長平煤業5302 綜放工作面頂板巖層移動規律研究

王飆

（山西晉城無煙煤礦業集團鄂托克前旗恒源投資實業有限責任公司，山西 晉城 048000）

一、工作面概況

（一）工作面概況及位置

長平井田5302綜放工作面位于3#煤一水平五盤區南翼，為五盤區的首采工作面；地面標高979－1170m，煤層底板標高412－480m，工作面走向長度 1509.17m（幫—停），傾斜長度295.00m（幫—幫），煤層平均厚度5.64m；該工作面在1066m 處布置有第二切眼，長101.5m；工作面東部為5301 工作面（尚未布置），西部為5303 工作面（正在布置），北部為五盤區大巷，南部為西玨山廟保護煤柱。

圖1 首采面巷道布置圖

首采面共布置6 條順槽巷道，其中西面布置Ш53022 巷、Ш5302 底抽2 巷和Ш53023 巷，東面布置了Ш53021 巷、Ш5302 底抽1 巷和五盤區泄水巷，Ш53022巷、Ш5302 底抽2 巷是回風巷，Ш53023 巷是輔助運輸巷和進風巷，東面三條巷道均為進風巷，Ш53021 巷是皮帶運輸巷。Ш53022 巷和Ш5302 底抽2 巷之間煤柱(中-中)25m，Ш5302 底抽2 巷和Ш53023 巷之間煤柱(中-中)35m，Ш53021 巷和Ш5302 底抽1 巷之間煤柱(中-中)25m，Ш5302 底抽1 巷和五盤區泄水巷之間煤柱(中-中)35m。工作面切眼南側布置有底抽巷和泄水巷，煤柱大小和順槽之間的相同。

（二）地質構造

5302 工作面地質條件復雜，具體情況如表1 所示。（1）工作面回采至529m 處，采面內揭露SX99 陷落柱（DX72），回采至580m 處采面內過完，該陷落柱在采面內影響80m，推進方向影響51m。

二、頂板巖層移動規律研究

（一）微震監測設備布置方案

根據礦井采掘情況長平煤業需布置一套16 通道微震監測系統，包括10 個拾震器和6 個探頭。為實現最好的監測效果，同時減少后期傳感器的挪移頻繁程度，故方案設計將傳感器均布置在53022、53023 兩巷橫川內和53021 巷、五盤區南翼泄水巷兩巷橫川內；傳感器全部采用拾震器進行監測，拾震器間距500m 左右，此方案可以保證對5302工作面全面包圍覆蓋，在5302工作面回采期間無需進行傳感器的挪移。具體布置方式如圖2 所示。

圖2 微震設備布置方案

（二）工作面微震活動分析

長平礦5302 工作面微震監測系統自2019 年8 月31 日投入運行，至2019 年12月20 日共監測到微震事件1642 個，各能量級微震事件統計如圖3-2 所示。微震事件主要以102J 能級以下的微震事件為主（占微震事件總數的92.51%），共發生了113 個103J 微震事件和10 個104J 高能微震事件。

1.微震事件分布分析

由于5302 工作面初采期間沿煤層頂板布置，在推進至10m 后工作面落底，直至機頭推進30m、機尾推進50m 工作面沿底回采，而后遇構造向下找煤，因此將工作面回采分為五個階段，①第一階段為工作面推進前10m 的沿頂推進階段，②第二階段為工作面由10m 推進至機頭30m、機尾50m 的臥底過渡階段，③第三階段為工作面沿底板推進階段，④第四階段工作面遇斷層構造，工作面俯采向下找煤，⑤第五階段為工作面正常回采階段。

圖3 和圖4 分別為不同時期5302 工作面微震事件平面圖和走向剖面圖，由圖中可見，如圖3（a）和圖4（b）在工作面回采初期圖由于工作面采空面積較小，工作面附近區域的微震事件較少，而SX82 陷落柱附近區域存在明顯的微震事件集中現象，在9 月29 日之后SX82 陷落柱附近區域微震事件集中現象消失，表明9 月29 日之后陷落柱活化運動停止。如圖4 在回采初期，高能微震事件的發生高度為頂板以上40m，其后隨著工作面的不斷推采，采空區面積的變大，微震事件逐步發育至煤層頂板以上60m 位置，沒有進一步向上發育。根據微震事件的平面和剖面分布圖可見，在工作面附近區域的微震事件的發生主要是由于工作面的回采擾動而產生，因此微震事件發生的位置相對集中（尤其是103J 以上微震事件）；而陷落柱和向斜構造的影響范圍大，因此微震事件在這兩個區域的分布相對分散。

圖3 微震事件平面圖

圖4 微震事件走向剖面圖

隨著工作面兩側進尺的偏差不同，微震事件的分布也隨之變動。8 月31 日至10月1 日，53023 巷進尺快于53021 巷，微震事件主要分布在53023 巷一側；10 月2 日至10 月12 日，53021 巷進尺快于53023 巷，微震事件向工作面中部集中；10 月13日至11 月2 日，53023 巷進尺快于53021 巷，微震事件再次集中在53023 巷一側；（4）11 月3 日至11 月19 日，兩條巷道的進尺偏差較小區域平穩，微震事件在工作面兩側均有分布；11 月20 日至11 月23 日，53023 巷進尺快于53021 巷，微震事件又集中至53023 巷側；11 月24 日至11 月30，53021 巷的進尺提升明顯，導致微震事件（尤其是103J 微震事件）向53021 巷側集中。并且從12 月1 日至12 月20 日，微震事件最新的分布變化可見，工作面兩側的回采速度差仍是影響微震事件分布的主要因素，受兩側不均勻推采的影響103J 以上微震事件主要集中在工作面兩側（在兩側推采速度差較小時，103J 微震事件會出現在工作面中部區域）。

