基于微震數(shù)據(jù)反演分析的大佛寺煤礦40111工作面誘沖規(guī)律研究

趙 森

（陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司）

大佛寺煤礦采掘活動逐漸向煤層埋藏深部轉(zhuǎn)移，存在地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)，且受煤柱寬度和回采擾動等開采因素影響，具有一定的沖擊危險性，采掘過程中，沖擊地壓給礦井安全生產(chǎn)帶來威脅。4上煤層作為4煤層的保護層進行開采，有必要在上覆煤層開采后對4煤層工作面回采期間沖擊地壓活動規(guī)律及防沖方案進行總結(jié)，為后續(xù)建立大佛寺礦井沖擊地壓管理和監(jiān)測體系等提供技術(shù)支撐［1-4］。

1 工作面概況

1.1 礦井簡介

陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司隸屬陜西煤業(yè)化工集團彬長礦業(yè)有限公司。礦井位于陜西省彬縣和長武縣境內(nèi)，井田面積為71.293 1 km2，地質(zhì)資源儲量為10.6億t，礦井采用斜井單水平開拓，主采侏羅系延安組4煤，局部開采4上煤層。礦井一期設(shè)計產(chǎn)能為3.0 Mt/a，2019年通過改擴建工程，生產(chǎn)能力提升至8.00 Mt/a。

大佛寺煤礦采用立井、斜井綜合開拓，單水平開采，主水平標(biāo)高為653 m，輔助水平標(biāo)高為684 m。全井田共分為10個采區(qū)，分別為4煤的401、402、403、404、405、406采區(qū)，4上煤的411、412、415、416采區(qū)。

1.2 工作面布置

目前礦井采掘工作面分別位于401（411）、402（412）和403采區(qū)，4煤大巷將401采區(qū)分為東西兩翼，兩翼均已開采。40111采區(qū)西翼共設(shè)計4個回采工作面，即40105、40107、40109、40111工作面，采區(qū)內(nèi)順序回采，40111工作面為最后一個回采工作面。

40111工作面東部為4煤大巷保護煤柱，西部4上煤為41201工作面采空區(qū)，4煤為未采區(qū)（距采區(qū)邊界18 m），北側(cè)為40109工作面采空區(qū)，本煤層區(qū)段煤柱留設(shè)寬度為48 m，南側(cè)為西部大巷保護煤柱，上覆為41106工作面采空區(qū)，回順（上巷）內(nèi)錯13.1 m，運順（下巷）外擴42.5 m，上下煤層層間距平均為20 m。大佛寺煤礦4煤層上距4上煤層0.80～45.55 m，平均為17.05 m。4上煤層平均厚度為2.88 m，4煤層厚度平均為11.65 m，二者均為弱沖擊傾向煤層，其頂板均具有弱沖擊傾向，但4上煤層埋藏更淺，且厚度更小，為便于4煤層的巷道維護和沖擊地壓防治，保護層應(yīng)選擇4上煤層，但在上下煤層工作面聯(lián)合開采時應(yīng)注意工作面切眼、停采線和區(qū)段煤柱的空間位置，避免或減小4上煤層開采后的應(yīng)力增高區(qū)域?qū)?煤層的影響。4上煤層開采后，其采空區(qū)底板應(yīng)力重新分布形成應(yīng)力卸壓區(qū)，遺留區(qū)段煤柱處底板應(yīng)力在側(cè)向支撐壓力及采動頂板共同作用下沿一定角度向底板深部傳播并形成應(yīng)力增高區(qū)域，下伏4煤層開采前，遺留區(qū)段煤柱下方被原巖應(yīng)力等值線包絡(luò)的區(qū)域應(yīng)力將有一定集中，造成誘發(fā)沖擊地壓的能量源頭，直接影響沖擊地壓的作用機制。

2 微震監(jiān)測方案設(shè)計

2.1 微震監(jiān)測方案

在40111工作面內(nèi)，微震監(jiān)測系統(tǒng)至少布置4個微震監(jiān)測傳感器（探頭、拾震器），地音系統(tǒng)布置4個地音探頭。微震監(jiān)測系統(tǒng)的探頭之間距離200～500 m，探頭與拾震器之間的距離500～800 m。地音監(jiān)測系統(tǒng)的探頭成對使用，相互距離80 m，距離工作面不小于30 m。微震及地音探頭布置方案如圖1所示。

2.2 微震預(yù)警指標(biāo)

當(dāng)工作面監(jiān)測預(yù)警出現(xiàn)以下情況之一時，工作面進入相應(yīng)危險狀態(tài)。按監(jiān)測預(yù)警等級將沖擊地壓危險狀態(tài)分為a、b、c、d共4種，采掘活動過程中針對不同危險等級采取對應(yīng)的應(yīng)對措施：a為正常生產(chǎn)；b為正常生產(chǎn)，加強監(jiān)測；c為停止生產(chǎn)，人員撤離危險地點，開展解危措施，檢驗結(jié)果低于臨界值，確認(rèn)危險解除后恢復(fù)生產(chǎn)；d為停止生產(chǎn)，人員撤離危險地點，待危險等級降至c級或分析其他監(jiān)測手段無危險后采取解危措施，檢驗結(jié)果低于臨界值，確認(rèn)危險解除后恢復(fù)生產(chǎn)。具體的沖擊地壓危險的微震監(jiān)測預(yù)警指標(biāo)如表1所示。

