周期來壓時(shí)瓦斯涌出量為6.71 m3/min，微震事件為706次，分別是來壓前的1.57倍和4.53倍；第4次周期來壓時(shí)瓦斯涌出量為6.01 m3/min，微震事件為343次，分別是來壓前的1.27倍和24.50倍。

表1 來壓前后瓦斯涌出量和微震事件變化表Table 1 Variation table of gas emission and micro-seismicevents before and after weighting

將4次來壓前后的瓦斯涌出量和微震事件進(jìn)行平均，可發(fā)現(xiàn)來壓時(shí)的瓦斯涌出量為來壓前的1.26倍(增加量主要源于采空區(qū)瓦斯涌出)，來壓時(shí)的微震事件是來壓前的11.87倍，表明來壓前后微震事件的增長(zhǎng)趨勢(shì)大于瓦斯涌出量，4次來壓前后微震事件的倍數(shù)約為瓦斯涌出量的9.42倍，因此可以認(rèn)為微震事件的增多是瓦斯涌出量增大的前兆。

3.2 微震事件與瓦斯涌出定量表征關(guān)系

微震事件發(fā)生的頻次表征采場(chǎng)煤巖體的運(yùn)功狀態(tài)和破壞程度，而煤巖體的破壞程度對(duì)煤體結(jié)構(gòu)、煤體滲透性、瓦斯賦存狀態(tài)、瓦斯流通通道和瓦斯壓力等起著決定性作用，因此可以使用工作面發(fā)生微震事件的頻次來判斷瓦斯涌出量的變化。以監(jiān)測(cè)的12302工作面微震事件頻次和瓦斯涌出量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，挑選不同日期和不同頻次事件段的微震事件和瓦斯涌出量進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，選取擬合度較高的圖像進(jìn)行分析，擬合圖像如圖8所示。由圖8可知，12302工作面瓦斯涌出量和微震事件的頻次呈線性相關(guān)的關(guān)系，擬合公式為y=4.82+0.003 7x，擬合度為0.933 5，表明在一定的微震事件和瓦斯涌出量范圍內(nèi)，隨著微震事件的增多，工作面瓦斯涌出量呈線性增長(zhǎng)。通過文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[23]和文獻(xiàn)[24]可知，圖8的線性擬合曲線y=4.82+0.003 7x能夠較好地表征現(xiàn)場(chǎng)采煤工作面的瓦斯涌出特征，因?yàn)槲⒄鹗录龆?，表明采?chǎng)運(yùn)動(dòng)劇烈，工作面推進(jìn)快，落煤數(shù)量多，瓦斯涌出量增長(zhǎng)快。 可以根據(jù)此擬合曲線和監(jiān)測(cè)所得的微震事件頻次來預(yù)測(cè)工作面的瓦斯涌出量的變化情況，幫助工作面開展瓦斯治理工作。

圖8 微震事件與瓦斯涌出量擬合直線圖Fig.8 Linear fitting diagram of micro-seismicevents and gas emission

4 高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采裂隙帶瓦斯

科學(xué)合理的高位鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)可有效提高抽采效果。通過對(duì)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，12302工作面采動(dòng)覆巖裂隙帶主要分布在采空區(qū)頂板兩側(cè)，高度在55 m左右。所以應(yīng)該將高位鉆孔的終孔位置布置在工作面上部頂板巖層55 m以下?，F(xiàn)場(chǎng)高位鉆孔布置參數(shù)見表2。

表2 高位鉆孔布置參數(shù)Table 2 Layout parameters of high-level borehole

12302工作面4號(hào)鉆場(chǎng)抽采時(shí)間為43 d，通過對(duì)鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采純量進(jìn)行收集整理，得到了瓦斯抽采濃度和純量隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，隨著抽采時(shí)間的增加4個(gè)鉆孔的抽采瓦斯?jié)舛瘸手饾u減小趨勢(shì)，瓦斯抽采純量在前35 d基本維持在1.0 m3/min以上，鉆孔平均抽采瓦斯?jié)舛葹?.9%，純量為1.16 m3/min，抽采效果較好。

圖9 4號(hào)鉆場(chǎng)高位抽采長(zhǎng)鉆孔抽采效果Fig.9 Extraction effect of high-level borehole of No.4 drilling site

圖10為沒有根據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)鉆孔布置層位進(jìn)行調(diào)整的3號(hào)鉆場(chǎng)和調(diào)整后的4號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔平均抽采濃度和純量對(duì)比圖。由圖10可知，3號(hào)鉆場(chǎng)抽采時(shí)間為38 d，可以看出在相同抽采時(shí)間段內(nèi)，鉆孔平均瓦斯抽采濃度和純量與4號(hào)鉆場(chǎng)相比均較低。通過以上分析可知經(jīng)過鉆孔布置層位優(yōu)化后，鉆孔的抽采效果更好，更加有利于保障工作面的安全高效生產(chǎn)。

圖10 3號(hào)鉆場(chǎng)和4號(hào)鉆場(chǎng)抽采濃度和純量對(duì)比Fig.10 Comparison of extraction effect between No.3 drilling site and No.4 drilling site

5 結(jié) 論

1) 通過對(duì)工作面微震事件能量和分布范圍進(jìn)行總結(jié)分析，得到了12302工作面的周期來壓步距在21 m左右，工作面采動(dòng)覆巖裂隙帶主要分布在采空區(qū)頂板兩側(cè)，高度在55 m左右。

2) 12302工作面瓦斯涌出量和微震事件的頻次呈線性相關(guān)的關(guān)系，擬合公式為y=4.82+0.003 7x，擬合度為0.933 5，可以根據(jù)此公式和監(jiān)測(cè)所得的微震事件頻次來預(yù)測(cè)工作面的瓦斯涌出量。

3) 通過對(duì)12302工作面4號(hào)鉆場(chǎng)高位鉆孔布置參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，鉆孔平均抽采濃度為7.9%，純量為1.16 m3/min，抽采效果較好。