基于微震监测的孤岛工作面冲击地压防治实践.pdf

基于微震监测的孤岛工作面冲击地压防治实践路亚军1，吕经超1，白超强2（1.兖矿能源集团股份有限公司兴隆庄煤矿，山东 兖州 272100；2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 海淀 100083）摘要：孤岛工作面的顶板运动和应力场变化十分复杂，这两者很大程度上决定了工作面能否安全回采。以兴隆庄煤矿 10304 工作面冲击地压防治为例，针对工作面高应力集中区域，采取煤层大直径钻孔卸压措施，配合微震等监测手段有效降低了冲击危险。研究表明：煤层大直径钻孔改善了煤岩体应力分布，卸压效果良好；工作面顶板破断垮落较充分，顶板微震活动集中在上覆岩层 50m 范围，且大能量事件数量较少；工作面整体微震活动受构造、煤柱以及老巷群影响较大。关键词：冲击地压；孤岛工作面；微震监测；覆岩结构中图分类号：TD324文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）06-0021-04Prevention and Control of Rockburst in Isolated Working Face Basedon Microseismic MonitoringLU Yajun1,LV Jingchao1,BAI Chaoqiang2（1.272100,；2.100083,）Abstract:The roof movement and stress field change of isolated island working face are very complex,which largely determine whether theworking face can be safely mined.Taking the prevention and control of rockburst in the 10304 working face of Xinglongzhuang Coal Mine asan example,aiming at the high stress concentration area of the working face,the pressure relief measures of large-diameter drill holes in thecoal seam,together with the monitoring means such as microseism,have effectively reduced the impact risk.The research shows that thelarge-diameter borehole in coal seam improves the stress distribution of coal and rock mass,and the pressure relief effect is good;The roof ofthe working face is fully broken and collapsed,and the microseismic activity of the roof is concentrated within 50m of the overlying strata,andthe number of high-energy events is relatively small;The overall microseismic activity of the working face is greatly affected by the structure,coal pillar and old roadway group.Key words:rock burst;islands face;microseismic monitoring;overburden structure0引言随着煤炭资源开采深度和强度的增大，冲击地压的发生频率和强度也在日益上升。冲击地压的发生与否主要受地质和开采技术因素的影响，而后者中最危险的即为孤岛煤柱 1。孤岛工作面的形成往往是矿井为避免接续紧张采用跳采所导致的 2。受边界条件影响导致其覆岩运动复杂多变 3，三侧采空的孤岛工作面覆岩空间结构为“C”型，在工作面横向剖面上，覆岩空间结构表现为“T”型 4；而顶板结构类型决定覆岩向煤体传递应力的机制，从而影响孤岛工作面应力集中程度及其分布方式，如三侧采空的孤岛煤柱会形成围绕工作面的反弧形高应力和弹性能集中 5，孤岛工作面超前支撑压力影响距离为普通工作面 35 倍等 6，普遍表现为孤岛工作面支撑压力大。且回采过程中上覆岩层的弯曲和破断，对应着岩层弹性能的积聚和释放，煤体在高应力环境下受到扰动易失稳，极易发生冲击地压 7，8。本文以兴隆庄煤矿 10304 孤岛工作面为背景，分析回采过程中的微震信息，研究震动发生的层位和破断形态以及微震发生的主控因素，揭示采掘引起的覆岩运动规律。