王元杰

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

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深井特厚煤層綜放工作面微震活動(dòng)規(guī)律研究?

王元杰1,2

(1.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院開采設(shè)計(jì)研究分院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

摘 要新巨龍礦井2303S工作面開采深度900 m,為沿空工作面,工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝。根據(jù)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分析了2303S工作面微震事件分布規(guī)律,研究表明微震事件的能量釋放具有明顯的周期性,微震能量釋放與工作面回采速度成正相關(guān)關(guān)系,工作面靠近斷層位置時(shí)沖擊危險(xiǎn)性增大,工作面開采影響范圍大致在工作面后方100 m到工作面前方200 m范圍內(nèi),頂板破裂帶高度在80 m左右。

關(guān)鍵詞深井 特厚煤層 綜放工作面 微震監(jiān)測(cè) 沖擊地壓 斷層

Research on micro-seismic activity rule in fully mechanized caving face of extra-thick coal seam in deep mine

Wang Yuanjie1,2
(1.Coal Mining& Designing Department,Tiandi Science& Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Coal Mining and Design Branch,China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Abstract The mining depth of 2303S working face in Xinjulong Mine was 900 m,the face that was gob-side working face adopted fully mechanized caving mining technology.According to monitoring data of micro-seismic monitoring system,distribution rule of micro-seismic events in the working face was analyzed.The research results showed that the energy release of micro-seismic had obvious periodicity,there was a positive correlation between the energy release and working face advance speed,and the rock burst risk in the working face near fault increased,the mining influence range was from 100 m behind the working face to 200 m ahead the working face,and the height of roof fracture zone was about 80 m.

Key words deep mine,extra-thick coal seam,fully mechanized caving face,micro-seismic monitoring,rock burst,fault

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是沖擊地壓預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究中的主要手段之一,隨著我國(guó)深部開采礦井?dāng)?shù)量的增多,其應(yīng)用數(shù)量也在日益增多.新巨龍公司礦井位于山東省菏澤市巨野縣龍固鎮(zhèn),礦井生產(chǎn)條件復(fù)雜,主要表現(xiàn)為厚表土層、高地溫、強(qiáng)地壓、大涌水、大采深、大采高等,其中沖擊地壓與異常來(lái)壓防治是最為困難和具有風(fēng)險(xiǎn)的難題之一.為提高礦井沖擊地壓的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平,新巨龍礦井選擇北京科技大學(xué)研發(fā)的針對(duì)工作面區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),而后為加強(qiáng)對(duì)工作面后方采空區(qū)和兩側(cè)區(qū)域的微震事件監(jiān)測(cè),又從天地科技股份有限公司引進(jìn)了支持全礦井范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)的ARAMIS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)全礦井范圍內(nèi)的微震事件進(jìn)行監(jiān)測(cè).

1　工作面概況

新巨龍礦井平均采深800 m,局部達(dá)到1000 m,最大主應(yīng)力為水平應(yīng)力,其值最大為46MPa,約為垂直應(yīng)力的1.9倍,原巖溫度為46℃,最高出水點(diǎn)溫度為52℃,涌水最高達(dá)1700 m3/h.新巨龍礦井3＃煤層為主采煤層,其中2303S工作面為沿空工作面,工作面傾斜長(zhǎng)度268.4 m,走向長(zhǎng)度2294.3 m,上平巷為沿空巷道,下平巷為實(shí)體巷道,平均開采深度900 m,回采煤層厚度3.8 ～8.5 m,平均7.7 m,屬于特厚煤層,煤層賦存穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,中間夾0.10～0.35 m厚的泥巖或炭質(zhì)泥巖.采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝,煤層具有弱沖擊傾向性,頂板具有中等沖擊傾向性.

