高強綜放開采覆巖破斷與瓦斯涌出微震響應規律及應用

2022-09-14 03:53:26成小雨

中國礦業 2022年9期

趙剛，成小雨，尉瑞

(1.中煤能源研究院有限責任公司，陜西西安 710054；2.中煤華晉集團有限公司王家嶺分公司，山西運城 043300)

我國是煤炭生產大國和消費大國，煤炭資源的高產高效開發對于保障我國能源安全具有非常重要的意義[1-2]。在煤礦生產中，高產高效的工作面由于開采強度大，工作面瓦斯涌出量大，造成局部瓦斯積聚，上隅角瓦斯異常甚至超限，嚴重影響了煤礦的安全生產[3-5]。采空區瓦斯是綜放工作面瓦斯涌出的主要來源[6-8]，采用高位鉆孔瓦斯抽采技術可以有效降低采空區瓦斯濃度，防止工作面上隅角瓦斯超限。而高位鉆孔的抽采效果取決于能否準確地掌握上覆巖層的應力和裂隙的分布情況。近年來，眾多學者采用理論分析、物理相似模擬和數值模擬等方法針對高強度開采條件下上覆巖層破斷與裂隙演化規律進行了研究。烏日寧[9]采用分形理論對采動裂隙進行定量分析，得到了厚煤層采動裂隙的演化規律；李樹剛等[10]采用煤與瓦斯共采三維大尺度物理模擬實驗平臺，實現了采動覆巖裂隙演化、瓦斯運移與瓦斯抽采等問題的一體化同步研究；陸衛東等[11]建立了巖體滲透率的計算模型，確立了“面應變-孔隙率-滲透率”模型，用以表征煤巖體滲透率的變化；江成浩[12]通過經驗公式法計算得到了煤層細觀參數，并運用PFC3D軟件建立了煤層顆粒流模型，實現了對綜放采空區孔隙率變化規律的模擬研究。在微震監測的應用方面，王元杰等[13]通過上下微震聯合監測技術，對微震事件分布規律與導水裂隙帶發育高度的關系進行了研究；蔡永順等[14]建立了地壓監測系統和地表塌陷分析模型，采用微震監測技術對地表塌陷過程進行監測與預警，為礦山的安全開采提供技術保障；于春生等[15]以古漢山礦1604工作面為研究背景，采用高精度微震監測研究了工作面回采過程中底抽巷圍巖動態破壞特征以及底板突水危險性，結果表明底抽巷內錯回采巷道8 m時處于底板卸壓區，位于回采巷道正下方和外錯回采巷道時處于應力集中區，受采動影響程度高；薛吉勝等[16]以寧武礦區汾源煤業為背景，采用KJ1160微震監測系統研究了大傾角綜放面微震事件、能量分布特征，結果表明大傾角特厚煤層工作面頂板覆巖垮落帶、裂縫帶在煤層傾向上形成“上高下低”的形態，在走向上呈現滯后性。

中煤華晉公司王家嶺煤礦是我國典型的由低瓦斯煤層高強度開采導致的高瓦斯礦井[17-18]。本文以該礦目前主采的12302綜放工作面為研究對象，采用目前成熟的微震監測技術配合工作面瓦斯涌出量監測，研究了工作面在推進過程中的采動覆巖破斷及裂隙演化特征，確定了微震事件發生與瓦斯涌出定量的表征關系，最后采用高位定向長鉆孔對裂隙帶瓦斯進行抽采，并對抽采效果進行了分析。

