高瓦斯煤層覆巖空間破裂微震探測及應用

李文福，賈 佳，徐文杰，吳志強

(安陽鑫龍煤業主焦煤礦，河南 安陽 455141)

瓦斯災害是煤礦安全生產的“第一殺手”[1]，為了保障高瓦斯礦井安全可持續生產，就必須對瓦斯氣體進行治理，防患于未然。而礦井在開采過程中，由于原始地應力遭到破壞，導致煤巖體發生破壞、斷裂等現象，從而引起應力的重新分配，在這個過程中積累在煤層中的瓦斯氣體被大量釋放出來，并通過煤巖體應力重新分配過程中形成的大量裂隙升浮擴散至采動裂隙帶中，形成瓦斯積聚現象，從而造成瓦斯隱患[2-5]。針對卸壓瓦斯的抽采，學者們進行了大量有價值的研究及實踐[6-19]。雖然巷道法、鉆孔法和綜合抽采法是最為常見的卸壓瓦斯抽采方法，但是采用巷道法治理瓦斯時存在較多問題，無論巖石巷道還是煤層巷道在掘進過程中都需要大量資金和人力物力的投入，且巷道法也存在瓦斯治理效率低的問題，而采用鉆孔法則可大大節省瓦斯治理成本，提高瓦斯治理效果。為了解決主焦煤礦瓦斯隱患，采用微震探測技術對工作面回采過程中的覆巖活動規律進行監測記錄，并通過對微震事件分析得到采動裂隙帶范圍，進而得到高位瓦斯富集區，并據此對高位瓦斯抽采鉆孔進行優化設計。

1 工作面概況及鉆場布置范圍計算

1.1 工作面概況

安陽主焦煤礦2308工作面是23采區北翼最下部的工作面，東部為23采區邊界，西部為23采區設計2306工作面(尚未掘進)，南部為23采區軌道、皮帶、回風三條下山，北部為西保障村莊保護煤柱，井下標高為-401.41～-466.485m。該工作面上巷長686m，下巷長671.6m，切眼長140.3m，可采平面積約78281.5m2。煤層平均傾角14°，平均厚度5.67m，采高2.2m。根據2018年瓦斯等級鑒定主焦煤礦屬高瓦斯礦井。

1.2 冒落帶和斷裂帶高度計算

由文獻[20，21]可知：冒落帶和斷裂帶的計算公式如下所示：

式中，H1為冒落帶高度，m；H2為斷裂帶高度，m；h為采高，m；k為垮落巖石的平均碎脹系數；α為煤層傾角，(°)；a，b，c分別為待定常數。

待定常數a，b，c的取值見表1。

表1 a，b，c取值

1.3 鉆孔垂距合理范圍

根據對相關文獻的大量閱讀，學者們認為高位鉆孔垂距應當滿足如下公式：

H1

(3)

式中，H為高位鉆孔的垂距，m；H2為斷裂帶高度，m。

根據主焦煤礦2308工作面的基本情況可知，該工作面采高為2.2m，冒落帶巖石平均碎脹系數為1.3，煤層傾角為14°，煤層覆巖主要以中硬巖石為主。因此將已有參數代入上述公式可得：冒落帶高度為7.6m，裂隙帶高度為25.3～36.5m，因此高位鉆孔垂距最合理的范圍為：7.6m

2 微震監測方案及微震事件分析

2.1 微震監測方案

主焦煤礦2308工作面微震監測系統主要由主機系統、傳感器和采集儀三部分組成，通過對2308工作面長度、進風巷、回風巷和采高等基本情況的考察和研究，制定了該工作面微震監測方案。此次微震監測試驗主要采用八臺采集儀，并將其分為兩組，輪流監測并采集數據。

此次微震監測試驗將在2308工作面進風巷及回風巷分別布置兩臺采集儀，每臺采集儀對應兩個傳感器，兩巷中傳感器超前工作面40m開始布置，每個傳感器之間的距離為15m。在監測過程當中，當工作面推進30m，即距離傳感器10m的時候，將兩巷距離工作面最近的采集儀及其對應的兩個傳感器向后移動，且仍保持各個傳感器的間距為15m，以此循環直至微震監測活動結束，如圖1所示。

圖1 2308工作面微震監測系統布置

2.2 微震事件活動規律分析

通過對主焦煤礦2308工作面覆巖的微震事件進行監測記錄，并利用該系統的數據處理軟件對2308工作面當中及周圍微震事件進行過濾處理，剔除誤差較大的點，最終發現該工作面的微震事件主要集中在采空區、兩巷、煤層及其頂底板。經過對此次微震監測數據的全面分析發現，微震監測過程中共產生四次周期來壓，周期來壓步距大約為14m，為了分析每次周期來壓過程中微震事件的活動規律，選取監測過程中的一次周期來壓數據進行具體分析。主焦煤礦2308工作面推進4m，8m，14m時的微震事件如圖2—圖4所示。

由圖2可知，當主焦煤礦2308工作面累積推進4m的時候，采空區頂板出現較多微震事件，分布高度基本集中在10m以內，同時工作面前方煤層頂板也出現了部分微震事件，分布高度在5m以內。從微震事件傾向分布圖中可以看出，微震事件基本集中在工作面、采空區及兩巷上方。

圖2 回采4m時微震事件分布

圖3 回采8m時微震事件分布

圖4 回采14m時微震事件分布

由圖3可知，當主焦煤礦2308工作面累積推進8m的時候，采空區微震事件明顯增多，分布高度基本在20m以內，工作面前方煤壁及煤壁頂板也新增了大量的微震事件，部分高度主要集中在15m以內，同時從微震事件的傾向分布圖中可以看到，較圖1相比，工作面、采空區及兩巷上部微震事件均有增多。

