基于微震監(jiān)測(cè)的孤島工作面沖擊地壓防治實(shí)踐

路亞軍，呂經(jīng)超，白超強(qiáng)

（1.兗礦能源集團(tuán)股份有限公司興隆莊煤礦，山東 兗州 272100；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 海淀 100083）

0 引 言

隨著煤炭資源開采深度和強(qiáng)度的增大，沖擊地壓的發(fā)生頻率和強(qiáng)度也在日益上升。沖擊地壓的發(fā)生與否主要受地質(zhì)和開采技術(shù)因素的影響，而后者中最危險(xiǎn)的即為孤島煤柱[1]。孤島工作面的形成往往是礦井為避免接續(xù)緊張采用跳采所導(dǎo)致的[2]。受邊界條件影響導(dǎo)致其覆巖運(yùn)動(dòng)復(fù)雜多變[3]，三側(cè)采空的孤島工作面覆巖空間結(jié)構(gòu)為“C”型，在工作面橫向剖面上，覆巖空間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為“T”型[4]；而頂板結(jié)構(gòu)類型決定覆巖向煤體傳遞應(yīng)力的機(jī)制，從而影響孤島工作面應(yīng)力集中程度及其分布方式，如三側(cè)采空的孤島煤柱會(huì)形成圍繞工作面的反弧形高應(yīng)力和彈性能集中[5]，孤島工作面超前支撐壓力影響距離為普通工作面3～5 倍等[6]，普遍表現(xiàn)為孤島工作面支撐壓力大。且回采過程中上覆巖層的彎曲和破斷，對(duì)應(yīng)著巖層彈性能的積聚和釋放，煤體在高應(yīng)力環(huán)境下受到擾動(dòng)易失穩(wěn)，極易發(fā)生沖擊地壓[7，8]。

本文以興隆莊煤礦10304 孤島工作面為背景，分析回采過程中的微震信息，研究震動(dòng)發(fā)生的層位和破斷形態(tài)以及微震發(fā)生的主控因素，揭示采掘引起的覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

1 工程概況

興隆莊煤礦10304 工作面埋深352.2～555.3 m，工作面寬179.5～226.6 m，走向長(zhǎng)2291.4 m。工作面切眼以70 m 井田邊界保護(hù)煤柱為界與東灘礦相鄰，切眼下方為采區(qū)水倉(cāng)；兩側(cè)順槽與采空區(qū)之間均留設(shè)窄煤柱，運(yùn)順側(cè)煤柱隨回采逐漸變寬（2～6 m），軌順側(cè)煤柱隨回采逐漸變窄（10～5 m）；同時(shí)有多條巷道位于工作面下方并形成老巷群，工作面平面布置如圖1 所示。

圖1 10304 工作面平面位置示意圖

工作面所采煤層為山西組底部3 煤，煤層平均厚度為8.85 m，普氏硬度f(wàn)=2.3。基本頂為中砂巖，平均厚度為11.50 m，硬度系數(shù)f=6.0～9.0，頂?shù)装鍡l件見表1。

表1 10304 工作面煤層頂?shù)装鍡l件

表2 微震事件統(tǒng)計(jì)表

2 沖擊地壓防治及監(jiān)測(cè)措施

10304 工作面為一典型孤島工作面，其西側(cè)10305 工作面、東側(cè)10303 工作面以及切眼正對(duì)應(yīng)的14310 工作面均已回采完畢，受采空區(qū)側(cè)向支撐壓力影響，工作面內(nèi)應(yīng)力集中程度較高，如圖2 所示，最大應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)1.62。

圖2 10304 工作面豎向應(yīng)力分布圖

孤島工作面回采過程中，上覆巖層運(yùn)動(dòng)劇烈，工作面在高應(yīng)力環(huán)境下容易發(fā)生沖擊地壓，造成煤體突出。因此，工作面對(duì)沖擊危險(xiǎn)區(qū)域的防治以避免高應(yīng)力集中為目的，主要采取煤體大直徑鉆孔卸壓方案，如下所述：

1）預(yù)卸壓：工作面對(duì)于沖擊危險(xiǎn)區(qū)域施工大直徑預(yù)卸壓鉆孔，始終保持超前工作面250 m，直徑150 mm，弱沖擊危險(xiǎn)區(qū)域間距3 m（中等2 m），孔深25 m，共計(jì)施工1 828 個(gè)，累計(jì)45 700 m。

