鞏奉剛 董金法 陳 勇

(1.內蒙古福城礦業(yè)公司；2.內蒙古上海廟礦業(yè)公司；3.中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院)

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微地震監(jiān)測系統(tǒng)在深井綜放工作面的應用

鞏奉剛1董金法2陳 勇3

(1.內蒙古福城礦業(yè)公司；2.內蒙古上海廟礦業(yè)公司；3.中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院)

為了確保礦井的高效安全生產，超前預報深井綜放工作面的來壓情況，采用微地震監(jiān)測系統(tǒng)，對微震事件進行分析，再根據實際的礦壓監(jiān)測結果驗證其準確性。結果表明，微地震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的微震事件能夠預測綜放工作面的來壓情況，但準確性還不夠高，需要結合現(xiàn)場實際對微地震監(jiān)測系統(tǒng)作進一步的研究和改進。

深井綜放工作面 微地震監(jiān)測系統(tǒng) 來壓預報

新巨龍礦井煤層埋深大、沖積層厚、基巖相對較薄，其礦壓顯現(xiàn)較為劇烈，周期來壓的規(guī)律性不強，工作面來壓的超前預報更多只能依靠礦壓監(jiān)測數(shù)據和對礦壓顯現(xiàn)規(guī)律總結分析。隨著采深加大，綜放工作面的礦壓顯現(xiàn)變得更加復雜，因此開展工作面來壓的預報研究對礦井安全生產具有重要意義[1-3]。工作面來壓超前預報主要涉及到2個問題：一是來壓模式；二是來壓巖梁層位[4-5]。對于第一個問題，可通過分析來壓步距來解決；對于第二個問題，可通過分析鉆孔柱狀圖和每日巖層破裂高度來確定[6-8]。本文結合2301工作面的支架監(jiān)測數(shù)據和微地震監(jiān)測數(shù)據分析來壓情況，以保證工作面安全生產。

1 工作面概況

2301綜放工作面位于-810 m水平二采區(qū)南翼下山以北，西為1#輔助運輸大巷保護煤柱，東為2302工作面，北為二采區(qū)下山保護煤柱,南為村莊保護煤柱。開采煤層為3煤，煤層厚3.6～10.4 m，平均為9.2 m，傾角為3.8°～7.8°，平均為5.8°，可采指數(shù)為1，為較穩(wěn)定煤層，煤質牌號為肥煤。煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

2 工作面來壓模式的確定

2301工作面4月11日—5月10日工作面支架阻力變化曲線如圖1所示?？梢钥闯?，工作面周期來壓步距為7.5～20.4 m，來壓周期變化幅度較大。其原因是工作面頂板存在多巖梁結構，即存在低位基本頂和高位基本頂。如4月14日低位基本頂來壓，來壓步距為16.8 m，4月16日高位基本頂來壓，4月22日低位基本頂來壓，4月24日高位基本頂來壓，4月27日低位基本頂來壓，5月1日高位基本頂來壓，5月3日低位基本頂來壓。高位基本頂來壓時的支架阻力明顯高于低位基本頂來壓時的阻力。由此判斷2301工作面的這種來壓模式屬于復合巖梁造成的多周期來壓模式。

表1 3煤層頂?shù)装迩闆r(根據工作面北部263鉆孔)

3 來壓巖梁層位的確定

來壓超前預報的前提是確定來壓巖梁的層位。根據工作面內L-22鉆孔柱狀圖和4月11日—5月10日內每日巖層破裂高度研究來壓巖梁的層位。L-22鉆孔柱狀圖揭示的巖層賦存情況見表2。

直接頂厚度可按下式估計：

(1)

式中,H為割煤高度，取3.5 m；T為頂煤厚度，取5.7 m(9.2-3.5)；SA為基本頂在觸矸處的沉降量，m,一般為(0.15～0.25)(H+Tη)，η為放煤效率，取0.8；C為殘煤厚度，取1.2 m；KA為冒落巖層的碎脹系數(shù)，一般為1.25～1.35。

圖1 2301工作面4月11日—5月10日工作面支架阻力變化曲線

巖石類型厚度/m備注中粒砂巖7.2粉砂巖3.5細粒砂巖4.6粗粒砂巖3.7這3個巖層將組合在一起構成關鍵層。細粒砂巖4.9泥巖2.7高位基本頂?shù)妮d荷層中粒砂巖1泥巖8.4中粒砂巖11.6高位基本頂粗粒砂巖27.6下部17m內節(jié)理發(fā)育,為直接頂巖層;上部10.6m為低位基本頂。細粒砂巖4.0粉砂巖2.63煤9.2

