工作面不同采寬與微震監(jiān)測(cè)時(shí)空分布規(guī)律研究

高杰濤

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；2.礦井水害探測(cè)與防控國家礦山安全監(jiān)察局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，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）

1 概 況

針對(duì)目前開采中的采動(dòng)活動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)難題，新集二礦引進(jìn)河北煤科院KJ1073 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在220102 工作面開展了微震技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)警研究。220102 工作面回采期間出現(xiàn)了采寬變化的特殊階段，通過對(duì)不同采寬變化下頂?shù)装鍑鷰r活動(dòng)和底板破壞發(fā)育情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了微震事件分布范圍、發(fā)育情況及空間展布特征，對(duì)工作面采寬變化期間底板破壞特征進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為工作面采寬優(yōu)化和底板破壞規(guī)律研究提供技術(shù)支持。

新集二礦隸屬于中煤新集能源股份有限公司，礦井于1996 年10 月投產(chǎn)，核定生產(chǎn)能力270 萬t/a，水文地質(zhì)類型為復(fù)雜型。回采1 煤組主要水害隱患為下伏奧陶系灰?guī)r水。

新集二礦220102 工作面位于二水平西翼2201采區(qū)，為該采區(qū)第5 個(gè)回采接替工作面，開采的1上煤屬礦井可開采煤層底層煤，距離奧陶系灰?guī)r含水層有效隔水層厚度為114～131.3 m，平均121.1 m。奧陶系灰?guī)r水位標(biāo)高為-73.23—-58.56 m，奧陶系灰?guī)r靜水壓4.56 ～4.74 MPa，突水系數(shù)為0.039 ～0.046 MPa/m。地面標(biāo)高+18.0—+23.4 m，工作面標(biāo)高-530—-489.3 m。該工作面采用單一走向長壁綜合機(jī)械化采煤方法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。可采走向長652 m，傾斜長117 m，后變?yōu)?86 m，平均煤層厚度3.9 m，可采斜面積103 705 m2。上部距4-1 煤層平均92.7 m，下部距太原組1 灰平均17.6 m。回采范圍內(nèi)煤巖層總體傾向?yàn)镹NE 的單斜構(gòu)造，局部受地質(zhì)構(gòu)造影響傾角變化較大，局部地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育地段存在起伏。工作面平面布置如圖1 所示。

圖1 工作面平面圖Fig.1 Plane of the working face

2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置

2.1 微震監(jiān)測(cè)關(guān)鍵層

新集二礦井田含煤地層為單斜構(gòu)造，走向近東西，上覆第四系與新近系松散層，下伏石炭系太原組和奧陶系。結(jié)合礦井實(shí)際揭露及鉆探、物探探查情況，220102 工作面底板太原組地層厚96.17～106.64 m，平均厚99.80 m，其中灰?guī)r總厚54.39～74.56 m，灰?guī)r平均總厚62.5 m，占組厚62.63%。太原組C3Ⅰ組、C3Ⅱ組灰?guī)r完整性未遭到破壞，巖性完整，太原組灰?guī)r與奧陶系灰?guī)r之間無明顯水力聯(lián)系，且未發(fā)現(xiàn)垂向隱伏構(gòu)造，也未發(fā)現(xiàn)垂向隱伏導(dǎo)水通道。

太原組灰?guī)r基本為弱富水性，以靜儲(chǔ)量為主，易疏干，缺少豐富補(bǔ)給水源，具有低存儲(chǔ)、少補(bǔ)給、弱富水的特征。在C3Ⅰ組灰?guī)r含水層中，C33、C34層灰?guī)r相對(duì)較厚、巖溶發(fā)育，是開采l 煤層底板直接充水含水層。

結(jié)合礦井水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告及淮南礦區(qū)早期研究成果，C3II 組灰?guī)r含水層為相對(duì)隔水層。因此，微震監(jiān)測(cè)過程中的底板監(jiān)測(cè)關(guān)鍵層是C3II 組灰?guī)r含水層。