從圖4中微震事件的分布情況可知，當主焦煤礦2308工作面累積推進8m的時候，微震事件急劇增加，從微震事件分布走向圖可知，采空區及工作面前方煤壁微震事件大幅度增多且向上發展，最終微震事件發育高度可達到38m左右，從微震事件的傾向分布圖中可知，兩巷上方微震事件以直線增長的形式向上方延伸至38m處。

2.3 上覆巖層活動規律分析

根據對上述微震事件分布特征的分析可知，當工作面累積推進4m的時候，采空區出現部分微震事件且向上部衍生10m左右，表明采空區頂板出現部分斷裂破壞現象，但是沒有出現大面積破壞，工作面前方煤層也出現也出現也不同程度的破壞現象，而煤層底板只出現了個別微震事件，表明工作面推進4m時煤層底板基本完好。

當2308工作面持續推進8m的時候，采空區微震事件持續增加，且高度衍生至采空區頂板20m左右位置處，表明此時的采空區已經出現了較多處的破壞斷裂現象，且破壞不斷向上發展，而工作面前方煤層及其頂板也出現了大量的新破壞，其高度延伸至煤層頂板10m處。同時發現兩巷上部微震事件持續增多，這是因為工作面回采過程中，兩巷處于應力集中區域，在高應力作用下導致兩巷上部煤層巖層發生剪切破壞，進而出現大量裂隙。

當2308工作面持續推進14m的時候，整個2308工作面新增大量微震事件，采空區、工作面前方煤壁及其頂板出現大面積破壞，且破壞高度直接延伸至上覆巖層38m左右；兩巷處由于裂隙上移且與采空區頂板離層裂隙相互溝通，最終形成了“裂隙溝通帶”，隨著采面的推進，煤層中的原始瓦斯則源源不斷地被解析出來，最終通過“裂隙溝通帶”升浮擴散至裂隙帶中，形成瓦斯富集區。而工作面前方則由于支撐壓力作用使得破壞現象主要集中在80m范圍內，且該范圍會隨著工作面的持續推進而繼續向前發展。從微震事件的分布特征及增加趨勢明顯可知，此時2308工作面產生大面積來壓現象，即工作面推進14m時為一個周期來壓。

綜上可知，主焦煤礦2308工作面煤層開采過程中周期來壓步距為14m左右，采動裂隙帶高度在38m左右，礦井開采過程中卸壓瓦斯主要積聚于此，因此可通過上覆巖層裂隙帶的高度及周期來壓步距等對高位瓦斯抽采鉆孔的布置方式進行設計。

3 高位瓦斯抽采鉆孔優化設計及瓦斯抽采效果檢驗

3.1 高位瓦斯抽采鉆孔優化設計

通過經驗公式及微震監測技術得到裂隙帶的發育高度及周期來壓步距，并結合礦井的實際開采條件及作業特點等，確定每隔60m設置一個高位鉆場，鉆場內共設計18個鉆孔，其中6個鉆孔為一排，共分三排。根據微震事件的分布特征，設計鉆孔距開孔點最大垂距為30m，距回風巷里幫最大水平距為30m，鉆孔布置如圖5所示。

當5號鉆場抽采失效后，由6號鉆場的18個鉆孔接力抽采，鉆孔交錯，以保證鉆孔間互不干擾，立體式抽采采空區高位瓦斯富集區的瓦斯。

3.2 瓦斯抽采效果檢驗

優化后的高位鉆孔施工成功并正常工作后，收集鉆孔瓦斯抽采數據進行整理分析，發現優化后高位鉆孔的瓦斯抽采效果顯著，由于篇幅所限，選取較典型鉆孔的瓦斯抽采數據和鉆孔優化前的瓦斯抽采情況進行對比分析，以達到檢驗瓦斯抽采效果的目的。優化后的高位鉆孔開始運行一個月內的瓦斯抽采情況如圖6所示。

圖5 高位鉆場布置方案

圖6 高位鉆孔瓦斯抽采情況

由圖6可知，所選鉆孔的瓦斯抽采量為4.98～18.31m3/min，優化前鉆孔的瓦斯抽采量為1.08～10.29m3/min，平均瓦斯抽采量提升了162%；所選鉆孔瓦斯抽采體積分數在15.37%～26.27%之間，優化前鉆孔的瓦斯抽采體積分數為2.19%～14.72%，平均瓦斯抽采體積分數提升了210%。由此可知，優化后高位鉆孔的瓦斯抽采效果明顯提升，表明以微震監測技術探測覆巖瓦斯富集區是可靠的。

4 結 論

1)根據理論計算，得到了冒落帶高度約為7.6m，裂隙帶高度為25.3～36.5m，據此得到高位瓦斯抽采鉆孔垂距的最佳范圍為7.6～36.5m。

2)利用微震監測技術手段，對工作面回采過程中上覆巖層的破壞斷裂現象進行監測記錄，得到了大量與覆巖破壞活動相對應的微震事件，通過分析，發現采動裂隙帶高度在38m左右，周期來壓步距在14m左右。

3)結合理論計算及微震監測試驗所得到的結果，對高位瓦斯抽采鉆孔進行優化設計，并對優化后鉆孔的瓦斯抽采效果進行檢驗，發現瓦斯抽采量提升了162%，瓦斯抽采體積分數提升了210%，表明了微震監測技術的可靠性。