基于微震数据反演分析的煤矿工作面突涌水危险性评价.pdf

收稿日期:2023 02 10作者简介:穆永刚(1990-),男,山西吕梁人,工程师,从事煤矿地质、防治水技术管理及安全管理工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.10.024基于微震数据反演分析的煤矿工作面突涌水危险性评价穆永刚(山西鑫飞能源投资集团有限公司 山西 吕梁 033300)摘 要:基于山西某矿 4上煤层作为 4 煤层的保护层进行开采的实际工程背景,针对该特殊区域采掘活动中存在显著突涌水危险的现状,为了进一步降低采动影响下 40111 工作面突涌水的可能性,借助于现有的微震监测设备分析回采速度与微震“时间-空间-强度”特征参数之间的关系,为进一步阐明突涌水规律提供理论依据。研究结果表明:4上煤层作为 4 煤层的保护层开采可以有效降低工作面微震能量大小,证明该方法起到了很好的卸压作用。同时微震空间分布特征与回采速度的相关性,最终确定了合理的回采速度,也为形成煤矿突涌水防治体系提供了数据支撑,确保矿井深部开采本质安全。关键词:微震数据;突涌水;反演;规律中图分类号:TD745 文献标识码:B 文章编号:1005 2798(2023)10 0084 03 经过大量的研究,突涌水地压发生机理已趋于清晰。从力学本质上讲,突涌水地压是特定地质赋存条件下的煤岩体系统由于采矿活动在变形破坏过程中能量的稳定态积聚、非稳定态释放的非线性动力学过程,是其外部荷载环境、内部结构、构造及其物理力学性质的综合反映,具有明显的时空演化特征1。在丰富的发生机理理论研究基础上,进一步推进了突涌水地压的预测预警机制研究。而突涌水地压的准确监测预警可为现场采取措施避免灾害的发生提供依据2。目前国内外现场应用最多的突涌水地压监测预警方法主要有:电磁辐射法、微震法、地音法、应力监测法及钻屑法3-7。钻屑法和应力监测法属于接触式探测方法,需要进行钻孔工程,打钻费时费力,而且限于钻孔数量,探测范围十分有限。目前国内外常用电磁辐射法、微震法和地音法(声发射)等非接触式的突涌水地压监测技术手段进行突涌水地压的监测预警。微震法和地音法通过在顶板、煤层和底板中布置探头(或拾震器)并实时采集煤岩体在应力作用下发生破坏而产生的应力波,可实时接收并保存煤岩震动信号,从而为突涌水地压危险预测提供基础数据。山西某矿采掘活动逐渐向煤层埋藏深部转移,存在地质构造异常区,且受煤柱宽度和回采扰动等开采因素影响,具有一定的突涌水危险性,采掘过程中,突涌水给矿井安全生产带来威胁。4上煤层作为4 煤层的保护层进行开采,有必要在上覆煤层开采后对 4 煤层工作面回采期间突涌水活动规律及防治方案进行总结,为后续研究并建立适合矿井的突涌水管理体系、规划体系、评价体系、监测体系、防治设计体系、效果检验体系相结合的“六位一体”的防治体系提供技术支撑,并指导矿井下一步防冲工作。1 工作面概况目前矿井采掘工作面分别位于 401(411)、402(412)和 403 采区,4 煤大巷将 401 采区分为东西两翼,两翼均已开采。40111 采区西翼共设计 4 个回采工作面,即 40105 工作面、40107 工作面、40109 工作面、40111 工作面,采区内顺序回采。40111 工作面为第 4 个回采工作面,即最后一个回采工作面,具体工作面布置如图 1 所示。