1 監測系統布置方案

經過多年的現場應用和技術發展，微震監測技術已經成為煤礦瓦斯突出、沖擊地壓和頂板斷裂來壓等煤礦災害預測和機理研究的一項重要手段[19-21]。KJ699微震監測系統采用24通道模擬信號輸入，輸入頻率范圍為0.1～2 000 Hz，通過上位機軟件的設置，可以實現不同采樣頻率的設置。所有模擬信號經過數字處理后經過以太網上傳至上位機；遇到通訊不正常的狀態下，監測分站可以繼續存儲所采集到的微震監測數據，保證了監測數據的完整性。本次測試地點選在12302回采工作面，在進風巷和回風巷中各布置2臺數據采集儀和4個傳感器，傳感器超前工作面40 m開始布置，每個傳感器間隔15 m，具體布置方式如圖1所示。為了更加精確地監測到采煤工作面作業區周圍的微震事件，隨著工作面的推進，當工作面回采至距離最近的一組傳感器15 m時，將巷道兩側靠近工作面的傳感器和數據采集儀拆除，并將此組設備及時安裝在后方，布置方式不變。

圖1 傳感器布置方案Fig.1 Layout programme of sensor

圖2為傳感器安裝方法，由圖2可知，由于12302工作面采用綜采放頂煤生產工藝，為了對工作面上覆巖層發生的微震事件進行準確監測，將檢波器安裝在工作面頂板錨桿上，錨桿錨固段共6.0 m，其中巖層錨固段3.4 m，煤層錨固段2.6 m，兩者之間采用硬連接方式。微震傳感器布置在工作面頂板，通過連接線與檢波器相連，傳感器接線后，用扎帶將連接線固定在錨網上，數據采集儀與傳感器同樣采用連接線進行連接，布置在巷道旁邊的硐室內，并懸掛起來。

圖2 傳感器安裝方法Fig.2 Installation method of sensor

2 采動覆巖破斷及裂隙演化規律

本次監測時間為2021年7月12日至2021年7月28日，共計17 d，期間12302工作面推進了102.50 m，日平均推進6.03 m。通過對12302工作面在推進過程中產生的微震事件進行監測收集，并采用數據處理軟件對工作面及周圍微震事件進行過濾處理，在微震監測期間共捕獲了2 554次微震事件。

2.1 微震事件能量與工作面周期來壓

隨著工作面的不斷推進，會發生工作面的周期來壓現象，老頂在其自重及上覆巖層載荷的作用下，將沿煤壁甚至在煤壁內發生折斷和垮落。通過分析工作面每日微震事件能量的變化規律，就可以得到工作面的周期來壓步距和時間。圖3為監測時間段內每日微震事件能量分布的情況。由圖3可知，每日微震事件能量大小共出現了4次周期性的變化，即工作面老頂發生了4次周期性斷裂破壞。4次微震能量最大的日期分別為7月17日、7月21日、7月24日、7月27日，能量均超過了4.5 kJ。并且在這4次周期來壓前，有3次微震監測系統監測到的微震事件能量已經開始變大，結合工作面每日推進距離可以得出工作面周期來壓步距為21 m左右。

圖3 12302工作面每日微震事件能量分布Fig.3 Energy distribution of daily micro-seismic eventsin 12302 working face

2.2 微震事件分布及演化

由12302工作面周期來壓步距為21 m，所以選取了監測期間的一次典型周期來壓進行分析。微震事件在一個周期來壓的推進過程中的微震事件分布情況如圖4～圖6所示。

圖6 工作面回采21 m時微震事件分布Fig.6 Distribution of micro-seismic events at 21 m in working face

由圖4可知，當工作面推進8 m時在采空區覆巖及底板監測到了少量微震事件，事件集中分布高度在距煤層頂板10 m左右，工作面后方35 m范圍內。在工作面前方進風巷和回風巷上部頂板也出現了若干微震事件，分布范圍在回風巷工作面端頭往外約18 m。沿傾向方向，微震事件主要集中在距離工作面頂板10～15 m范圍內，煤層底板微震事件較少。從微震事件的分布可以看出，工作面推進8 m時，采空區頂板已經出現了破斷現象，而煤層頂板和底板基本完好。

圖4 工作面回采8 m時微震事件分布Fig.4 Distribution of micro-seismic events at 8 m in working face

