三軟煤層掘進(jìn)巷道微震活動(dòng)特征及圍巖破壞分析

史登榮

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)公司正幫煤業(yè)，山西 孝義 032300）

頂?shù)装寰鶠槟鄮r性質(zhì)的三軟煤層巷道，其圍巖具有物理力學(xué)強(qiáng)度低、裂隙發(fā)育、易碎脹變形等特點(diǎn)，所以需在掘進(jìn)期間對(duì)巷道圍巖進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與加固，以預(yù)防巷道失穩(wěn)危及安全。目前常用的傳統(tǒng)圍巖監(jiān)測(cè)技術(shù)手段有鉆孔探測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測(cè)、支護(hù)構(gòu)件受力分析等，但這些技術(shù)無(wú)法對(duì)圍巖進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)和定量評(píng)價(jià)。本文以汾西正邦煤業(yè)11101回風(fēng)順槽為背景，結(jié)合其煤層頂?shù)装逄匦裕岢隽藰?gòu)建微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析巷道掘進(jìn)期間微震活動(dòng)特征及規(guī)律，從而達(dá)到定量評(píng)價(jià)圍巖破裂程度的目的。

1 工程概況

汾西正幫煤業(yè)11101材料巷沿煤層由南向北掘進(jìn)918.6m，掘進(jìn)巷道南側(cè)為主運(yùn)大巷、東西回風(fēng)大巷和東西輔運(yùn)大巷，東側(cè)170m處為1#探巷，巷道斷面為矩形，凈寬4m，凈高4m，采用EBZ-160型綜掘機(jī)一次截割成巷。

掘進(jìn)煤層為石炭紀(jì)上統(tǒng)太原組11#煤層，煤層以亮煤、半亮煤、半暗煤組合為特征，埋深207～280m，厚度0.39～5.37m，平均厚度2.08m，傾角7°，為近水平煤層。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，巖性松軟，極易風(fēng)化脫落，煤層直接底為鋁質(zhì)泥巖，巖性松軟，易吸水膨脹變形，因此11101材料巷掘進(jìn)煤層為典型的三軟不穩(wěn)定煤層。頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

由于11101掘進(jìn)巷道煤層頂?shù)装骞?jié)理、層理裂隙發(fā)育，且厚度不均一，在掘進(jìn)過(guò)程中給巷道安全穩(wěn)定帶來(lái)了隱患，同時(shí)對(duì)巷道支護(hù)施工帶來(lái)困惑，因此急需一套可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)準(zhǔn)確、持續(xù)地了解并掌握圍巖破壞情況，從而避免巷道失穩(wěn)引發(fā)安全事故。

表1 11#煤層頂?shù)装逄匦?/p>

2 微震系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，由傳感器通過(guò)巷道支護(hù)錨桿接收圍巖破裂震動(dòng)信號(hào)，并將震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過(guò)井下電纜傳輸至數(shù)字信號(hào)采集系統(tǒng)，由光電轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，之后利用光纖傳送至井下數(shù)據(jù)采集分站將光信號(hào)再次轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后通過(guò)煤礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳送至井上接收系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理分析。

2.2 微震監(jiān)測(cè)方案

在11101材料巷掘進(jìn)期間布置2個(gè)斷面監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，兩測(cè)站間距40m，每個(gè)站點(diǎn)布置3個(gè)傳感器，傳感器連接長(zhǎng)度2.4m螺紋鋼錨桿，分別隨巷道支護(hù)施工布置于頂板中心處和左右兩幫中心處位置。隨著巷道掘進(jìn)，傳感器逐漸向掘進(jìn)頭推進(jìn)方向移動(dòng)，保證微震信號(hào)的持續(xù)性監(jiān)測(cè)。

2.3 微震信號(hào)識(shí)別

在巷道掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)工作產(chǎn)生大量振動(dòng)噪聲信號(hào)，信號(hào)會(huì)對(duì)圍巖破裂信號(hào)產(chǎn)生干擾，影響準(zhǔn)確的微震信號(hào)定位，因此預(yù)先將微震事件分為圍巖破裂事件和機(jī)械振動(dòng)噪聲事件兩大類。收集信號(hào)后排除噪聲信號(hào)干擾，準(zhǔn)確識(shí)別圍巖破碎微震信號(hào)，從而獲得圍巖破壞微震變化規(guī)律。

（1）圍巖破裂事件。當(dāng)綜掘機(jī)截齒連續(xù)切割破煤時(shí)，圍巖內(nèi)會(huì)產(chǎn)生多個(gè)破裂信號(hào)，多個(gè)波形疊加隨時(shí)間均勻分布，在一定振幅范圍內(nèi)上下波動(dòng)，如圖1所示。