2.2 監(jiān)測(cè)布置

依據(jù)檢波器布置原則，結(jié)合礦井現(xiàn)有系統(tǒng)巷道，利用已有底板巷檢波器，在考慮完成監(jiān)測(cè)任務(wù)的基礎(chǔ)上，對(duì)檢波器位置及采集分站合理優(yōu)化布置。微震檢波器布置在220102 工作面風(fēng)巷、220102 工作面底板巷、220102 工作面機(jī)巷，并利用220106 底板巷，構(gòu)成了全包圍監(jiān)測(cè)陣列，如圖2 所示，共布置檢波器22 個(gè)（單軸19 個(gè)，三軸3個(gè)）、監(jiān)測(cè)分站4 個(gè)，共計(jì)28 通道。

圖2 220102 工作面微震監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)平面圖Fig.2 Plane of microseismic monitoring design of No.220102 Face

3 底板微震事件分布特征

220102 工作面微震系統(tǒng)自2021 年8 月24 日起開始監(jiān)測(cè)，2021 年9 月1 日回采，于2022 年1月16 日回采結(jié)束，數(shù)據(jù)周期為2022 年3 月29 日停止監(jiān)測(cè)。共計(jì)監(jiān)測(cè)217 d，有效微震事件42 929個(gè)，日均198 個(gè)。

3.1 各層位微震事件

微震事件日變化統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 微震事件日變化統(tǒng)計(jì)情況Table 1 Statistics of daily variation of microseismic events

從微震事件數(shù)量及比例分布情況來看，底板事件占比較大，底板深部事件均在50 m 以內(nèi)，未突破底板監(jiān)測(cè)關(guān)鍵層。

3.2 底板事件展布特征

對(duì)220102 工作面在回采過程中引發(fā)的微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，空間展布范圍如圖3、圖4 所示。

圖3 回采期間底板微震事件展布Fig.3 Floor microseismic events distribution during mining period

圖4 回采期間底板灰?guī)r層段微震事件展布Fig.4 Floor microseismic events distribution in the limestone section during mining period

近煤層底板微震事件主要分布在220102 工作面及220106 采空區(qū)范圍內(nèi)，220102 工作面微震事件較為密集，因220106 工作面已經(jīng)回采完，在220106 采空區(qū)范圍內(nèi)持續(xù)監(jiān)測(cè)到較為分散的頂?shù)装迨录治鰹椴煽諈^(qū)應(yīng)力場恢復(fù)影響。影響范圍為距離220102 機(jī)巷90 m 范圍內(nèi)，在220102 機(jī)巷180 m 范圍內(nèi)分散分布。

由圖可知，底板C3Ⅰ組層位微震事件主要分布在工作面初采、220102 工作面中部及220102 機(jī)巷斷層帶這3 個(gè)區(qū)域。主要是初采應(yīng)力場變化、工作面“窄變寬”區(qū)域、風(fēng)巷斷層帶破碎等因素。需要重點(diǎn)關(guān)注220102 工作面C3Ⅰ組事件密集發(fā)育區(qū)域，關(guān)注工作面采寬變化區(qū)域的煤柱穩(wěn)定性。

4 工作面采寬變化期間的微震響應(yīng)特征

4.1 采寬變化期間微震演化規(guī)律

220102 工作面屬于不規(guī)整“刀把型”工作面，220102 工作面回采過程中寬度由117 m 變?yōu)?86 m。

工作面“窄變寬”階段，微震事件響應(yīng)明顯，受采動(dòng)影響的微震事件隨之急速增長。10 月7日、8 日，工作面逐漸變寬，微震事件開始增長，采場區(qū)域微震事件聚集，事件分布情況如圖5、圖6 所示。

圖5 微震監(jiān)測(cè)事件平面圖（2021.10.07）Fig.5 Microseismic monitoring events plane（2021.10.07）