由圖5可知，當工作面推進15 m時采空區后方微震事件增多，同時在工作面前方煤層頂板也新增了大量的微震事件，微震事件分布較連續，事件集中程度增加，事件分布范圍增大。沿傾向方向，覆巖25 m高度兩側處形成事件集中區，覆巖40 m高度處新增若干微震事件，煤層底板微震事件增加。根據微震事件的分布可以得出工作面推進15 m時采空區覆巖相對不穩定，出現了較多破壞現象；受超前采動應力的影響，工作面前方煤層產生破壞，破壞多分布在沿傾向靠近兩側巷道。

圖5 工作面回采15 m時微震事件分布Fig.5 Distribution of micro-seismic events at 15 m in working face

由圖6可知，當工作面繼續推進至21 m時，此時采空區覆巖及工作面前方微震事件顯著增多，采空區覆巖微震事件在30 m高度處集中增多，45 m高度處新增若干事件，且55 m高度附近出現分散分布的微震事件，同時煤層底板事件也有所增多。表明采空區下部覆巖發生較大破斷垮落，中上部覆巖產生較多破斷現象，且高位覆巖出現離層下沉。

2.3 監測結果分析總結

1) 工作面微震監測時間微震事件主要集中分布在采空區頂底板、煤層、煤層頂底板及進風巷、回風巷頂板。由工作面推進過程中采空區覆巖微震事件分布和變化特征可以分析得出，采動覆巖裂隙帶主要分布在采空區頂板兩側，高度在55 m左右。煤層中的瓦斯在工作面回采過程中從煤體中逐漸解吸出來，升浮擴散至裂隙帶中，形成瓦斯富集區。

2) 采空區頂板微震事件最大高度(離層裂隙發育高度)在55 m左右(距煤層頂板垂距)，微震事件最遠距離(裂隙在工作面走向的發育范圍)在97 m左右(距工作面平距)，微震事件范圍(裂隙在工作面傾向的發育范圍)基本覆蓋進風巷至回風巷的整個采空區頂板。

3) 在監測時間段工作面回采過程中，采空區頂板裂隙演化特征大致為：監測初期，采空區頂板裂隙開始孕育、產生和擴展，并以縱向裂隙為主；隨著監測時間的增加，采空區中部和下部頂板有新的裂隙不斷產生，且中部頂板新生裂隙和原有裂隙之間、原有裂隙之間相互貫通，逐漸形成了頂板裂隙帶，采空區下部頂板裂隙貫通后發生較大范圍垮落，上部頂板出現離層現象。

3 工作面瓦斯涌出變化特征

3.1 微震事件與瓦斯涌出變化

微震事件的數量多少和能量大小反映了工作面煤巖的破壞特征，因此通過分析微震事件與瓦斯涌出量的關系，即可了解煤巖破壞對瓦斯涌出量的影響[22]。將12302工作面在微震監測期間的微震事件頻次與工作面的瓦斯涌出量(絕對瓦斯涌出量)進行對比分析，變化特征如圖7所示。由圖7可知，在工作面微震監測期間，12302工作面的瓦斯涌出量大小與微震事件的數量變化均具有一定的周期性，當監測到的微震事件增加時，相應的瓦斯涌出量也會增大；瓦斯涌出量和微震事件的峰值分別發生在7月17日、7月21日、7月24日、7月27日，其中7月17日和7月24日瓦斯涌出量的強度最大。

圖7 微震事件與瓦斯涌出變化特征Fig.7 Micro-seismic events and variationcharacteristics of gas emission

表1為12302工作面各次來壓前后的微震事件數量和絕對瓦斯涌出量數據。由表1可知，監測期間共發生4次周期來壓，第1次周期來壓時瓦斯涌出量為7.33 m3/min，微震事件為322次，分別是來壓前的1.11倍和6.57倍；第2次周期來壓時瓦斯涌出量為5.53 m3/min，是來壓前的1.10倍，而第二次來壓前沒有監測到微震事件，來壓時微震事件增加了83次；第3次周期來壓時瓦斯涌出量為6.71 m3/min，微震事件為706次，分別是來壓前的1.57倍和4.53倍；第4次周期來壓時瓦斯涌出量為6.01 m3/min，微震事件為343次，分別是來壓前的1.27倍和24.50倍。