2　微震事件統(tǒng)計(jì)

選取2303S工作面在2014年9月1日－2015 年1月8日期間共130 d的微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,ARAMIS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到微震事件共1886個(gè),總能量為19648118 J,即1.96×107J,每個(gè)事件平均能量為10418 J,即1.04×104J,期間共推進(jìn)407.5 m,平均釋放能量為48216 J/m,即4.82×104J/m.其中能量在103～104J范圍內(nèi)的微震事件最多,占總數(shù)的58.2％,而能量在104～105J范圍內(nèi)的微震事件數(shù)目雖然不是最多,但總能量卻占所有事件總能量的62％.

3　微震頻率與能量變化規(guī)律

圖1為2303S工作面每天的微震事件頻率和能量的變化曲線.

圖1　每天頻率和能量變化曲線

從圖中可以看出有3個(gè)明顯的微震事件活躍時(shí)段,A時(shí)段(9.2－9.30)每天微震事件頻率為16.17次,平均能量為148815 J;B時(shí)段(10.18 －11.1)每天微震事件頻率為23.6次,平均能量為385748 J,此時(shí)段能量和頻率都達(dá)到最高值;C時(shí)段(12.7－1.8)每天微震事件頻率為20次,平均能量為152958 J.時(shí)段A與B之間,時(shí)段B與C之間都有一個(gè)不活躍時(shí)段,此時(shí)段內(nèi)能量和頻率都處于較低的水平,為平靜期.可以看出能量釋放具有明顯的周期性,表現(xiàn)為兩個(gè)活躍期之間存在一個(gè)平靜期,平靜期的煤巖體處于能量積蓄階段,當(dāng)能量積蓄到一定程度,必將迎來(lái)下一個(gè)活躍期.

4　微震能量釋放與工作面回采速度關(guān)系

圖2是2303S工作面每天每米推進(jìn)平均釋放的能量,反映了工作面能量釋放的烈度.9.30、11.12、12.29三天的能量釋放較為強(qiáng)烈,并且能量強(qiáng)烈釋放前大都存在著一個(gè)數(shù)據(jù)逐漸上揚(yáng)的態(tài)勢(shì),強(qiáng)烈釋放后則存在著一個(gè)明顯低谷期.

圖2　工作面每米推進(jìn)平均釋放能量

圖3統(tǒng)計(jì)了回采期間工作面在不同回采速度時(shí)能量釋放情況.工作面回采速度越大,能量釋放越多,能量釋放與工作面回采速度成正相關(guān)關(guān)系.工作面回采速度在3～4.5 m/d時(shí)能量釋放均保持在3×105J以內(nèi),工作面回采速度大于5 m/d時(shí)能量釋放呈現(xiàn)急劇增加的態(tài)勢(shì),且具有很大的離散性.因此合理確定回采速度可以控制能量釋放,繼而可以有效降低沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn).

圖3　工作面回采速度與能量釋放的關(guān)系

5　微震事件分布規(guī)律

5.1微震事件平面分布規(guī)律

圖4為10月份的微震事件平面投影圖,在斷層和采空區(qū)的雙重影響下,2303S工作面微震事件密集在上巷與斷層線的包絡(luò)范圍內(nèi).斷層附近大能量微震事件較多,其中2014年10月22日早上8: 44:17發(fā)生一個(gè)微震事件,能量達(dá)到了5×106J,是回采期間所有1886個(gè)微震事件里面能量最大的一個(gè).此事件發(fā)生在斷層與2303S下巷交叉的區(qū)域,表明斷層對(duì)沖擊地壓危險(xiǎn)性的影響開始顯現(xiàn),應(yīng)加強(qiáng)防范.