1工程概况兴隆庄煤矿 10304 工作面埋深 352.2555.3 m，工作面宽 179.5226.6 m，走向长 2291.4 m。工作面切眼以 70 m 井田边界保护煤柱为界与东滩矿相邻，切眼下方为采区水仓；两侧顺槽与采空区之间均留设窄煤柱，运顺侧煤柱随回采逐渐变宽（26 m），轨顺侧煤柱随回采逐渐变窄（105 m）；同时有多条巷道位于工作面下方并形成老巷群，工作面平面布置如图 1 所示。工作面所采煤层为山西组底部 3 煤，煤层平均厚度为 8.85 m，普氏硬度 f=2.3。基本顶为中砂岩，平均厚度为 11.50 m，硬度系数 f=6.09.0，顶底板条件见表 1。2023 年第 6 期煤矿现代化第 32 卷21图 110304 工作面平面位置示意图表 110304 工作面煤层顶底板条件2冲击地压防治及监测措施10304 工作面为一典型孤岛工作面，其西侧10305 工作面、东侧 10303 工作面以及切眼正对应的 14310 工作面均已回采完毕，受采空区侧向支撑压力影响，工作面内应力集中程度较高，如图 2 所示，最大应力集中系数可达 1.62。图 210304 工作面竖向应力分布图孤岛工作面回采过程中，上覆岩层运动剧烈，工作面在高应力环境下容易发生冲击地压，造成煤体突出。因此，工作面对冲击危险区域的防治以避免高应力集中为目的，主要采取煤体大直径钻孔卸压方案，如下所述：1）预卸压：工作面对于冲击危险区域施工大直径预卸压钻孔，始终保持超前工作面 250 m，直径150 mm，弱冲击危险区域间距 3 m（中等 2 m），孔深25 m，共计施工 1 828 个，累计 45 700 m。2）解危卸压：监测区域异常时，在原大直径钻孔之间增加一个大直径钻孔，加密卸压孔进行解危卸压，钻孔150 mm，孔深 30 m，直到解除冲击危险。工作面冲击地压监测预警采用微震、应力在线、钻屑法、支架工作阻力在线监测等相结合的方法。微震监测通过在工作面 1 500 m 范围内布置 6 个拾震器实时接收岩层微震信号，并随着工作面推采，对部分拾震器位置进行了优化，确保拾震器对工作面形成包围，使监测数据真实、有效，拾震器布置见图 3。图 3拾震器布置图3监测数据分析3.1数据采集1）支架阻力在线监测。工作面回采期间共来压140 次，基本顶初次来压步距为 36.5 m，周期来压平均步距为 16.38 m，周期来压时平均支架加权末阻力为 7 078.2 kN，回采期间工作面平均支架工作阻力为 6 346.27kN，动载系数为 1.12，属来压不明显型。2）钻屑法及应力在线监测。工作面回采期间共施工钻屑法检测钻孔 4316 个，所有检测数据正常，煤粉量大部分在（2.14.0）kg/m 之间，最大煤粉量为 5.1 kg/m，低于预警指标（6.2 kg/m）；应力在线监测最大应力值为 12.6 MPa（预警值为 15 MPa），均未出现预警现象，表明大直径钻孔卸压作用效果良好，煤体高应力集中得到缓解。3）微震监测。工作面回采期间总微震次数为44285，其中工作面附近震动以小能量震动事件为主，1 000 J 以下震动事件占比 92.7%，大于 10 000 J的大能量事件共 2 次，占比仅 0.004 5%。表 2微震事件统计表2023 年第 6 期煤矿现代化第 32 卷名称岩石名称厚度（m）岩性及物理力学性质基本顶中砂岩9.7931.2411.50浅灰色，含大量的卢木、鳞木、轮叶等植物化石，裂隙发育。f=6.09.0。直接顶粉砂岩1.873.652.14灰色，泥矽质胶结，具水平层理，偶见裂隙。f=5.7。伪底泥岩00.570.29深灰色，含根化石碎片，泥质胶结，水平层理。f=1.52.5。直接底粉砂岩1.808.655.06灰色,含粘土质，富含羊齿、契叶、芦木等植物化石，f=5.7。基本底中砂岩6.814.3610.88浅灰色，互层较明显，局部含大量棕褐色菱铁质点，具斜层理。f=6.011.0。微震能量 E/J微震次数/次所占百分比/0E110226 34159.481102E510211 72726.485102E11032 9856.741103E51033 0146.815103E11042160.49大10420.004 5合计44 28510022通过震源的空间分布和演化特征，可进一步研究震动发生的层位和破断形态以及微震发生的主控因素等，能揭示采掘活动引起的覆岩运动规律。通过对工作面微震数据整理，可将工作面回采分为 3 个阶段进行分析，即初采阶段、见方阶段、老巷群影响阶段，如下所述。3.2数据分析3.2.1初采阶段工作面回采初期，微震活动频率较低，其分布除受本工作面顶板活动影响外，还受相邻采空区顶板活动、与东滩煤矿 14310 采空区间不规则煤柱区、断层活化、十采水仓围岩活动影响。由平面图可知，微震活动多分布于采动影响区域，如不规则煤柱、相邻 10303 采空区等。不规则煤柱在工作面回采前受三侧采空影响，其内部应力集中程度较高，工作面回采后其内部应力进一步调整，微震活动集中；同时 10303 采空区侧的微震活动多于 10305 采空区侧，一方面是由于 10303 采空区内NF6 断层受回采扰动影响后活化，围岩处于不稳定状态，另一方面是 10303 采空区与 10304 工作面间留设煤柱宽度逐渐缩小，应力集中程度较高。