表1 來壓前后瓦斯涌出量和微震事件變化表Table 1 Variation table of gas emission and micro-seismicevents before and after weighting

將4次來壓前后的瓦斯涌出量和微震事件進行平均，可發現來壓時的瓦斯涌出量為來壓前的1.26倍(增加量主要源于采空區瓦斯涌出)，來壓時的微震事件是來壓前的11.87倍，表明來壓前后微震事件的增長趨勢大于瓦斯涌出量，4次來壓前后微震事件的倍數約為瓦斯涌出量的9.42倍，因此可以認為微震事件的增多是瓦斯涌出量增大的前兆。

3.2 微震事件與瓦斯涌出定量表征關系

微震事件發生的頻次表征采場煤巖體的運功狀態和破壞程度，而煤巖體的破壞程度對煤體結構、煤體滲透性、瓦斯賦存狀態、瓦斯流通通道和瓦斯壓力等起著決定性作用，因此可以使用工作面發生微震事件的頻次來判斷瓦斯涌出量的變化。以監測的12302工作面微震事件頻次和瓦斯涌出量數據為基礎，挑選不同日期和不同頻次事件段的微震事件和瓦斯涌出量進行數據擬合，選取擬合度較高的圖像進行分析，擬合圖像如圖8所示。由圖8可知，12302工作面瓦斯涌出量和微震事件的頻次呈線性相關的關系，擬合公式為y=4.82+0.003 7x，擬合度為0.933 5，表明在一定的微震事件和瓦斯涌出量范圍內，隨著微震事件的增多，工作面瓦斯涌出量呈線性增長。通過文獻[2]、文獻[23]和文獻[24]可知，圖8的線性擬合曲線y=4.82+0.003 7x能夠較好地表征現場采煤工作面的瓦斯涌出特征，因為微震事件增多，表明采場運動劇烈，工作面推進快，落煤數量多，瓦斯涌出量增長快。可以根據此擬合曲線和監測所得的微震事件頻次來預測工作面的瓦斯涌出量的變化情況，幫助工作面開展瓦斯治理工作。

圖8 微震事件與瓦斯涌出量擬合直線圖Fig.8 Linear fitting diagram of micro-seismicevents and gas emission

4 高位定向長鉆孔抽采裂隙帶瓦斯

科學合理的高位鉆孔參數設計可有效提高抽采效果。通過對微震監測結果分析可知，12302工作面采動覆巖裂隙帶主要分布在采空區頂板兩側，高度在55 m左右。所以應該將高位鉆孔的終孔位置布置在工作面上部頂板巖層55 m以下。現場高位鉆孔布置參數見表2。

表2 高位鉆孔布置參數Table 2 Layout parameters of high-level borehole

12302工作面4號鉆場抽采時間為43 d，通過對鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采純量進行收集整理，得到了瓦斯抽采濃度和純量隨時間的變化關系如圖9所示。由圖9可知，隨著抽采時間的增加4個鉆孔的抽采瓦斯濃度呈逐漸減小趨勢，瓦斯抽采純量在前35 d基本維持在1.0 m3/min以上，鉆孔平均抽采瓦斯濃度為7.9%，純量為1.16 m3/min，抽采效果較好。

圖9 4號鉆場高位抽采長鉆孔抽采效果Fig.9 Extraction effect of high-level borehole of No.4 drilling site

圖10為沒有根據微震監測結果對鉆孔布置層位進行調整的3號鉆場和調整后的4號鉆場鉆孔平均抽采濃度和純量對比圖。由圖10可知，3號鉆場抽采時間為38 d，可以看出在相同抽采時間段內，鉆孔平均瓦斯抽采濃度和純量與4號鉆場相比均較低。通過以上分析可知經過鉆孔布置層位優化后，鉆孔的抽采效果更好，更加有利于保障工作面的安全高效生產。