图 1 40111 工作面布置示意40111 工作面东部为 4 煤大巷保护煤柱,西部 4上煤为 41201 工作面采空区,4 煤为未采区(距采区边界 18 m),北侧为 40109 工作面采空区,本煤层区段煤柱留设宽度 48 m,南侧为西部大巷保护煤柱,上覆 41106 工作面采空区,回顺(上巷)内错13.1 m,运顺(下巷)外扩 42.5 m,上下煤层层间距问问题题探探讨讨 第第 3 32 2 卷卷 第第 1 10 0 期期 2 20 02 23 3 年年 1 10 0 月月平均20 m.4 煤层上距4上煤层0.8045.55 m,平均17.05 m.4上煤层平均厚度 2.88 m,4 煤层厚度平均为 11.65 m,二者均为弱突涌水倾向煤层,其顶板均具有弱突涌水倾向,但 4上煤层埋藏更浅,且厚度更薄,为便于 4 煤层的巷道维护和突涌水地压防治,保护层应选择 4上煤层,但在上下煤层工作面联合开采时应注意工作面切眼、停采线和区段煤柱的空间位置,避免或减小 4上煤层开采后的应力增高区域对 4 煤层的影响。4上煤层开采后,其采空区底板应力重新分布形成应力卸压区,遗留区段煤柱处底板应力在侧向支撑压力及采动顶板共同作用下沿一定角度向底板深部传播并形成应力增高区域,下伏4 煤层开采前,遗留区段煤柱下方被原岩应力等值线包络的区域应力将有一定集中,造成诱发突涌水地压的能量源头,直接影响突涌水的作用机制。2 微震监测方案设计与布置2.1 微震监测原理微震监测系统的主要功能是对全矿范围进行突涌水地压的预测预报,是一种区域性监测方法。系统自动记录微震活动,实时进行震源定位、微震能量计算和防治措施评估,为评价全矿范围内的突涌水地压危险提供依据。2.2 微震监测方案布置在 40111 工作面内,微震系统至少布置 4 个微震监测传感器(探头、拾震器),地音系统布置 4 个地音探头。微震监测系统的布置原则为:探头之间距离 200500 m,探头与拾震器之间的距离 500800 m.地音监测系统的布置原则为:探头成对使用,相互距离 80 m,距离工作面不小于 30 m.微震探头布置方案如图 2 所示。图 2 40111 工作面回采期间微震布置图2.3 微震预警指标微震监测指标常用于表征岩体损伤,通过不断进行工程实践,并结合实际矿井开采条件,确定适合本矿自身条件的微震监测的阈值。确定当工作面监测预警出现以下情况之一时,工作面进入相应危险状态。按监测预警等级将突涌水地压危险状态分为 4 种,采掘活动过程中针对不同危险等级采取对应的应对措施:正常生产;正常生产,加强监测;停止生产,人员撤离危险地点,开展解危措施,检验结果低于临界值,确认危险解除后恢复生产;停止生产,人员撤离危险地点,待危险等级降至 c 级或分析其它监测手段无危险后采取解危措施,检验结果低于临界值,确认危险解除后恢复生产,具体的突涌水地压危险的微震监测预警指标如表 1 所示。表 1 突涌水地压危险的微震监测预警指标危险状态回采工作面掘进工作面aEmax5103 JE105 JEmax5103 JE5103 Jb1103JEmax1105 JE106 J5103 JEmax5104 JE106 Jc1105JEmax1106 JE107 J5104 JEmax1105 JE1106 JE107 JEmax1105 JE105 J 注:E 为微震能量大小;Emax为所监测到的最大能量;E 为累计能量。3 微震活动规律分析3.1 微震事件发生基本情况40111 工作面微震事件周期选取 2020-07-182021-08-31 整个回采期间,40111 工作面共推进约 1 745 m.对该期间 40111 工作面范围的微震数据进行分析,工作面范围内共有 38 131 个有效微震 事 件,总 能 量 为 1.8 107 J,平 均 能 量 为4.6102 J,最大能量为 8.7103 J.40111 工作面回采期间微震事件均小于 4 次方,特征上总体表现为高频次、低能量。“高频低能”的能量释放形式主要由于回采前和回采中采取的大量卸压措施在煤层内形成大量裂隙,导致能量逐渐释放。3 次方微震事件大部分发生在工作面末采期间(2021 年 7 月、8 月),相比其他回采工作面,证明了 4上煤 41106 工作面保护层的开采起到了较好的卸压作用。