深井特厚煤層綜放工作面微震活動規律研究?

王元杰

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京市朝陽區,100013; 2.煤炭科學研究總院開采設計研究分院,北京市朝陽區,100013)

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深井特厚煤層綜放工作面微震活動規律研究?

王元杰1,2

(1.天地科技股份有限公司開采設計事業部,北京市朝陽區,100013; 2.煤炭科學研究總院開采設計研究分院,北京市朝陽區,100013)

摘 要新巨龍礦井2303S工作面開采深度900 m,為沿空工作面,工作面采用綜合機械化放頂煤開采工藝。根據微震監測系統的監測數據,分析了2303S工作面微震事件分布規律,研究表明微震事件的能量釋放具有明顯的周期性,微震能量釋放與工作面回采速度成正相關關系,工作面靠近斷層位置時沖擊危險性增大,工作面開采影響范圍大致在工作面后方100 m到工作面前方200 m范圍內,頂板破裂帶高度在80 m左右。

關鍵詞深井 特厚煤層 綜放工作面 微震監測 沖擊地壓 斷層

Research on micro-seismic activity rule in fully mechanized caving face of extra-thick coal seam in deep mine

Wang Yuanjie1,2
(1.Coal Mining& Designing Department,Tiandi Science& Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Coal Mining and Design Branch,China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Abstract The mining depth of 2303S working face in Xinjulong Mine was 900 m,the face that was gob-side working face adopted fully mechanized caving mining technology.According to monitoring data of micro-seismic monitoring system,distribution rule of micro-seismic events in the working face was analyzed.The research results showed that the energy release of micro-seismic had obvious periodicity,there was a positive correlation between the energy release and working face advance speed,and the rock burst risk in the working face near fault increased,the mining influence range was from 100 m behind the working face to 200 m ahead the working face,and the height of roof fracture zone was about 80 m.

Key words deep mine,extra-thick coal seam,fully mechanized caving face,micro-seismic monitoring,rock burst,fault

微震監測技術是沖擊地壓預測預報研究中的主要手段之一,隨著我國深部開采礦井數量的增多,其應用數量也在日益增多.新巨龍公司礦井位于山東省菏澤市巨野縣龍固鎮,礦井生產條件復雜,主要表現為厚表土層、高地溫、強地壓、大涌水、大采深、大采高等,其中沖擊地壓與異常來壓防治是最為困難和具有風險的難題之一.為提高礦井沖擊地壓的預測預報水平,新巨龍礦井選擇北京科技大學研發的針對工作面區域內監測的微震監測系統,而后為加強對工作面后方采空區和兩側區域的微震事件監測,又從天地科技股份有限公司引進了支持全礦井范圍內監測的ARAMIS微震監測系統,實現對全礦井范圍內的微震事件進行監測.

1　工作面概況

新巨龍礦井平均采深800 m,局部達到1000 m,最大主應力為水平應力,其值最大為46MPa,約為垂直應力的1.9倍,原巖溫度為46℃,最高出水點溫度為52℃,涌水最高達1700 m3/h.新巨龍礦井3＃煤層為主采煤層,其中2303S工作面為沿空工作面,工作面傾斜長度268.4 m,走向長度2294.3 m,上平巷為沿空巷道,下平巷為實體巷道,平均開采深度900 m,回采煤層厚度3.8 ～8.5 m,平均7.7 m,屬于特厚煤層,煤層賦存穩定,結構復雜,中間夾0.10～0.35 m厚的泥巖或炭質泥巖.采用綜合機械化放頂煤開采工藝,煤層具有弱沖擊傾向性,頂板具有中等沖擊傾向性.

2　微震事件統計

選取2303S工作面在2014年9月1日－2015 年1月8日期間共130 d的微震事件進行統計分析,ARAMIS微震監測系統監測到微震事件共1886個,總能量為19648118 J,即1.96×107J,每個事件平均能量為10418 J,即1.04×104J,期間共推進407.5 m,平均釋放能量為48216 J/m,即4.82×104J/m.其中能量在103～104J范圍內的微震事件最多,占總數的58.2％,而能量在104～105J范圍內的微震事件數目雖然不是最多,但總能量卻占所有事件總能量的62％.

3　微震頻率與能量變化規律

圖1為2303S工作面每天的微震事件頻率和能量的變化曲線.