由剖面图可知，煤层下方岩层的微震活动多于上覆岩层。回采初期采掘活动引起工作面下方采区水仓围岩运动，下方岩层进一步破断导致应力重新调整，而随工作面推进，逐渐远离十采水仓的影响范围时，微震活动从-550 m 范围向-500 m 范围的更高位底板转移；同时上覆岩层的微震活动大多集中在直接顶、基本顶以及上覆细粉砂岩互层，约在煤层上方 30 m 范围，回采初期围岩扰动程度较小，未引起自身及相邻采空区更高位顶板的破断。（a）全部微震平面分布图（b）全部微震走向剖面分布图图 410304 工作面初采阶段微震平面和剖面定位图3.2.2见方阶段工作面推进至 270370 m 位置时处于工作面一次见方区域。此阶段微震活动明显增加，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，总能量也随之大幅上升，受一次见方及周期来压等引起的上覆 50 m 范围内顶板持续运动、破断，导致该阶段发生的微震事件大部分集中于 10304 工作面内；当工作面远离一次见方区域时，其微震活动也明显减弱，大能量微震事件频次及总能量均有所下降。一次见方前后对比可知，该阶段主要受一次见方及周期来压引起的低位顶板活动影响，其微震活动分布逐渐从底板向煤层及顶板靠拢。（a）全部微震平面分布图（b）全部微震走向剖面分布图图 510304 工作面一次见方阶段微震平面和剖面定位图工作面推进至 520620 m 时处于二次见方阶段，顶板出现反复破碎现象，相对于该阶段的顶板活动程度，一次见方阶段工作面顶板并未出现大范围掉顶、见矸情况，大能量微震频次由每月 64 次增加至每月 241 次，说明受二次见方影响上覆岩层的活动更为剧烈，危险程度更高；二次见方对比一次见方可知，微震活动明显积聚于工作面推进位置附近，基本完成向工作面内部的转移，仅有少部分微震活动分布于两侧采空区，表明二次见方对工作面本身覆岩的影响程度明显强于临近采空区覆岩的影响。（a）能量103J 微震平面分布图2023 年第 6 期煤矿现代化第 32 卷23（b）能量103J 微震走向剖面分布图图 610304 工作面二次见方阶段微震平面和剖面定位图3.2.3老巷影响阶段工作面推进至 795895 m 时处于老巷超前应力影响区域，工作面前方超前支承压力本身处于较高水平，同时受回采扰动的影响，底板老巷群围岩逐渐趋于不稳定状态，加之后方及侧方采空区顶板的剧烈运动甚至破断，运输顺槽侧 10305F3 断层进一步活化，使得工作面围岩整体性及稳定性遭到破坏，大能量微震事件由 206 次激增至 756 次，总能量也明显上升一个能级。由剖面图可知，该阶段微震活动分布集中在煤层、上覆岩层 50 m 范围及下方老巷群附近，未有向更高层位发展的趋势，同时煤层下方的微震事件多于其上方的，说明该阶段老巷群超前支承应力及围岩活动的影响强于三次见方对顶板活动的影响。（a）全部微震平面分布图（b）全部微震走向剖面分布图图 710304 工作面二次见方阶段微震平面和剖面定位图4结论1）10304 工作面采取大直径钻孔预卸压措施后安全回采，各项监测指标均未达到预警值，煤体应力集中程度较低，卸压效果良好，有效降低了孤岛工作面的冲击危险性。2）工作面回采期间总微震次数为 44285，其中工作面附近震动以小能量震动事件为主，1000 J 以下震动事件占比 92.7%，大能量事件数量较少，引发冲击地压的危险性小。3）通过分析震源的空间分布和演化特征，研究不同阶段震动发生的层位和破断形态以及微震发生的主控因素等。结果表明该孤岛工作面顶板破断垮落较充分，顶板微震活动集中在上覆岩层 50 m 范围；且整体微震活动受构造、煤柱以及老巷群影响较大。参考文献：1 潘俊锋，宁宇，毛德兵，等.煤矿开采冲击地压启动理论J.岩石力学与工程学报，2012，31（3）：586-596.2 冯宇，姜福兴，李京达.孤岛工作面围岩整体失稳冲击危险性评估方法J.煤炭学报，2015，40（5）：1001-1007.3 窦林名，贺虎.煤矿覆岩空间结构 OX-F-T 演化规律研究J.岩石力学与工程学报，2012，31（3）：453-460.4 姜福兴，张兴民，杨淑华，等.长壁采场覆岩空间结构探讨J.岩石力学与工程学报，2006，（5）：979-984.5 李佃平，窦林名，牟宗龙，郭晓强，刘礼鹏.孤岛型边角煤柱工作面反弧形覆岩结构诱冲机理及其控制 J.煤炭学报，2012，37（5）：719-724.6 刘金海，姜福兴，冯涛.C 型采场支承压力分布特征的数值模拟研究J.岩土力学，2010，31（12）：4011-4015.7 王宏伟，姜耀东，赵毅鑫，刘帅，高仁杰.长壁孤岛工作面冲击失稳能量释放激增机制研究 J.岩石力学与工程学报，2013，32（11）：2250-2257.8 姜福兴，成功，冯宇，王存文，徐勇勇.两侧不规则采空区孤岛工作面煤体整体冲击失稳研究 J.岩石力学与工程学报，2015，34（S2）：4164-4170.作者简介：路亚军（1982-），男，武汉工程大学毕业，工程师，研究方向：冲击地压防治。（收稿日期：2023-3-7）2023 年第 6 期煤矿现代化第 32 卷24