圖6 微震監(jiān)測(cè)事件平面圖（2021.10.08）Fig.6 Microseismic monitoring events plane（2021.10.08）

進(jìn)入“窄變寬”初期，微震事件主要分布在采場區(qū)域，事件進(jìn)一步聚集，且在附近區(qū)域監(jiān)測(cè)到底板C3Ⅰ組事件，底板發(fā)育最大深度較深。主要受該工作面超前支承壓力和臨近采寬變化區(qū)域的疊加影響所致。

工作面通過“窄變寬”階段，微震事件數(shù)量出現(xiàn)“尖峰點(diǎn)”，主要是在采場采寬變化由117 m 變?yōu)?86 m，增加58.9%。10 月21 日微震事件總數(shù)為633 個(gè)，微震事件明顯聚集的為10 月19 日～21日，10 月24 日微震事件總數(shù)開始下降，事件分布情況如圖7、圖8 所示。

圖7 微震監(jiān)測(cè)事件平面圖（2021.10.19）Fig.7 Microseismic monitoring events plane（2021.10.19）

圖8 微震監(jiān)測(cè)事件平面圖（2021.10.21）Fig.8 Microseismic monitoring events plane（2021.10.21）

在工作面“窄變寬”期間（10 月1 日～11 月12 日），微震事件在10 月17 日開始增長，21 日聚集明顯，24 日事件開始回落。在此期間，持續(xù)出現(xiàn)C3Ⅰ組層位事件，底板事件擾動(dòng)深度為煤底18.11～36.64 m，最深36.64 m 位于寬面，說明隨著采寬增加，底板破壞深度進(jìn)一步加大。受采場采動(dòng)及采寬變化影響，主要受采動(dòng)超前支承壓力及“窄變寬”壓力集中影響，微震事件在采場前方30 m 密集出現(xiàn)。

4.2 采寬變化期間微震特征

在采寬變化初期，微震事件總數(shù)開始緩慢增長，進(jìn)入寬面階段，事件總數(shù)突增，此時(shí)回采速度減慢，事件回落后繼續(xù)增長至高點(diǎn)，應(yīng)力充分釋放，微震事件平穩(wěn)。

對(duì)該工作面窄面、寬面回采期間監(jiān)測(cè)到的底板微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見表2，從垂向上展布范圍來分析采寬模式下回采期間微震響應(yīng)。

工作面采寬變化期間，微震事件總體上呈現(xiàn)高頻次。此階段微震事件變化主要受采寬影響，220102 寬面采寬約186 m，220102 窄面采寬約117 m，采寬比1.59；微震事件日均頻次比1.40，深部微震事件日均頻次比1.83，均呈正相關(guān)；底板平均擾動(dòng)深度比1.20，底板最大擾動(dòng)深度比1.38，均呈正相關(guān)。

5 結(jié) 論

采用KJ1073 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)新集二礦220102工作面采寬變化期間頂?shù)装鍑鷰r活動(dòng)和底板破壞發(fā)育情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了微震事件分布范圍、發(fā)育情況及空間展布特征，監(jiān)測(cè)過程中未發(fā)現(xiàn)與奧灰含水層溝通引發(fā)突水的趨勢(shì)。

（1） 微震事件主要分布在開采活動(dòng)范圍內(nèi)，影響范圍為距離機(jī)巷90～180 m，底板事件破壞深度為煤底18.11～36.64 m。

（2） 從頻次和占比情況來分析采寬變化，采寬比1.59，微震事件日均頻次比1.40，底板事件破壞深度為煤底18.11～36.64 m，最深36.64 m，位于寬面，底板最大擾動(dòng)深度比1.38，說明了底板破壞深度受采寬影響，且正相關(guān)。研究結(jié)果可為工作面采寬優(yōu)化和底板破壞規(guī)律研究提供一定參考。