2）解危卸壓：監(jiān)測(cè)區(qū)域異常時(shí)，在原大直徑鉆孔之間增加一個(gè)大直徑鉆孔，加密卸壓孔進(jìn)行解危卸壓，鉆孔φ150 mm，孔深30 m，直到解除沖擊危險(xiǎn)。

工作面沖擊地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警采用微震、應(yīng)力在線、鉆屑法、支架工作阻力在線監(jiān)測(cè)等相結(jié)合的方法。微震監(jiān)測(cè)通過在工作面1 500 m 范圍內(nèi)布置6 個(gè)拾震器實(shí)時(shí)接收巖層微震信號(hào)，并隨著工作面推采，對(duì)部分拾震器位置進(jìn)行了優(yōu)化，確保拾震器對(duì)工作面形成包圍，使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)、有效，拾震器布置見圖3。

圖3 拾震器布置圖

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)采集

1）支架阻力在線監(jiān)測(cè)。工作面回采期間共來壓140 次，基本頂初次來壓步距為36.5 m，周期來壓平均步距為16.38 m，周期來壓時(shí)平均支架加權(quán)末阻力為7 078.2 kN，回采期間工作面平均支架工作阻力為6 346.27kN，動(dòng)載系數(shù)為1.12，屬來壓不明顯型。

2）鉆屑法及應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)。工作面回采期間共施工鉆屑法檢測(cè)鉆孔4316 個(gè)，所有檢測(cè)數(shù)據(jù)正常，煤粉量大部分在（2.1～4.0）kg/m 之間，最大煤粉量為5.1 kg/m，低于預(yù)警指標(biāo)（6.2 kg/m）；應(yīng)力在線監(jiān)測(cè)最大應(yīng)力值為12.6 MPa（預(yù)警值為15 MPa），均未出現(xiàn)預(yù)警現(xiàn)象，表明大直徑鉆孔卸壓作用效果良好，煤體高應(yīng)力集中得到緩解。

3）微震監(jiān)測(cè)。工作面回采期間總微震次數(shù)為44285，其中工作面附近震動(dòng)以小能量震動(dòng)事件為主，1 000 J 以下震動(dòng)事件占比92.7%，大于10 000 J的大能量事件共2 次，占比僅0.004 5%。

通過震源的空間分布和演化特征，可進(jìn)一步研究震動(dòng)發(fā)生的層位和破斷形態(tài)以及微震發(fā)生的主控因素等，能揭示采掘活動(dòng)引起的覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通過對(duì)工作面微震數(shù)據(jù)整理，可將工作面回采分為3 個(gè)階段進(jìn)行分析，即初采階段、見方階段、老巷群影響階段，如下所述。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 初采階段

工作面回采初期，微震活動(dòng)頻率較低，其分布除受本工作面頂板活動(dòng)影響外，還受相鄰采空區(qū)頂板活動(dòng)、與東灘煤礦14310 采空區(qū)間不規(guī)則煤柱區(qū)、斷層活化、十采水倉(cāng)圍巖活動(dòng)影響。

由平面圖可知，微震活動(dòng)多分布于采動(dòng)影響區(qū)域，如不規(guī)則煤柱、相鄰10303 采空區(qū)等。不規(guī)則煤柱在工作面回采前受三側(cè)采空影響，其內(nèi)部應(yīng)力集中程度較高，工作面回采后其內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)一步調(diào)整，微震活動(dòng)集中；同時(shí)10303 采空區(qū)側(cè)的微震活動(dòng)多于10305 采空區(qū)側(cè)，一方面是由于10303 采空區(qū)內(nèi)NF6 斷層受回采擾動(dòng)影響后活化，圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)，另一方面是10303 采空區(qū)與10304 工作面間留設(shè)煤柱寬度逐漸縮小，應(yīng)力集中程度較高。

由剖面圖可知，煤層下方巖層的微震活動(dòng)多于上覆巖層。回采初期采掘活動(dòng)引起工作面下方采區(qū)水倉(cāng)圍巖運(yùn)動(dòng)，下方巖層進(jìn)一步破斷導(dǎo)致應(yīng)力重新調(diào)整，而隨工作面推進(jìn)，逐漸遠(yuǎn)離十采水倉(cāng)的影響范圍時(shí)，微震活動(dòng)從-550 m 范圍向-500 m 范圍的更高位底板轉(zhuǎn)移；同時(shí)上覆巖層的微震活動(dòng)大多集中在直接頂、基本頂以及上覆細(xì)粉砂巖互層，約在煤層上方30 m 范圍，回采初期圍巖擾動(dòng)程度較小，未引起自身及相鄰采空區(qū)更高位頂板的破斷。

