高瓦斯煤層覆巖活動規律研究

田水承 ，張 帥，陳龍剛，楊興波，孔維靜

（1．西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安710054；2．教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安710054）

瓦斯事故是一種嚴重的煤礦事故，嚴重威脅著井下作業人員的生命安全和煤礦的正常生產，而瓦斯超限則是誘發事故的主要原因。因此對礦井瓦斯進行抽采顯得尤為重要[1-4]。在工作面回采過程中采空區上覆巖層會發生垮落、破裂從而形成眾多裂隙，卸壓瓦斯通過眾多裂隙以滲流、擴散等方式匯聚于覆巖裂隙帶內，從而形成了覆巖高位瓦斯富集區[5-8]。如果將高抽巷的布置層位選擇在采動裂隙帶高度內，可使瓦斯抽放效果達到最佳。因此探究采動過程中覆巖活動規律，確定采動裂隙帶的空間位置將對高瓦斯煤層瓦斯的抽放具有指導作用[9-10]。眾多學者對采動過程中覆巖活動規律及破壞特征進行了大量的研究工作[11-14]，并取得了豐富的成果，但是煤礦現場條件復雜，各礦的條件又不盡相同，因此對采動過程中覆巖裂隙的分布特征及瓦斯富集區的具體位置難以準確判定。因此，試圖通過微震監測技術對采動過程中覆巖破裂所形成的微震事件進行監測并記錄，并通過對微震監測結果進行分析以確定采動過程中覆巖裂隙的分布狀態，從而確定覆巖瓦斯富集區的空間位置，并據此對高抽巷的合理層位進行設計。

1 微震檢測原理

煤巖體受外界因素影響而發生微破裂，微破裂逐漸聚集，相互貫通，形成裂隙；微破裂發生時，會釋放出地震波向周圍傳播，形成一個微震事件；地震波產生后，在周圍煤巖介質中傳播時，利用微震監測系統，將彈性波進行識別、捕獲和采集，并對彈性波進行處理和分析，進而可對微震事件（微破裂）位置進行三維空間定位。根據微震事件的空間分布情況，可分析得出裂隙的分布狀態、演化過程和變化趨勢等。微震監測原理圖如圖1。

圖1 微震監測原理

2 微震監測方案

工作面采用的微震監測系統的關鍵組成包括傳感器、采集儀和主機3 大部分。根據工作面的開采條件及進、回風巷道的實際情況結合微震監測的需求，研究并確定了微震監測系統的布置方案。該工作面進風巷道和回風巷分別布置2 臺采集儀，每臺采集儀配備2 個傳感器。傳感器超前工作面60 m開始布置，傳感器間距20 m。

傳感器布置在煤幫上，采用錨桿連接安裝法，傳感器通過傳感器轉接頭與錨桿連接，錨桿相當于傳感器尾椎，有利于接收微震信號。每個采集儀配備的2 個傳感器分別連接在電纜線靠近采集儀的2 個接口上，且采集儀利用掛鉤懸掛于巷道煤幫上以便于更換。

監測過程中，當工作面推進到距離最近傳感器20 m 左右時，將2 個運輸巷距工作面最近的2 個傳感器和1 臺采集儀后移，各傳感器間距仍保持20 m，以此循環以保證監測過程不受開采活動的影響，從而實現工作面推進過程中的全面監測。

3 采動過程中微震活動分析

3.1 微震事件分析

利用微震監測系統數據處理軟件對微震監測系統所記錄的各類活動事件進行過濾處理得到有效微震事件，事件主要集中在采空區頂底板、煤層、煤層頂底板及回風巷頂板。在監測時間段內，根據監測結果可知，共產生了4～5 次周期來壓，周期來壓平均步距在20 m 左右，平均來壓周期為6 d，此與該工作面實際周期來壓情況相符合。由于篇幅所限，選取監測期間的1 次典型周期來壓進行分析，工作面累積推進5、10、20 m 過程中微震事件分布如圖2～圖4。

圖2 工作面累積推進5 m 過程中微震事件分布

圖3 工作面累積推進10 m 過程中微震事件分布

根據圖2 可知，當工作面推進5 m 的時候，回風巷道及上一個工作面的采空區（緊鄰回風巷）上部出現較多微震事件，分布高度在38 m 左右，工作面前方煤層頂板出現若干微震事件，分布在沿傾向中部位置，高度范圍集中在10～38 m 左右，且該工作面后方的采空區出現少量零散微震事件，高度集中在10 m 以內。

根據圖3 可知，當工作面累積推進10 m 的時候，回風巷道及其相鄰采空區上部微震事件增多，分布范圍擴大，并向工作面傾向中部位置擴散形成了沿工作面傾向分布的微震事件帶，且工作面中部微震事件帶下部微震事件增多，高度集中在在12～40 m 范圍內，而微震事件帶上部事件變化較小，同時工作面前方下部頂板（距離底板45 m 處）和后方采空區微震事件增多。

根據圖4 可知，當工作面累積推進20 m 的時候，回風巷道及其相鄰采空區上部微震事件大量增多，分布范圍增大，且微震事件帶事件集中效果明顯，該工作面后方采空區微震事件大量增多，大多事件分布高度集中在45 m 以內。

圖4 工作面累積推進20 m過程中微震事件分布

3.2 上覆巖層破裂特征分析

對微震事件的分布狀態及變化趨勢分析可知，當工作面推進5 m 的時候，回風巷道及其相鄰采空區上部35 m 處產生較多破壞使其上部頂板出現部分破斷現象，這是由于回風巷道緊鄰上一個工作面的采空區，回風巷處于高地應力區域。工作面前方煤層頂板12～40 m 高度內出現較多破裂現象，并有向回風巷到上部破裂區域發育的趨勢，而工作面后方采空區頂板12 m 高度內出現少量零散分布的微震事件，表明新采空區頂板局部地點發生個別破裂現象。