計算得出Mz=22.63 m。

可見，煤層上方2.63 m粉砂巖、4 m細粒砂巖及上方粗粒砂巖下部17 m為直接頂巖層，厚23.63 m。根據巖層賦存情況，上方粗粒砂巖上部10.6 m為低位基本頂，11.6 m中粒砂巖為高位基本頂。工作面的多周期來壓模式就是由低位、高位基本頂?shù)牟煌竭\動造成的。高位基本頂上方有11.1 m泥巖和1 m中粒砂巖，為高位基本頂?shù)妮d荷層。另外，覆巖中的關鍵層(4.9 m細粒砂巖、3.7 m粗粒砂巖、4.6 m細粒砂巖)控制著上方巖層的運動，關鍵層以上的巖層將不再影響采場的礦壓顯現(xiàn)。因此，影響支架狀態(tài)的巖層厚度為57.93 m，其中下部23.63 m 巖層將完全由支架承擔(不考慮“煤—煤”結構、“巖矸”結構的影響)，上部34.3 m巖層部分需要支架承擔。

圖2為微地震監(jiān)測結果揭示的每日巖層破裂高度?？梢娮畲蟾叨燃s50 m，與上述分析結果基本一致。

圖2 微地震監(jiān)測結果揭示的每日巖層破裂高度

4 微地震監(jiān)測系統(tǒng)的應用

4.1 微地震監(jiān)測系統(tǒng)簡介

微地震監(jiān)測系統(tǒng)主要元件包括三分量地震傳感器、加速度檢波器、中央處理電腦和地震記錄器。三分量地震傳感器和加速度檢波器探測和測量微震活動信號，以陣列的形式安裝于地下巖層中，將監(jiān)測到的微地震信號傳至地震記錄器，轉換為數(shù)字信號后傳到中央處理電腦，中央處理電腦提供交互的三維可視化地震規(guī)模和地點，根據數(shù)字信號對微地震活動自動定位和作圖。

4.2 礦壓監(jiān)測與微地震監(jiān)測事件分析

由礦壓監(jiān)測數(shù)據可知，4月21日—4月30日，支柱載荷變化比較均勻，支柱工作阻力不大，平均在18～25 MPa，工作面沒有明顯的來壓跡象。5月1日，工作面最大支柱工作阻力達到了34 MPa，液壓支架的安全閥瞬時開啟情況較多，有明顯的礦壓顯現(xiàn)，伴隨煤炮、片幫等現(xiàn)象。5月2日—5月6日，工作面支柱工作阻力分布在18～23 MPa，工作面的礦壓顯現(xiàn)不強。5月7日，工作面最大支柱工作阻力達到了32 MPa，礦壓顯現(xiàn)較為強烈。選取發(fā)生在4月21日—5月7日、處于當日工作面前、高度為20～60 m的微震事件樣本列于表3，以分析預測工作面來壓情況。

4.2.1 5月7日工作面來壓預測

至5月7日，工作面煤壁到事件1的距離還有214.3 m，工作面煤壁到事件2的距離還有21.12 m，工作面煤壁到事件3的距離還有50.5 m，工作面煤壁處于事件4前方52.2 m，工作面煤壁到事件5的距離還有81.8 m，工作面煤壁到事件6的距離還有40 m。可見，不考慮誤差(完整巖體約10 m，工作面超前影響區(qū)約20 m)時，事件1～6都不是誘發(fā)工作面5月7日來壓的事件。

表3 5月7日之前發(fā)生的微震事件匯總

4.2.2 5月1日工作面來壓預測

假如事件4是誘發(fā)工作面5月1日來壓的事件：4月26日—4月30日上巷共推進31.4 m，下巷共推進27.9 m；4月26日—5月1日上巷共推進36.1 m，下巷共推進32.1 m?？梢姡?月1日工作面煤壁基本處于事件4正下方。

至5月1日，工作面煤壁至事件5、事件6的距離至少還有102和49.8 m。

因此，事件5、事件6不可能是誘發(fā)5月1日工作面來壓的事件，事件4是誘發(fā)5月1日工作面來壓的事件。

5 結 論

(1)應用微地震監(jiān)測系統(tǒng)預報深井綜放工作面來壓，取得了一定的效果，但準確性仍有待于提高，原因在于深井綜放工作面頂板垮落高度大，“煤—煤”結構和“巖矸”結構階段性出現(xiàn)，復合巖梁的不同步破斷造成工作面來壓具有復雜性，工作面來壓時，支架和巖梁斷裂點之間的位置關系也難以確定，另外，微震監(jiān)測系統(tǒng)定位時采用的波速是定值，而實際上地震波在煤巖介質中傳播速度具有不確定性。微地震監(jiān)測系統(tǒng)反饋的微震事件是大樣本，如何選取樣本也是重要的課題，對預測來壓會產生重要的影響。

(2)微地震監(jiān)測系統(tǒng)在新巨龍礦井的應用為深井綜放工作面的來壓預報提供了新的思路，下一步需要結合現(xiàn)場實際對微地震監(jiān)測系統(tǒng)作進一步的研究和改進，以便更加準確和高效地預報綜放工作面的來壓情況。

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2016-07-19)

鞏奉剛(1988—)，男，工程師，016299 內蒙古鄂爾多斯市。