3.2 微震事件空间分布特征40111 工作面回采期间微震事件空间分布特征从工作面倾向、走向和垂向三个方面进行分析。40111 工作面回采期间微震事件在回顺和运顺的分布规律有着明显的特征,40111 工作面微震事件在倾向上基本均匀分布,以倾向中心为零点,在工作面-180180 m 范围内;运回巷两侧微震事件超前工作面的距离基本相同。从工作面开始回采至 2021 年 6 月 9 日微震事件主要集中在面前-100350 m 范围,2021 年 6 月9 日工作面累计推采 1 473 m,距离 4上煤 41106 停采线 267 m,后续随着工作面的回采,微震事件发生范围缩小,主要表现为采动超前影响范围减小,距离 58第 10 期 穆永刚:基于微震数据反演分析的煤矿工作面突涌水危险性评价 41106 工作面停采线越近,微震事件越向工作面方向集中,直至工作面回采末期,40111 工作面微震事件主要集中在面前-100100 m 范围。结合现场工作面布置和回采情况分析,截至 2021 年 6 月 9 日,工作面累计推采 1 473 m 之前,40111 工作面在41106 采空区下方回采时,顶板应力提前得到释放,40111 工作面在失去保护层条件下开采,微震事件向工作面方向移动,且发生的微震范围较为集中。将微震活动的 Z 坐标做统计分析,40111 工作面在整个回采过程中微震活动在垂直方向上主要表现为 4 种特征。其一,工作面面前-200300 m 范围内的微震事件在垂向上发生在煤层底板至其上方60 m 范围内;其二,工作面面前 0300 m 范围内的部分微震事件在垂向上发生在煤层上方 80200 m范围内;其三,工作面面前 300500 m 范围内的微震事件在垂向上随着距离工作面的距离越远,影响的高度越低;其四,工作面面前 0250 m 范围内的部分微震事件在垂向上发生在煤层底板下方 40 m范围内。图 3 微震活动垂直方向活动统计由上述分析可知,40111 工作面回采期间低位顶板的能量释放分布方位较广,主要在工作面面前-200300 m 范围,高位顶板的能量释放主要在工作面面前 0 250 m 范围,高位顶板能量的提前释放,能够降低工作面附近顶板垮落时释放的动载荷,同时,高位顶板提前以大能量释放时,增高了工作面前方 300 m 范围内的突涌水危险性。3.3 40111 工作面微震事件与推进度关系分析40111 工作面于2020 年7 月18 日开始生产,从2020 年 8 月 1 日开始统计,于 2021 年 8 月 31 日回采完毕,回采长度 1 754 m.现将回采过程中每月回采速度、最大日进尺和平均日进尺曲线图汇总如图4 所示。一般情况下,回采工作面的推采速度与能量释放量和释放频次成正比例关系,推采速度越快,能量释放和频次就越多。岩体中能量的释放总是处于一种波动状态对应积聚和能量释放的频繁转换中,而在具有突涌水危险的情况下,这种波动状态开始加剧。震源总能量变化趋势首先经历一个震动活跃期,之后出现较明显的下降阶段,开始具有突涌水危险性,而在下降阶段再回升或者下降阶段中出现较长时间的沉寂后,或者震动频次维持在较高水平时,突涌水危险性较高。图 4 40111 回采工作面最大日进尺和平均日进尺速度曲线图 5 40111 工作面月度微震能量与频次关系图如图 5 所示,微震频次与能量基本呈正相关关系,但从 3 月份开始,微震频次及能量呈现明显大幅度增加的趋势,主要原因为该阶段微震监测系统数据采集模块及定位软件能量算法进行了升级,升级后微震系统识别震动信号的敏感度及有效性大大增加,同时微震事件能量整体上也有所增加。4 结 语1)通过分析 40111 工作面微震监测数据可知,4 煤及 4上煤层联合开采工作面初采初放期间总能量较低且震源分布较为分散。即使在工作面一次、双面和三面“见方”时期,日总能量仅保持在4 次方,验证了开采保护层能起到显著卸压作用。