綜放孤島工作面底板破壞微震規(guī)律分析

陳 龍，王國(guó)舉

（1. 冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司 東龐礦，河北 邢臺(tái) 54000；2.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；3. 河北省礦井微震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000）

我國(guó)煤炭生產(chǎn)過程中受水害威脅嚴(yán)重，隨著機(jī)械自動(dòng)化程度的增加，受來自工作面底板下的高水頭承壓水的威脅日益顯現(xiàn)。在我國(guó)華北地區(qū)，石炭二迭系煤田是最重要的煤炭產(chǎn)區(qū)之一，上部煤層所剩儲(chǔ)量已經(jīng)不多，紛紛進(jìn)入下組煤開采階段，下組煤位于水量豐富的奧灰含水層或太原群灰?guī)r含水層之上，中間隔水層厚30～100 m，時(shí)常發(fā)生底板突水事故，專家、學(xué)者、現(xiàn)場(chǎng)工程師進(jìn)行了該方面的研究[1-5]。為了煤炭的回收利用，許多礦井存在孤島工作面，孤島型工作面具有煤柱兩側(cè)臨空，且巷道煤柱應(yīng)力集中程度高的特點(diǎn)，進(jìn)一步加大了底板突水威脅。以東龐礦北井9222 孤島工作面作為研究對(duì)象，應(yīng)用KJ1073 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，對(duì)采動(dòng)過程中的底板破壞深度發(fā)育規(guī)律進(jìn)行分析，為工作面安全回采提供依據(jù)。

1 工程概況

北井位于東龐井田西部，隸屬于冀中能源股份有限公司東龐礦，開采9 號(hào)煤，為東龐礦下組煤試采區(qū)。東龐礦北井9222 工作面為9200 采區(qū)二期探巷煤柱工作面，布置如圖1 所示，南鄰9208、9210、9212 工作面，開采方向背向9222 工作面，北鄰9214、9216 工作面，朝向9222 工作面，西鄰九f22 斷層，東鄰九f20 斷層。9222 工作面為煤柱面，面內(nèi)存在多條老巷。9222 試采工作面長(zhǎng)67 m，回采后退距離204 m，采放總高6.9 m，工作面埋深221.9～303.9 m，9 號(hào)煤底板至奧灰頂界面距離為41～46 m，均為43 m，9 號(hào)煤底板隔水層承受奧灰水壓2.14～2.96 MPa，突水系數(shù)0.05～0.07 MPa/m。

圖1 9222 工作面布置Fig.1 The layout of No.9222 fac

為了該工作面的安全回采，對(duì)底板進(jìn)行注漿加固，與煤層底板隔水巖層形成統(tǒng)一的阻水體，在增強(qiáng)隔水巖層阻水能力的同時(shí)，降低直至消除薄層灰?guī)r巖溶裂隙水的導(dǎo)升裂隙發(fā)育高度。工作面底板注漿加固鉆孔按全面加固工作面底板隔水層的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，均勻布孔，并且加固到工作面外側(cè)60 m，一般情況下，采用漿液擴(kuò)散半徑不大于20 m，從底板裂隙發(fā)育程度及富水性考慮，重點(diǎn)區(qū)域要適當(dāng)加大底板注漿孔密度，采用漿液擴(kuò)散半徑不大于15 m，鉆孔終孔層位為進(jìn)入奧灰垂深10～15 m。

2 微震監(jiān)測(cè)方案

煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)該系統(tǒng)主要包括微震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和基于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈⒄饠?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。9222 工作面主要面臨底板奧灰水及隱伏構(gòu)造的威脅，采用KJ1073 煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，微震檢波器布置于9222 工作面底板，為確保監(jiān)測(cè)效果，結(jié)合9222 工作面現(xiàn)場(chǎng)情況采用包圍式方式構(gòu)建微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，微震檢波器共計(jì)7個(gè)，皮帶巷4 個(gè)，軌道巷3 個(gè)，交叉布置在兩巷底板中，埋設(shè)孔深為9 m，檢波器間距80～100 m。為利于生產(chǎn)過程中對(duì)檢波器的維護(hù)，檢波器鉆孔均布置在運(yùn)料巷和運(yùn)輸巷外幫底板，檢波器線纜在外幫懸掛。

3 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 微震事件發(fā)育深度分析

通過對(duì)9222 工作面的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理，在整個(gè)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，共監(jiān)測(cè)微震事件30 473 個(gè)，其中底板微震事件15 758 個(gè)，依據(jù)微震事件的空間位置對(duì)其進(jìn)行投影，得到了微震事件的剖面圖如圖2 所示，并對(duì)監(jiān)測(cè)到的底板微震事件按深度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見表1。