（2）噪聲事件。分為電流噪聲和風(fēng)鉆噪聲，電流噪聲波形隨時(shí)間在一定振幅范圍內(nèi)上下波動(dòng)，波動(dòng)較為完整、均勻；而風(fēng)鉆噪聲波形變化呈規(guī)律出現(xiàn)，單個(gè)風(fēng)鉆噪聲波形特點(diǎn)為某瞬間振幅突然增加，隨后逐漸減弱直至恢復(fù)正常，如圖2所示。

圖1 掘進(jìn)圍巖微震事件波形圖

圖2 風(fēng)鉆噪聲事件波形圖

3 圍巖微震活動(dòng)特征分析

正幫煤業(yè)11101材料巷布置微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)后，持續(xù)正常監(jiān)測(cè)60d，在巷道掘進(jìn)期間經(jīng)識(shí)別及除噪最終得到微震事件297個(gè)。微震事件矩震級(jí)主要集中在-2.670～0.598范圍內(nèi)，平均值為-1.6，微震活動(dòng)釋放能量較低。

對(duì)收集到的微震信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，11101材料巷掘進(jìn)期間微震事件空間分布共劃分為3個(gè)區(qū)域，如圖3所示。其中Ⅰ區(qū)域(0～3m)圍巖裂隙發(fā)育，完整性較差，微震事件密集；Ⅱ區(qū)域(3～7m)圍巖存在少量裂隙，發(fā)育不明顯，為微震事件中密度區(qū)；Ⅲ區(qū)域(7m以外)圍巖較為完整，為微震事件低密度區(qū)。

圖3 微震事件空間分布規(guī)律

由圖3可看出，微震事件主要集中于巷道左肩部、頂板中心及底板中心處。圖4為微震事件密度云圖，同樣可看到，在巷道左肩部、頂板中心、底板中心處微震事件密集，與圖3展示結(jié)果相同，說(shuō)明巷道掘進(jìn)期間肩部與頂?shù)灼茐膰?yán)重。上述與實(shí)際地質(zhì)勘探資料中的頂板松軟易風(fēng)化垮落及底板松軟遇水易膨脹的描述相符。

圖4 微震事件密度圖

4 微震事件與支護(hù)構(gòu)件受力關(guān)系

軟巖巷道開(kāi)挖引起圍巖應(yīng)力重新分布，層理節(jié)理裂隙發(fā)育、擴(kuò)展加重，大量微震事件由此產(chǎn)生，導(dǎo)致巷道圍巖破壞、支護(hù)構(gòu)件受力發(fā)生變化。因此，微震事件活動(dòng)與巷道錨桿、錨索受力存在著密切的聯(lián)系，為揭示二者關(guān)系，同時(shí)為驗(yàn)證上文微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性，在11101材料巷布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，利用錨桿、錨索測(cè)力計(jì)分別監(jiān)測(cè)巷道肩部、幫部、頂板錨桿、錨索受力載荷狀況，自監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝完成后持續(xù)監(jiān)測(cè)140d。

圖5為巷道不同位置處錨桿工作載荷變化曲線圖。監(jiān)測(cè)初期錨桿載荷由于預(yù)緊力的施加明顯提高，之后略有下降并在40d后基本趨于穩(wěn)定。另外可從圖中得知，巷道肩部及頂板處錨桿受力明顯大于兩幫，尤其左肩處錨桿載荷值在監(jiān)測(cè)期間始終保持最大，且各位置錨桿載荷變化規(guī)律與上文中微震事件空間分布規(guī)律一致。

圖5 錨桿工作載荷監(jiān)測(cè)曲線圖

綜上所述，利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、定量、持續(xù)地監(jiān)測(cè)掘進(jìn)巷道圍巖微震事件，從而能夠準(zhǔn)確反映圍巖破壞情況，較傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段擁有明顯的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了以往定性分析巷道圍巖破壞程度的局限性，具有較大的理論指導(dǎo)意義與工程實(shí)用價(jià)值。

5 結(jié)論

（1）11101材料巷掘進(jìn)期間微震事件矩震級(jí)范圍主要集中在-2.670～0.598，平均值為-1.6，圍巖破裂釋放能力低。

（2）軟巖巷道圍巖0～3m為微震事件高密度區(qū)，3～7m為微震事件中密度區(qū)，大于7m為微震事件低密度區(qū)。

（3）軟巖巷道微震事件主要集中于巷道肩部、頂板、底板處，尤其肩部微震事件密集，破裂嚴(yán)重。

（4）微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可準(zhǔn)確、定量、持續(xù)地監(jiān)測(cè)軟巖巷道圍巖破壞程度，其監(jiān)測(cè)結(jié)果在巷道支護(hù)構(gòu)件受力上已得到驗(yàn)證。