圖4　10月份微震事件平面投影圖

圖5　工作面走向微震事件數(shù)和能量分布

統(tǒng)計(jì)了工作面前后微震事件的數(shù)目及微震事件能量分布,見(jiàn)圖5.可見(jiàn)微震事件主要分布在工作面前方100 m以內(nèi),共發(fā)生693個(gè)微震事件,釋放能量共計(jì)6.96×106J,再次是－100～0 m (－表示工作面后方)以內(nèi),共發(fā)生492個(gè)微震事件,釋放能量共計(jì)5.04×106J,其次是工作面前方100～200 m范圍內(nèi),共發(fā)生264個(gè)微震事件,釋放能量共計(jì)3.45×106J.－100～200 m范圍內(nèi)微震頻率占總數(shù)的77.8％,能量占81.25％,表明工作面開采影響范圍主要區(qū)域?yàn)椋?00～200 m區(qū)間內(nèi).工作面前方200 m內(nèi)可視為沖擊危險(xiǎn)區(qū),對(duì)工作面前方200 m內(nèi)要加強(qiáng)支護(hù)和監(jiān)測(cè).

5.2微震事件剖面分布規(guī)律

微震事件剖面分布情況如圖6所示.由圖可見(jiàn),微震事件發(fā)生于頂板的居多,因此危險(xiǎn)能量源主要來(lái)自于頂板;上平巷微震事件較密集,原因?yàn)?302S工作面采空區(qū)的存在,以及2303S工作面的開采引發(fā)了2302S工作面頂板的二次運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致上平巷受到壓力較大;頂板破裂帶高度在80 m左右,80 m內(nèi)的巖層運(yùn)動(dòng)較為活躍,是工作面壓力和動(dòng)力現(xiàn)象的主要誘因巖層.

圖6　10月份微震事件傾向剖面投影圖

6　結(jié)論

(1)微震事件的能量釋放具有明顯的周期性,平靜期的煤巖體處于能量積蓄階段,當(dāng)能量積蓄達(dá)到一定程度,能量開始釋放進(jìn)入活躍期.

(2)工作面回采速度越大,能量釋放越多,能量釋放與工作面回采速度成正相關(guān)關(guān)系,合理的推進(jìn)速度可以控制能量釋放,繼而可以有效降低沖擊地壓發(fā)生的危險(xiǎn).

(3)2303S工作面微震事件主要受2302S工作面采空區(qū)和斷層影響,工作面靠近斷層位置時(shí),大能量微震事件增多,工作面沖擊危險(xiǎn)性增大.

(4)工作面開采影響范圍大致在工作面后方100 m到工作面前方200 m范圍內(nèi),對(duì)工作面前方200 m內(nèi)要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和支護(hù)手段.

(5)微震事件主要發(fā)生在工作面頂板,頂板破裂帶高度在80 m左右,受2302S工作面采空區(qū)影響,上平巷微震事件較多.

參考文獻(xiàn):

[1]齊慶新,竇林名.沖擊地壓理論與技術(shù)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2008

[2]盧新偉.巨厚火成巖下礦震分布特征分析[J].煤炭工程,2010(7)

[3]王元杰,霍永金,張宗文等.基于最小平方法的微震震級(jí)與能量關(guān)系研究[J].煤礦開采,2015(4)

[4]張宗文,王元杰,趙成利等.微震和地音綜合監(jiān)測(cè)在沖擊地壓防治中的應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2011(1)

[5]鄧志剛,任勇,毛德兵等.波蘭EMAG礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能及應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008(10)

[6]黃志增,毛德兵,劉前進(jìn).大采高綜放開采特厚頂煤運(yùn)移特征實(shí)測(cè)研究[J].中國(guó)煤炭,2015(11)

[7]王元杰,鄧志剛,王傳朋.提高深部開采微震事件定位精度的研究[J].中國(guó)煤炭,2011(12)

(責(zé)任編輯 張毅玲)

作者簡(jiǎn)介:王元杰(1983－),男,山東泰安人,助理研究員。2007年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué),主要從事煤礦安全、沖擊地壓等方面的研究工作。

基金項(xiàng)目:?國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(51504135),煤炭科學(xué)研究總院科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2015ZYJ001)

中圖分類號(hào)TD324

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A