(山東能源淄礦集團 唐口煤業(yè)公司，山東 濟寧 272055)

千米深井大采高沿空工作面微震活動規(guī)律研究

劉業(yè)獻

(山東能源淄礦集團唐口煤業(yè)公司，山東濟寧272055)

通過研究深井工作面開采過程中的微震活動規(guī)律，得出微震事件分布的時空遷移性和周期性。以唐口煤業(yè)有限公司5303大采高工作面為研究對象，得出了工作面超前采動應(yīng)力分布范圍為190m，采空區(qū)頂、底板裂隙發(fā)育高度分別為75m，60m，該結(jié)論為深井開采沖擊地壓防治提供了重要的理論依據(jù)和參考。

千米深井；大采高；沿空工作面；微震活動；采動應(yīng)力；覆巖運動

Micro-seismic Rule of Large-mining-height Mining Face along Gob in 1000m Deep Mine

ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對礦井包括沖擊地壓在內(nèi)的微震信號進行遠距離、實時、動態(tài)、自動監(jiān)測，準確計算出能量大于100J的震動及沖擊地壓發(fā)生的時間、能量及空間三維坐標，給出沖擊地壓等礦震信號的波形，確定出每次震動的震動類型，判斷出沖擊地壓發(fā)生力源類型。對礦井沖擊地壓危險程度進行評價，可出具沖擊危險性評價報告和日常評價報告。監(jiān)測礦井上覆巖層的斷裂信息，確定斷裂層位，實現(xiàn)定量描述空間巖層結(jié)構(gòu)運動和應(yīng)力場的遷移演化規(guī)律。通過監(jiān)測掌握微震活動規(guī)律，掌握震源與采動影響關(guān)系，從而分析確定沖擊危險區(qū)域，采取必要的防治措施，降低沖擊危險[1-5]。

本文主要以唐口煤業(yè)公司5303深部開采工作面為研究對象，根據(jù)微震事件分布規(guī)律，得出深部開采過程中生產(chǎn)活動與沖擊地壓災(zāi)害的有關(guān)規(guī)律。

唐口煤業(yè)有限公司自2009年9月引進了波蘭16通道ARAMIS M/E微震監(jiān)測系統(tǒng)，2012年升級為32通道，同時安裝了1套ARP2000井上監(jiān)測設(shè)備，形成了空間立體式監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。目前該公司井下共安裝了22臺拾震器，井上安裝了4臺，共26個監(jiān)測通道。截止到2014年5月，礦井共監(jiān)測到有定位結(jié)果的微震事件5415個，釋放能量2.8×107J。

1 研究對象

5303工作面是530采區(qū)第3個開采工作面，與5302采空區(qū)之間留設(shè)5m寬保護煤柱。選用綜合機械化一次采全高走向長臂后退式采煤法開采，全部垮落法管理頂板。工作面走向可采長度1501m，面寬200m。開采煤層為3上煤，煤層平均厚度4.6m，煤層直接頂為均厚2.64m的泥巖，基本頂為均厚3.14m的砂巖，直接底為均厚2.22m的泥巖，老底為均厚2.88m的粉砂巖。

圖1所示為5303工作面周圍拾震器布置情況，該工作面周圍共布置了6個拾震器監(jiān)測點，地面對應(yīng)1臺監(jiān)測分站，形成空間立體式監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，能夠保證工作面微震事件的監(jiān)測效果。

圖1 5303工作面前期和后期拾震器布置

2 微震事件活動規(guī)律分析

2.1 微震事件的時空分布與時空遷移

如圖2所示，微震事件主要分布在5303工作面及附近掘進巷道。因此，微震系統(tǒng)監(jiān)測到的事件主要為開采活動導(dǎo)致的煤巖體的震動信息，通過分析這些信息，可以獲得當前煤巖體的受力破壞狀態(tài)，進而對未來的微震活動趨勢作出判斷[6]。

圖2 5303工作面微震事件分布

圖3 微震事件的時空遷移

圖3為5303工作面微震事件的時空遷移，微震事件會隨著工作面推進而移動，說明開采活動對微震事件的分布具有明顯的影響。而5303工作面前方0～75m內(nèi)微震事件出現(xiàn)密集分布狀態(tài)，說明該區(qū)段煤巖體活動劇烈，危險性大。

2.2 微震活動的周期性

在采動影響下，煤巖體的活動具有明顯的周期性，從微震事件的周期性能量釋放可以得到較好的反映[7]。5303工作面平均每隔5～7d就會出現(xiàn)1次微震能量釋放高峰，一般比周期來壓早1～2d。如圖4所示，圖中黑色倒三角形表示工作面周期來壓，可見周期來壓與微震峰值出現(xiàn)時間差值基本保持在1d內(nèi)。且微震峰值普遍要提前于周期來壓。說明周期來壓前頂板壓力突然升高，頂板活動比較劇烈，煤巖體釋放能量達到峰值。通過對微震活動性的分析，可以對工作面周期來壓進行預(yù)測。

圖4 5303工作面1月份微震活動與推進度關(guān)系

2.3 微震活動與采動應(yīng)力的關(guān)系

假設(shè)第id第j個微震事件Bij的定位坐標為(x，y，z)，如圖5，且第1d至第id的推進距離為Li，則，設(shè)第1d時工作面位置為工作面固定點，求出微震事件的相對坐標(X，Y，Z)如下：