注：E max表示所監(jiān)測到最大微震能量大?。弧艵表示累計能量。

3 微震活動規(guī)律分析

3.1 微震事件發(fā)生基本情況

40111工作面微震事件監(jiān)測周期選取2020年7月18日—2021年8月31日整個回采期間，工作面共推進約1 745 m。該期間工作面范圍內(nèi)共有38 131個有效微震事件，總能量為1.8×107J，平均能量為4.6×102J，最大能量為8.7×103J。

40111工作面回采期間微震事件能量級別均小于“4次方”，特征上總體表現(xiàn)為“高頻低能”的能量釋放形式，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)形成大量裂隙，導(dǎo)致能量逐漸釋放。“3次方”微震事件大部分發(fā)生在工作面末采期間（2021年7—8月），相比其他回采工作面，證明了4上煤41106工作面保護層的開采起到了較好的卸壓作用。

3.2 微震事件空間分布特征

40111工作面回采期間微震事件空間分布特征從工作面傾向、走向和垂向3個方面進行分析。40111工作面回采期間微震事件在回順和運順的分布規(guī)律有著明顯的特征，40111工作面微震事件在傾向上基本均勻分布，以傾向中心為零點，在工作面-180～180 m；運回巷兩側(cè)微震事件超前工作面的距離基本相同。

從工作面開始回采至2021年6月9日，微震事件主要集中在-100～350 m，工作面累計推采1 473 m，距離4上煤41106停采線267 m，后續(xù)隨著工作面的回采，微震事件發(fā)生范圍縮小，主要表現(xiàn)為采動超前影響范圍減小，距離41106工作面停采線越近，微震事件越向工作面方向集中，直至工作面回采末期，40111工作面微震事件主要集中在-100～100 m。結(jié)合現(xiàn)場工作面布置和回采情況分析，截至2021年6月9日，工作面累計推采1 473 m之前，40111工作面在41106采空區(qū)下方回采時，頂板應(yīng)力提前得到釋放，40111工作面在失去保護層條件下開采，微震事件向工作面方向移動，且發(fā)生的微震范圍較為集中。

40111工作面在整個回采過程中微震活動在垂直方向上主要表現(xiàn)為4種特征。（1）工作面面前-200～300 m微震事件在垂向上發(fā)生在煤層底板至其上方60 m范圍內(nèi)；（2）工作面面前0～300 m部分微震事件在垂向上發(fā)生在煤層上方80～200 m；（3）工作面面前300～500 m的微震事件在垂向上隨著距離工作面越遠(yuǎn)影響的高度越低；（4）工作面面前0～250 m部分微震事件在垂向上發(fā)生在煤層底板下方40 m范圍內(nèi)。

由上述分析可知，40111工作面回采期間低位頂板的能量釋放分布方位較廣，主要在工作面面前-200～300 m，高位頂板的能量釋放主要在工作面面前0～250 m，高位頂板能量的提前釋放，能夠降低工作面附近頂板垮落時釋放的動載荷，同時，高位頂板提前以大能量釋放時，增加了工作面前方300 m范圍內(nèi)的沖擊危險性。

3.3 40111工作面微震事件與推進度關(guān)系分析

40111工作面于2020年7月18日開始生產(chǎn)，從2020年8月1日開始統(tǒng)計，于2021年8月31日回采完畢，回采長度1 754 m?，F(xiàn)將回采過程中每月回采速度、最大日進尺和平均日進尺曲線圖匯總?cè)鐖D2所示。

一般情況下，回采工作面的推采速度與能量釋放量和釋放頻次成正比例關(guān)系，推采速度越快，能量釋放和頻次就越多。巖體中能量的釋放總是處于一種波動狀態(tài)，震源總能量變化趨勢首先經(jīng)歷一個震動活躍期，之后出現(xiàn)較明顯的下降階段，開始具有沖擊危險性，而在下降階段再回升或出現(xiàn)較長時間的沉寂現(xiàn)象以及震動頻次維持在較高水平時，此時沖擊危險性較高。

如圖3所示，微震頻次與能量基本呈正相關(guān)關(guān)系，但從3月份開始，微震頻次及能量出現(xiàn)明顯大幅度增加的趨勢，主要原因為該階段微震監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊及定位軟件能量算法進行了升級，升級后微震系統(tǒng)識別震動信號的敏感度及有效性大大增加，同時微震事件能量整體上也有所增加。

4 結(jié) 論

（1）通過分析40111工作面微震監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，4煤及4上煤層聯(lián)合開采工作面初采初放期間總能量較低且震源分布較為分散。即使在工作面一次、雙面和三面“見方”時期，日總能量僅保持在4次方，驗證了開采保護層能起到顯著卸壓作用。

（2）統(tǒng)計40111工作面微震空間分布特征可知，采動煤巖體微震空間分布特征傾向上發(fā)生在工作面-180～180 m，走向上運回巷兩側(cè)微震事件超前工作面的距離基本相同，垂向上低位頂板的能量釋放主要在工作面面前-200～300 m，高位頂板的能量釋放主要在工作面面前0～250 m。

（3）40111工作面推進速度與煤巖活躍程度的正相關(guān)性較強，微震頻次和能量主要集中在面前-100～300 m，120 m位置達(dá)到峰值，當(dāng)工作面回采至構(gòu)造區(qū)域時，由于構(gòu)造應(yīng)力的影響，沖擊危險區(qū)域向構(gòu)造區(qū)域轉(zhuǎn)移。