當工作面累積推進10 m 的時候，回風巷道及其相鄰采空區上部頂板破裂現象明顯，形成了大量裂隙，同時工作面前方出現大量破裂現象，集中分布在工作面前方中部位置，距離煤層頂板高度在12～40 m 范圍內，且與回風巷道上部破裂區域相貫通，這是由于隨著工作面的推進，超前采動應力不斷升高，又受到舊采空區的影響使得其上部破裂不斷向工作面前方煤層頂板處發展，導致工作面前方煤層頂板沿傾向中部集中破壞增多。而工作面后方新采空區頂板20 m 范圍內破裂現象較為集中，這一現象是由新采空區端部集中剪切應力造成的。

當工作面累積推進20 m 的時候，回風巷上部頂板破裂集中程度增加，范圍保持穩定；工作面前方50 m 處煤層頂板破裂現象大量增加，分布高度在40 m 左右，且工作面后方新采空區頂板45 m 高度內破裂現象集中，表明此時間段新采空區頂板45 m范圍內巖層發生了較大破斷現象，并產生了大范圍垮落，同時采空區覆巖破壞在進一步發展；回風巷上部頂板破壞程度明顯增加；導致工作面前方60 m處煤層頂板破壞進一步加劇，使得工作面超前支撐壓力影響范圍集中在工作面前方60 m 內，且隨著工作面的推進不斷向更前方發展。由覆巖活動特征可判定此時為1 次工作面周期來壓。

通過對采動過程中微震事件分布情況及上覆巖層破裂特征的分析，可得到該工作面在回采期間周期來壓步距在20 m 左右，采動過程中形成的覆巖裂隙帶高度約45 m，卸壓瓦斯匯聚于此形成覆巖瓦斯富集區，因此可根據覆巖裂隙帶高度對高抽巷的層位進行優化設計以及根據工作面前方煤層頂板破裂范圍確定超前支護范圍。

4 現場應用

4.1 高抽巷合理層位的設計

該礦為煤與瓦斯突出礦井，為了降低工作面瓦斯濃度，避免瓦斯超限現象的產生，對采空區瓦斯進行抽放勢在必行，因此必須設立高抽巷針對該礦井的瓦斯進行抽放。然而高抽巷布置層位的合理性直接影響到了瓦斯的抽放效果，如果高抽巷布置高度太低，在采動過程中可能會因為頂板的垮落而與采空區接通，造成漏風現象，影響瓦斯抽放效果；如果布置太高，則會因為巖層裂隙欠發育，瓦斯流動不暢，導致抽放效果不佳[15-16]。所以為了保證瓦斯抽放的效果，進行高抽巷合理層位選擇時，應該選擇瓦斯富集區并且在工作面回采工作后不會很快被破壞的區域。綜上，垮落帶上部裂隙帶中下部區域為高抽巷合理層位的最佳選擇。根據微震監測結果的分析得到斷裂帶高度約45 m 左右,結合上述對高抽巷合理層位的描述，確定高抽巷的合理層位應在距離煤層頂板38 m 左右高度。

4.2 高抽巷合理層位驗證

4.2.1 高抽巷合理層位的范圍

根據文獻[17-18]中高抽巷合理層位的計算公式對上述高抽巷合理層位的預測結果進行檢驗，其計算公式如下：

式中：Hm為高抽巷層位高度，m；Hz為跨落帶高度，m；Ht為斷裂帶高度，m。

4.2.2 裂隙發育帶的理論范圍

跨落帶的理論高度Hm計算公式如下：

式中：h 為采高，取4.5 m；k 為垮落巖石的平均碎脹系數，取1.3；α 為煤層平均傾角，取9°。

斷裂帶理論高度計算公式如下：

式中：a、b、c 為待定常數。

根據煤礦設計規范確定待定常數，a、b、c 待定常數取值見表1。

表1 a、b、c 待定常數取值表

根據該工作面實際情況，采高取4.5 m，垮落巖石的平均碎脹系數為1.3，煤層平均傾角為9°，煤層上覆巖層以中硬巖石為主。將該工作面的各項參數代入式（2）、式（3）中計算可知：垮落帶的理論高度Hm=15.2 m，斷裂帶理論高度范圍Ht=36.1～47.3 m。將計算結果代入式（1）可知高抽巷的理論層位應布置在15.2～47.3 m 范圍之內。顯然此理論范圍過大，根據4.1 節中對高抽巷合理層位布置原則的總結，重新確定其合理層位的理論范圍為36.1～47.3 m。

由此可知，根據對微震監測結果分析得到的采動斷裂帶高度位于理論范圍之內，對高抽巷合理層位的設計也位于理論范圍之內，并符合高抽巷的布置原則。表明微震探測采空區覆巖破裂特征是可靠的。

5 結 論

1）通過對采動過程中微震事件的分布情況及變化趨勢分析得到了采空區覆巖的破裂特征：工作面在回采期間周期來壓步距約20 m，采動裂隙帶高度約45 m。

2）根據理論計算，得到裂隙帶高度范圍為36.1～47.3 m,結合高抽巷層位的布置原則，得到高抽巷的層位（理論值）在36.1～47.3 m 之間。

3)根據微震監測結果分析得到的采動裂隙帶高度結合高抽巷合理層位的布置原則，對高抽巷的布置層位進行設計，得到其合理層位應在距離煤層頂板38 m 左右位置，并通過理論計算對其進行驗證。結果表明微震探測采空區覆巖破裂特征是可靠的。