圖1　每天頻率和能量變化曲線

從圖中可以看出有3個明顯的微震事件活躍時段,A時段(9.2－9.30)每天微震事件頻率為16.17次,平均能量為148815 J;B時段(10.18 －11.1)每天微震事件頻率為23.6次,平均能量為385748 J,此時段能量和頻率都達到最高值;C時段(12.7－1.8)每天微震事件頻率為20次,平均能量為152958 J.時段A與B之間,時段B與C之間都有一個不活躍時段,此時段內能量和頻率都處于較低的水平,為平靜期.可以看出能量釋放具有明顯的周期性,表現為兩個活躍期之間存在一個平靜期,平靜期的煤巖體處于能量積蓄階段,當能量積蓄到一定程度,必將迎來下一個活躍期.

4　微震能量釋放與工作面回采速度關系

圖2是2303S工作面每天每米推進平均釋放的能量,反映了工作面能量釋放的烈度.9.30、11.12、12.29三天的能量釋放較為強烈,并且能量強烈釋放前大都存在著一個數據逐漸上揚的態勢,強烈釋放后則存在著一個明顯低谷期.

圖2　工作面每米推進平均釋放能量

圖3統計了回采期間工作面在不同回采速度時能量釋放情況.工作面回采速度越大,能量釋放越多,能量釋放與工作面回采速度成正相關關系.工作面回采速度在3～4.5 m/d時能量釋放均保持在3×105J以內,工作面回采速度大于5 m/d時能量釋放呈現急劇增加的態勢,且具有很大的離散性.因此合理確定回采速度可以控制能量釋放,繼而可以有效降低沖擊地壓發生的危險.

圖3　工作面回采速度與能量釋放的關系

5　微震事件分布規律

5.1微震事件平面分布規律

圖4為10月份的微震事件平面投影圖,在斷層和采空區的雙重影響下,2303S工作面微震事件密集在上巷與斷層線的包絡范圍內.斷層附近大能量微震事件較多,其中2014年10月22日早上8: 44:17發生一個微震事件,能量達到了5×106J,是回采期間所有1886個微震事件里面能量最大的一個.此事件發生在斷層與2303S下巷交叉的區域,表明斷層對沖擊地壓危險性的影響開始顯現,應加強防范.

圖4　10月份微震事件平面投影圖

圖5　工作面走向微震事件數和能量分布

統計了工作面前后微震事件的數目及微震事件能量分布,見圖5.可見微震事件主要分布在工作面前方100 m以內,共發生693個微震事件,釋放能量共計6.96×106J,再次是－100～0 m (－表示工作面后方)以內,共發生492個微震事件,釋放能量共計5.04×106J,其次是工作面前方100～200 m范圍內,共發生264個微震事件,釋放能量共計3.45×106J.－100～200 m范圍內微震頻率占總數的77.8％,能量占81.25％,表明工作面開采影響范圍主要區域為－100～200 m區間內.工作面前方200 m內可視為沖擊危險區,對工作面前方200 m內要加強支護和監測.

5.2微震事件剖面分布規律

微震事件剖面分布情況如圖6所示.由圖可見,微震事件發生于頂板的居多,因此危險能量源主要來自于頂板;上平巷微震事件較密集,原因為2302S工作面采空區的存在,以及2303S工作面的開采引發了2302S工作面頂板的二次運動,導致上平巷受到壓力較大;頂板破裂帶高度在80 m左右,80 m內的巖層運動較為活躍,是工作面壓力和動力現象的主要誘因巖層.

圖6　10月份微震事件傾向剖面投影圖

6　結論

(1)微震事件的能量釋放具有明顯的周期性,平靜期的煤巖體處于能量積蓄階段,當能量積蓄達到一定程度,能量開始釋放進入活躍期.

(2)工作面回采速度越大,能量釋放越多,能量釋放與工作面回采速度成正相關關系,合理的推進速度可以控制能量釋放,繼而可以有效降低沖擊地壓發生的危險.

(3)2303S工作面微震事件主要受2302S工作面采空區和斷層影響,工作面靠近斷層位置時,大能量微震事件增多,工作面沖擊危險性增大.

(4)工作面開采影響范圍大致在工作面后方100 m到工作面前方200 m范圍內,對工作面前方200 m內要加強監測和支護手段.

(5)微震事件主要發生在工作面頂板,頂板破裂帶高度在80 m左右,受2302S工作面采空區影響,上平巷微震事件較多.

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(責任編輯 張毅玲)

作者簡介:王元杰(1983－),男,山東泰安人,助理研究員。2007年畢業于中國礦業大學,主要從事煤礦安全、沖擊地壓等方面的研究工作。

基金項目:?國家自然科學青年基金項目(51504135),煤炭科學研究總院科技創新基金項目(2015ZYJ001)

中圖分類號TD324

文獻標識碼A