圖4 10304 工作面初采階段微震平面和剖面定位圖

3.2.2 見方階段

工作面推進(jìn)至270～370 m 位置時(shí)處于工作面一次見方區(qū)域。此階段微震活動(dòng)明顯增加，尤其是大于1.0E+3J 以上的大能量微震事件由每月39 次增加至每月174 次，總能量也隨之大幅上升，受一次見方及周期來壓等引起的上覆50 m 范圍內(nèi)頂板持續(xù)運(yùn)動(dòng)、破斷，導(dǎo)致該階段發(fā)生的微震事件大部分集中于10304 工作面內(nèi)；當(dāng)工作面遠(yuǎn)離一次見方區(qū)域時(shí)，其微震活動(dòng)也明顯減弱，大能量微震事件頻次及總能量均有所下降。一次見方前后對(duì)比可知，該階段主要受一次見方及周期來壓引起的低位頂板活動(dòng)影響，其微震活動(dòng)分布逐漸從底板向煤層及頂板靠攏。

圖5 10304 工作面一次見方階段微震平面和剖面定位圖

工作面推進(jìn)至520～620 m 時(shí)處于二次見方階段，頂板出現(xiàn)反復(fù)破碎現(xiàn)象，相對(duì)于該階段的頂板活動(dòng)程度，一次見方階段工作面頂板并未出現(xiàn)大范圍掉頂、見矸情況，大能量微震頻次由每月64 次增加至每月241 次，說明受二次見方影響上覆巖層的活動(dòng)更為劇烈，危險(xiǎn)程度更高；二次見方對(duì)比一次見方可知，微震活動(dòng)明顯積聚于工作面推進(jìn)位置附近，基本完成向工作面內(nèi)部的轉(zhuǎn)移，僅有少部分微震活動(dòng)分布于兩側(cè)采空區(qū)，表明二次見方對(duì)工作面本身覆巖的影響程度明顯強(qiáng)于臨近采空區(qū)覆巖的影響。

圖6 10304 工作面二次見方階段微震平面和剖面定位圖

3.2.3 老巷影響階段

工作面推進(jìn)至795～895 m 時(shí)處于老巷超前應(yīng)力影響區(qū)域，工作面前方超前支承壓力本身處于較高水平，同時(shí)受回采擾動(dòng)的影響，底板老巷群圍巖逐漸趨于不穩(wěn)定狀態(tài)，加之后方及側(cè)方采空區(qū)頂板的劇烈運(yùn)動(dòng)甚至破斷，運(yùn)輸順槽側(cè)10305F3 斷層進(jìn)一步活化，使得工作面圍巖整體性及穩(wěn)定性遭到破壞，大能量微震事件由206 次激增至756 次，總能量也明顯上升一個(gè)能級(jí)。由剖面圖可知，該階段微震活動(dòng)分布集中在煤層、上覆巖層50 m 范圍及下方老巷群附近，未有向更高層位發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)煤層下方的微震事件多于其上方的，說明該階段老巷群超前支承應(yīng)力及圍巖活動(dòng)的影響強(qiáng)于三次見方對(duì)頂板活動(dòng)的影響。

圖7 10304 工作面二次見方階段微震平面和剖面定位圖

4 結(jié) 論

1）10304 工作面采取大直徑鉆孔預(yù)卸壓措施后安全回采，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均未達(dá)到預(yù)警值，煤體應(yīng)力集中程度較低，卸壓效果良好，有效降低了孤島工作面的沖擊危險(xiǎn)性。

2）工作面回采期間總微震次數(shù)為44285，其中工作面附近震動(dòng)以小能量震動(dòng)事件為主，1000 J 以下震動(dòng)事件占比92.7%，大能量事件數(shù)量較少，引發(fā)沖擊地壓的危險(xiǎn)性小。

3）通過分析震源的空間分布和演化特征，研究不同階段震動(dòng)發(fā)生的層位和破斷形態(tài)以及微震發(fā)生的主控因素等。結(jié)果表明該孤島工作面頂板破斷垮落較充分，頂板微震活動(dòng)集中在上覆巖層50 m 范圍；且整體微震活動(dòng)受構(gòu)造、煤柱以及老巷群影響較大。