圖5 為距離工作面不同位置微震事件頻次分布圖和能量分布圖，由圖中可見微震事件峰值位于工作面前方140m-160m 范圍內，微震事件能量主要集中在工作面前方120m-160m 內釋放，因此工作面前方120m 至160m 區域為煤巖體劇烈破裂的區域。

圖6 為基準傾向方向微震事件頻次和能量分布圖。由圖中可見，微震頻次峰值位于53203 巷道向工作面內部20m 處（60m 處為第二峰值處），并且此處的微震事件能量釋放也相對集中。同時在53021 巷處（320m 位置）也存在一能量峰值，因此處微震事件數量相對較少，可知該處微震事件多為大能量事件。

圖5 距離工作面不同位置微震事件頻次分布圖（走向）

圖6 傾向方向微震事件分布統計圖

圖3-9 微震事件能量頻次圖Fig.3-9 Micro-seismic event energy frequency diagram

圖3-10 微震事件頻次與推進度關系圖Fig.3-10 Relationship between the frequency of microseismic events and propulsion

圖3-11 微震事件能量與推進度關系圖Fig.3-11 Relationship between energy and propulsion of microseismic events

2.微震活動時序分析

為了分析工作面回采工作面對微震事件發生的影響，選取切眼前方350m 范圍內的微震事件進行分析（該區域內共發生微震事件995 個），圖3-9～圖3-11 分別是微震事件能量、頻次和推進度關系圖。在10 月19 日之前由于微震事件數據量較少，因此，三個因素之間沒有明顯的規律。

10 月25 日至11 月10 日，微震頻次與工作面的推采強度呈現明顯的相關性，隨后相關性大幅減弱，可能是由于之后S3 號拾震器數據傳輸故障，導致一些能量較小的微震事件無法接收和有效定位。

在11 月15 日、25 日和30 日周期來壓時期，微震事件能量存在三個明顯的峰值，二者吻合度較高。因此在12 月4 日和12 月10 日分別出現的微震能量峰值可推測為此時工作面周期來壓。

3.大能量微震事件分布分析

截止2019 年12 月20 日5302 工作面103J 以上微震事件分析可見，在工作面當前開采可能影響區域區域（圖中紅色框）微震事件主要集中在工作面兩側的頂底板內，工作面中部區域微震事件明顯少于工作面兩側區域。由于該區域并未存在異常地質構造，因此分析認為造成此種現象的原因主要有以下兩個：一是工作面機頭和機尾推進速度差較大，導致工作面兩側區域煤巖體破裂極不均勻。二是工作面中部的底抽巷影響了工作面的應力分布狀態，使得工作面中部的應力向兩側轉移。

由以上分析可以看出，長平礦5302 工作面微震事件具有以下特征：

（1）陷落柱、向斜等構造是影響長平礦5302 工作面微震事件發生的主要因素，構造因素影響范圍廣，會存在一個活化-穩定-活化-再穩定的，循環運動過程。

（2）工作面回采對微震事件的發生影響范圍較小，微震事件的位置相對集中。

（3）5302 工作面兩側回采進尺的不同，對微震事件的分布影響較大，為避免某些巖層的突然、大面積破裂應降低兩側的速度差。

（4）微震事件的發生在工作面回采正常時通工作面的推采速度存在一定的相關性。

（5）工作面前方120m 至160m 區域為煤巖體劇烈破裂的區域。

4.微震事件與工作面來壓的相互關系

根據微震事件分析結論，微震事件峰值發生在9 月24 日、10 月2 日、10 月8 日、10 月19 日、11 月2 日、11 月19 日、11 月25 日、11 月30 日，對應以上時間內工作面礦壓情況如表2 所示。由統計結果可以看出，微震事件峰值時間與工作面來壓時間完全一致，僅有個別震源距來壓范圍較遠，但由于震源層位較高，普遍在40m以上，該位置頂板活動影響范圍較大，與來壓位置較遠亦屬正常現象。

三、小結

本文通過微震監測系統對工作面頂板巖層移動規律進行監測，基于工作面推進過程，將工作面回采分為五個階段，第一階段為工作面推進前10m 的沿頂推進階段；第二階段為工作面由10m 推進至機頭30m、機尾50m 的臥底過渡階段；第三階段為工作面沿底板推進階段；第四階段工作面遇斷層構造，工作面俯采向下找煤；第五階段為工作面正常回采階段。主要得到以下結論：

1.在回采初期，高能微震事件的發生高度為頂板以上40m，其后隨著工作面的不斷推采，采空區面積的變大，微震事件逐步發育至煤層頂板以上60m 位置，沒有進一步向上發育。

2.根據微震事件的平面和剖面分布圖得出，工作面的回采擾動對微震事件的影響較大，因此微震事件發生的位置相對集中（尤其是103J 以上微震事件）；其次，陷落柱和向斜構造的影響范圍大，因此微震事件在這兩個區域的分布相對分散。

3.通過微震事件頻次分布圖和能量分布圖，由圖中可見微震事件峰值位于工作面前方140m-160m 范圍內，微震事件能量主要集中在工作面前方120m-160m 內釋放，因此工作面前方120m 至160m 區域為煤巖體劇烈破裂的區域。

4.根據微震頻次與工作面的推采強度呈現明顯的相關性，并且通過微震能量峰值可推測工作面周期來壓的時間。