X=x-Licosαcosβ；Y=y-Licosαsinβ；Z=

z-Litanβ

式中，α為工作面的推進角度，β為x軸與工作面推進方向在水平面上的投影的夾角。對于5303工作面來說，其走向認為是近水平的，即α為0，則：

X=x-Licosβ；Y=y-Lisinβ；Z=z

圖5 微震事件的絕對位置和相對位置關(guān)系

以每月推進度的中點為固定點，根據(jù)微震事件的分布情況，得出固定工作面的微震事件分布圖，如圖6所示。

圖6 微震活動與超前應(yīng)力關(guān)系

由圖6可見，微震事件的能量及頻次的曲線具有明顯的峰值結(jié)構(gòu)。工作面超前采動影響范圍可達380m，其中超前190m以外為原巖應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域微震頻次少，煤巖體幾乎不受采動影響。工作面超前40～190m范圍內(nèi)，采動影響開始增加，到達應(yīng)力升高區(qū)，煤巖體應(yīng)力逐漸增大并達到峰值，微震頻次和能量也呈增加趨勢。在工作面超前40m以內(nèi)，煤巖體應(yīng)力出現(xiàn)下降趨勢，說明該區(qū)域為塑性區(qū)，應(yīng)力較低。通過固定工作面的方式，可知5303工作面超前采動應(yīng)力峰值在工作面前40m處，顯著影響范圍在工作面前190m。

2.4 微震活動揭示覆巖空間破裂形態(tài)

5303工作面采高平均4.6m，局部達到5.3m，屬于綜采大采高工作面。大采高工作面形成的開采空間較大，從而對上覆巖層“三帶”變化影響比較明顯。為掌握煤層上覆巖層活動情況，唐口煤業(yè)公司專門引進了波蘭ARP2000礦震監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在地面安裝監(jiān)測站，與井下拾震器相互結(jié)合，形成井上下立體式聯(lián)合監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對上覆巖層活動規(guī)律的監(jiān)測及沖擊地壓預(yù)警意義重大。

圖7為5303工作面微震事件的剖面投影圖，由圖中可知，微震事件主要集中在煤層基本頂及老底中，頂板明顯發(fā)育高度達到63m，底板明顯發(fā)育深度為82m。從微震監(jiān)測結(jié)果來看，開采未影響到厚度為30～62m的關(guān)鍵層，由于該關(guān)鍵層強度高，易積聚大量彈性能，若出現(xiàn)整體滑動可能對沖擊地壓防治帶來較大影響。隨著開采范圍的加大，巖層破裂高度還會有進一步向上發(fā)展的趨勢，在以后的監(jiān)測中，應(yīng)對該層位予以重視。

圖7 微震揭示覆巖空間破裂形態(tài)

2.5 微震活動揭示構(gòu)造異常區(qū)域

2014年2月下旬，5303工作面推采至距5303-3(H=4.5∠55°)斷層50m，距DF5(H=0～9∠75°)斷層245m，如圖8所示，兩斷層均為正斷層，且在圖中填充區(qū)域形成了“地塹”結(jié)構(gòu)。由圖中可以明顯看出微震事件集中在兩斷層之間，且開始快速增長，表明斷層受采動影響開始活化，此后，微震事件整體上沿著斷層走向發(fā)展。當工作面距離斷層40m左右時，工作面平均支架工作阻力由25.1MPa升高到30.8MPa，高能微震事件發(fā)生概率增加，出現(xiàn)當月最高能量9500J，說明工作面受較大動載影響。當工作面距離斷層15m左右時，每日微震事件達到峰值，為6次/d，但主要以小能量微震事件為主，支架受力降低。

圖8 微震揭示構(gòu)造異常區(qū)域

3 結(jié)論

(1)通過分析微震事件的時空分布和時空遷移規(guī)律，可以提前預(yù)測工作面的沖擊危險程度。5303綜采大采高工作面超前75m頂?shù)装灞容^活躍，是重點監(jiān)控區(qū)域。

(2)微震活動具有明顯的周期遷移性，在一定程度上可預(yù)測工作面周期來壓，同時反映周期來壓的強度，根據(jù)微震活動劇烈程度采取相應(yīng)防沖及頂板管理措施。

(3) 微震事件分布特征與超前應(yīng)力分布具有相關(guān)性，5303工作面超前支承壓力峰值位置為面前40m，顯著影響范圍為0～190m。該研究結(jié)論可用于指導(dǎo)采場的合理支護及與超前支承壓力相關(guān)的沖擊地壓事故的防治。

(4)微震事件分布特征可以用于研究頂板運動規(guī)律，尤其是掌握上覆巨厚巖層的活動情況。研究表明，5303工作面頂板裂隙顯著發(fā)育高度為63m，底板裂隙顯著發(fā)育深度為82m。

(5)微震事件分布特征可以揭示構(gòu)造異常區(qū)，在斷層等構(gòu)造附近，微震事件會有明顯增加，且沿斷層走向沿伸。通過微震監(jiān)測，可提前探測構(gòu)造異常區(qū)域，為工作面安全生產(chǎn)提供有效指導(dǎo)。

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[責任編輯：潘俊鋒]

2014-09-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.024

劉業(yè)獻(1973-)，男，山東淄博人，高級工程師，現(xiàn)任唐口煤業(yè)公司總工程師，主要從事礦山開采安全管理及災(zāi)害防治等方面的研究。

劉業(yè)獻.千米深井大采高沿空工作面微震活動規(guī)律研究[J].煤礦開采，2014，19(6)：90-92.

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1006-6225(2014)06-0090-03