2)统计 40111 工作面微震空间分布特征可知,采动煤岩体微震空间分布特征倾向上发生在工作面-180180 m 范围内,走向上运回巷两侧微震事件超前工作面的距离基本相同,垂向上低位顶板的能量释放主要在工作面面前-200300 m 范围,高位顶板的能量释放主要在工作面面前 0250 m范围,揭示了诱冲规律。3)40111 工作面(下转第 98 页)68 第 32 卷家倒面难度。图 3 反渗透水用量比对结果4 结 语为提高采面乳化液供液质量和效率,提出将变频供液技术应用到 9101 采煤工作面上,由于采面布置推进距离较短,为减少设备搬家倒面次数及难度,提出采用远距离变频供液方式,即建设的乳化液泵站同时为 9101 采煤工作面及邻近的 9105/9103 采煤工作面服务。结合现场情况,对变频供液管路设计,采用 1 路 D88.9 mm9 mm 不锈钢高压管、1 路D108 mm8 mm 不锈钢高压管回液可满足采面生产需要。为提高通信效率,液压支架电控系统与乳化液控制中心、主控台间均采用光纤通信。正常运行时,2 台变频泵组合方式即可满足液压支架供液需求,在检修时采用 1 台变频泵供液;若采面现场乳化液需求量明显增加时,则采用 3 台变频泵工作,其中变频泵主要起到乳化液压力调节作用,并减少能耗。现场应用后,变频供液技术在减少电能消耗、反渗透水消耗、设备维修保养等方面均起到较好效果。参考文献:1 郭凯宇.液压支架智能供液系统压力特性研究D.太原:太原理工大学,2022.2 曹哲哲.综采工作面泵站变频控制系统设计J.陕西煤炭,2022,41(3):110-113.3 史肖华.综采工作面智能供液系统设计和应用J.江西煤炭科技,2021(2):233-235.4 王 志.综采工作面远距离智能供液技术的研究J.山西焦煤科技,2021,45(5):38-41.5 郭路鹏.综采工作面智能供液系统关键技术研究J.山东煤炭科技,2021,39(2):127-128,131.6 乔和.智能乳化液泵站关键技术研究D.阜新:辽宁工程技术大学,2020.7 黄光平.多功能集成乳化液箱设计及供液方案研究D.太原:太原理工大学,2017.8 邱成鹏.采煤工作面供液控制系统控制器的设计与应用J.煤矿机电,2014(1):45-48.9 朱屹生,朱敏,丁凯,等.采煤工作面远距离供液(电)系统研究与应用J.科技创新与应用,2013(33):21-22.责任编辑:常丽芳(上接第 86 页)推进速度与煤岩活跃程度的正相关性较强,微震频次和能量主要集中在面前-100 300 m 范围,120 m 位置达到峰值,当工作面回采至构造区域时,由于构造应力的影响,突涌水危险区域向构造区域转移。借助于现有的先进微震监测技术对其进行理论研究与数据前兆预警判识,确保安全高效生产。参考文献:1 杨 琛,赵玉桃,李 强,等.厚煤层沿空巷道贯通阶段冲击地压防控技术J.陕西煤炭,2022,41(2):58-62.2 杨 贵,陈世万,余 琪,等.基于岩石微破裂演化崩塌失稳预警室内试验研究J.矿业安全与环保,49(3):26-33.3 王 旭.深埋长隧洞岩爆微震监测、预警与防控技术探讨J.西部探矿工程,2022,34(3):182-186.4 姚志宾,牛文静,张 宇,等.岩爆数据库管理系统开发及应用J.工程科学学报,2022,44(5):865-875.5 贾宝新,周琳力.层状介质采空塌陷区微震波传播速度模型构建J.中国矿业大学学报,2022,51(4):674-688.6 刘跃成,康跃明,赵智辉,等.基于微震监测试验的微震信号类别识别降噪方法研究J.能源与环保,2022,44(2):186-192.7 覃 敏,刘 畅.基于微震监测的地压灾害预警参数分析研究J.矿冶工程,2022,42(1):35-40.责任编辑:常丽芳89 第 32 卷