微地震監測技術對塔山煤礦圍巖運動規律的研究

周霖

（大同煤礦集團技術中心，山西大同 037003）

微地震監測技術對塔山煤礦圍巖運動規律的研究

周霖

（大同煤礦集團技術中心，山西大同 037003）

本文探討了采用高精度微地震監測技術，對大同塔山煤礦特厚煤層綜放工作面開采過程中的圍巖活動規律、煤巖層破裂和相關的應力場變化進行監測與分析，對回采過程中超前支承壓力分布變化規律進行研究，并為推進特厚煤層放頂煤開采理論及技術的發展提供科學依據.

微地震監測技術 特厚煤層 放頂煤開采 圍巖活動

大同煤礦集團有限責任公司開采的塔山煤礦石炭系主采煤層厚度為11.1～31.7m(平均19.4m),變化幅度較大;煤層中含有6～11層夾矸,其最大厚度達0.6m;煤層與頂板間多有火成巖侵入破壞,開采難度極大.本項目以微破裂演化規律理論分析為基礎,采用微震監測技術,探索覆巖三維破裂的內在動因和前兆規律；以工作面上覆巖層破裂動態實時監測為目標,建立基于微震監測、高性能計算和分析的采場覆巖破裂預測模型,進而對圍巖的運移規律進行監控研究.

1 微震檢測系統的標定

微震監測系統采用擁有北京科技大學提供的煤礦井下微震監測儀和相關軟件,系統標定采用的是放標定炮,在塔山煤礦,高位巖層破裂產生的微地震波在煤巖層中以煤巖分裂的模式傳播,震源定位采用課題組研制的“四-四”定位法,計算原理采用非線性最小二乘法.通過分析計算,得到了塔山煤礦底板巖層微地震波的傳播速度為4.24 m/ms、頂板傳播速度為3.99 m/ms,平均傳播速度為4.12 m/ ms.系統定位精度平均誤差低于3m,達到了高精度要求.

2 現場微地震監測

為了能夠精確監測破裂位置,同時考慮到可靠性,在距離開切眼230 m處設第一個鉆孔,每隔30～ 50m左右布置一個鉆孔,其中2/3的鉆孔的鉆進方向垂直煤柱走向,向上傾斜60o角鉆進煤層頂板,深度60m;間隔布置1/3的鉆孔,向煤層底板下傾45o角鉆進,深度15 m.共打20個鉆孔,布置20個三分量檢波器,監測控制的距離達到500m.由于微地震監測信號的有效區域一般在200～300m,堅硬巖層斷裂的監測距離可以達到1 000m以上.經實測結果表明,該區可以覆蓋走向800 m、順槽兩側各300m的區域.鉆孔布置如圖1所示.

圖1 鉆孔布置圖

3 監測結果分析

通過現場檢測共記錄事件5 085次,有效事件830次.微震事件顯現規律再現了巖層運動破裂的整個過程,揭示了巖層運動的范圍和圍巖應力分布規律.監測結果表明,該技術完全能夠對特厚煤層綜放工作面的圍巖運動進行監測,并了解圍巖破裂情況,結合礦壓理論將對工作面地質構造異常帶、圍巖的運動及應力進行科學可靠的指導.該監測技術作為煤礦較常規的監測手段具有明顯的優勢.

研究認為,兩邊為實體煤的近水平煤層工作面兩條順槽附近的圍巖破裂范圍和礦山壓力分布規律近似相同.因此,以工作面中線（見圖2）為對稱軸,將平面微震事件對稱映射后即可得到工作面巖層運動的三維破裂規律.

圖2 固定工作面巖層運動平面投影圖

微震監測揭示的上覆巖層運動規律為:在投影圖上,沿傾向方向高位巖層(煤層頂面向上75～150m高度的頂板巖層)運動影響范圍為距離巷道下幫煤壁100 m左右;而微震事件密集的破裂區位置在低位巖層(煤層頂面向上0～75m高度頂板巖層),距離巷道煤壁35 m左右.沿走向在工作面后方影響區為160m,在工作面前方為100m,其中工作面前方75m范圍為應力高峰區;在高度方向上,低位巖層破裂顯著,是微震事件密集顯現區.而高位巖層中微震事件周期性發生.

表1 直接頂、老頂的厚度及運動參數對比

直接頂、老頂厚度及運動情況對比如表1所示.直接頂“巖--矸”結構隨頂煤放出的動態演化過程如圖3所示.

圖3 直接頂“巖--矸”結構隨頂煤放出的動態演化過程

圖4 特厚煤層綜放工作面沿走向覆巖結構運動參數圖

通過與鉆孔柱狀圖和現場其它觀測分析研究,工作面下位老頂厚度為25 m左右 (由多個巖層組成),周期斷裂步距15～25 m;上位老頂周期性斷裂步距為30±10 m,厚度為75 m左右 (由多個巖層組成),如圖4所示.下位老頂的來壓步距受上位老頂周期運動的影響,1個上位老頂的運動周期之內包含2～3個下位老頂的運動周期.上位老頂來壓后,下位老頂來壓一般持續1～2 d.下位老頂的周期來壓步距不明顯,主要是因為受上位老頂周期運動影響較大;若無上位老頂周期運動影響,一般下位老頂周期來壓步距為15～25m,步距大小受到推進步距、巖層特性變化等因素影響.

4 生產實踐結果

根據項目分析研究結果,結合現場實際,塔山煤礦采納了課題組提出的頂板控制建議,通過采取提高初撐力、適當加快推進速度(每天不低于3.5 m)等措施后,對工作面生產影響較大的劇烈礦山壓力顯現明顯減少,2008年6月份綜放工作面產量僅為647 323.4 t,而按課題組的建議采取措施后,在生產技術條件基本相似的情況下7，8，9三個月綜采產量逐月提高,分別達到了825 363 t，983 964.3 t和1 020 582.5 t,經濟效益明顯提高.

基于微地震技術對塔山煤礦火成巖侵入復雜地質條件下特厚煤層綜放工作面圍巖運動規律的研究,攻克了火成巖侵入復雜地質條件下特厚煤層綜放開采的技術難題,有效的控制了頂板及頂煤,使煤炭資源得到了安全合理的開采,提升了企業的生產技術水平,取得了巨大的經濟效益.

[1]宋振騏.實用礦山壓力[M].徐州:中國礦業大學出版社,1988.

[2]錢鳴高,劉聽成.礦山壓力及其控制[M].北京:煤炭工業出版社,1983.

[3]姜福興.礦山壓力與巖層控制[M].北京:煤炭工業出版社,2004.

[4]陳軼平.綜采工作面超前支護支承壓力觀察與分析[J].山西大同大學學報:自然科學版,2009,25(3):63-65.

A Study of the Law of Surrounding Rock Activity of Tashan Colliery w ith M icro Earthquake M onitoring Techniques

ZHOU Lin
（Technical Center，Datong CoalMines Group，Datong Shanxi，037003）

The author，by applying high－precision micro earthquake monitoring techniques，monitors and analyzes the law of surrounding rock activity，coal seam rupture，and stress field changes in mining ultra－thick seams in Tashan Colliery，and studies the stress distribution of the pilot support in mining，thus provides scientific basis for the development of cavingmining theories and technology.

micro earthquakemonitoring technique；ultra－thick coal seams；cavingmining；surrounding－rock activity

O213

A

〔編輯石白云〕

1674-0874（2010）01-0072-03

2009-12-01

山西省科技攻關計劃項目[2007031121-02]

周霖(1973-),男,山西大同市人,工程師,研究方向:礦井建設與安全技術.