表1 微震事件發(fā)育深度占比Table 1 The proportion of microseismic events development depth

圖2 微震事件的垂向平面圖Fig.2 Virtical plane of microseismic events

從圖2 中發(fā)現(xiàn)，微震事件隨著底板深度的增加呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，據(jù)統(tǒng)計(jì)微震事件主要發(fā)育在底板15 m 以淺，累計(jì)占比為92.64%；25 m 以淺累計(jì)占比為99.21%；其中15～20 m、20～25 m 兩區(qū)段的事件數(shù)分別增加了4.72%與1.82%；25 m 以深的微震事件頻次占比僅增加了0.54%與0.19%。因此，開采形成底板最大破壞發(fā)育深度為20～25 m，與該礦其它工作面相比，破壞深度增大。結(jié)合煤層底板巖性組合特征分析，如9202c 破壞深度為16 m以淺，發(fā)育層位未突破本溪灰?guī)r，而9222 工作面底板采動(dòng)裂隙已發(fā)育至本溪組灰?guī)r含水層下部，分析原因主要是該工作面為孤島工作面，受周邊采空區(qū)的作用及本工作面采動(dòng)擾動(dòng)應(yīng)力的共同作用，產(chǎn)生應(yīng)力集中，底板破壞深度加大，但未超過注漿層位，微震監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示本溪灰?guī)r一定程度上阻止了底板采動(dòng)裂隙向下延伸。

3.2 微震事件分布不均衡性分析

在對(duì)9222 工作面在采動(dòng)過程中的微震事件進(jìn)行展布，如圖3 所示。從圖上可以發(fā)現(xiàn)，微震事件主要集中在9222 工作面內(nèi)，工作面兩側(cè)微震事件呈現(xiàn)不均衡狀態(tài)，左側(cè)是9208、9210、9212 工作面采空區(qū)，微震事件分布距離工作面皮帶巷的距離是42 m，事件整體分布相對(duì)比較均衡，隨著離皮帶巷的距離的增大，微震事件由密集變的分散。右側(cè)是9214、9216 工作面采空區(qū)，微震事件分布距離工作面皮帶巷的距離是55 m，微震事件密集區(qū)域主要集中9214、9216 保護(hù)煤柱影響范圍區(qū)內(nèi)，分析原因是：①工作面朝向9222 工作面回采，所留的保護(hù)煤柱受9214、9216 工作面回采過程中的超前支承壓力的影響，圍巖遭受到一定程度的破壞，再經(jīng)過9222 工作面采動(dòng)擾動(dòng)應(yīng)力疊加的作用，產(chǎn)生應(yīng)力集中，保護(hù)煤柱下方的底板壓縮變形破壞，巖石產(chǎn)生微破裂，微震事件的密集程度增大；②9208、9210、9212 工作面采空區(qū)穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，采動(dòng)對(duì)其的影響程度弱于9214、9216工作面，在未采動(dòng)時(shí)，采空區(qū)處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，一旦采動(dòng)打破了原有的平衡，采空區(qū)穩(wěn)定程度決定了其破壞程度。注漿到工作面外側(cè)60 m，大于微震事件兩側(cè)的分布范圍，可以保證工作面的安全回采。

圖3 底板微震事件分布圖Fig.3 The distribution of floor microseismic events

3.3 微震事件分布與采動(dòng)位置的關(guān)系分析

本灰到奧灰微震事件分布如圖4 所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，在9222 工作面采線60 m 范圍以內(nèi)，深部事件本灰到奧灰頂微震事件零散分布在工作面周圍；到工作面采線60 m 位置外，本灰到奧灰頂微震事件增多，微震發(fā)育深度增加，主要分布在工作面內(nèi)及9214、9216 保護(hù)煤柱范圍內(nèi)。分析在工作面回采初期，底板破壞程度較小，微震事件發(fā)育深度較小；隨著工作面的回采，工作面推進(jìn)長(zhǎng)度越大，底板破壞充分，微震事件的發(fā)育深度增加，當(dāng)工作面推進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到60 m 時(shí)，底板整體破壞范圍及深度增加。

圖4 本灰到奧灰微震事件分布圖Fig.4 The distribution of microseismic events from Benxi limestone to Ordovician limestone

4 結(jié) 論

通過對(duì)東龐礦9222 工作面采動(dòng)全過程進(jìn)行了連續(xù)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了安全回采，得出以下結(jié)論。

（1） 9222 工作面在回采過程中，微震事件隨著底板深度的增加呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，底板最大破壞發(fā)育深度為20～25 m。

（2） 微震事件主要集中在9222 工作面內(nèi)，工作面兩側(cè)微震事件呈現(xiàn)不均衡狀態(tài)，分布范圍分別為42 m、55 m，小于注漿范圍，注漿范圍60 m 能夠有效保證工作面安全回采。