史登榮

（山西汾西礦業(yè)集團公司正幫煤業(yè)，山西 孝義 032300）

頂?shù)装寰鶠槟鄮r性質(zhì)的三軟煤層巷道，其圍巖具有物理力學(xué)強度低、裂隙發(fā)育、易碎脹變形等特點，所以需在掘進期間對巷道圍巖進行重點監(jiān)測與加固，以預(yù)防巷道失穩(wěn)危及安全。目前常用的傳統(tǒng)圍巖監(jiān)測技術(shù)手段有鉆孔探測、地質(zhì)雷達監(jiān)測、支護構(gòu)件受力分析等，但這些技術(shù)無法對圍巖進行連續(xù)監(jiān)測和定量評價。本文以汾西正邦煤業(yè)11101回風(fēng)順槽為背景，結(jié)合其煤層頂?shù)装逄匦裕岢隽藰?gòu)建微震監(jiān)測系統(tǒng)分析巷道掘進期間微震活動特征及規(guī)律，從而達到定量評價圍巖破裂程度的目的。

1 工程概況

汾西正幫煤業(yè)11101材料巷沿煤層由南向北掘進918.6m，掘進巷道南側(cè)為主運大巷、東西回風(fēng)大巷和東西輔運大巷，東側(cè)170m處為1#探巷，巷道斷面為矩形，凈寬4m，凈高4m，采用EBZ-160型綜掘機一次截割成巷。

掘進煤層為石炭紀上統(tǒng)太原組11#煤層，煤層以亮煤、半亮煤、半暗煤組合為特征，埋深207～280m，厚度0.39～5.37m，平均厚度2.08m，傾角7°，為近水平煤層。煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，巖性松軟，極易風(fēng)化脫落，煤層直接底為鋁質(zhì)泥巖，巖性松軟，易吸水膨脹變形，因此11101材料巷掘進煤層為典型的三軟不穩(wěn)定煤層。頂?shù)装迩闆r見表1。

由于11101掘進巷道煤層頂?shù)装骞?jié)理、層理裂隙發(fā)育，且厚度不均一，在掘進過程中給巷道安全穩(wěn)定帶來了隱患，同時對巷道支護施工帶來困惑，因此急需一套可靠的監(jiān)測系統(tǒng)來準確、持續(xù)地了解并掌握圍巖破壞情況，從而避免巷道失穩(wěn)引發(fā)安全事故。

表1 11#煤層頂?shù)装逄匦?/p>

2 微震系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)

煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)中，由傳感器通過巷道支護錨桿接收圍巖破裂震動信號，并將震動信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過井下電纜傳輸至數(shù)字信號采集系統(tǒng)，由光電轉(zhuǎn)換器將電信號轉(zhuǎn)換為光信號，之后利用光纖傳送至井下數(shù)據(jù)采集分站將光信號再次轉(zhuǎn)換為電信號，最后通過煤礦工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳送至井上接收系統(tǒng)進行信號處理分析。

2.2 微震監(jiān)測方案

在11101材料巷掘進期間布置2個斷面監(jiān)測站點，兩測站間距40m，每個站點布置3個傳感器，傳感器連接長度2.4m螺紋鋼錨桿，分別隨巷道支護施工布置于頂板中心處和左右兩幫中心處位置。隨著巷道掘進，傳感器逐漸向掘進頭推進方向移動，保證微震信號的持續(xù)性監(jiān)測。

2.3 微震信號識別

在巷道掘進時，掘進機工作產(chǎn)生大量振動噪聲信號，信號會對圍巖破裂信號產(chǎn)生干擾，影響準確的微震信號定位，因此預(yù)先將微震事件分為圍巖破裂事件和機械振動噪聲事件兩大類。收集信號后排除噪聲信號干擾，準確識別圍巖破碎微震信號，從而獲得圍巖破壞微震變化規(guī)律。

（1）圍巖破裂事件。當(dāng)綜掘機截齒連續(xù)切割破煤時，圍巖內(nèi)會產(chǎn)生多個破裂信號，多個波形疊加隨時間均勻分布，在一定振幅范圍內(nèi)上下波動，如圖1所示。

（2）噪聲事件。分為電流噪聲和風(fēng)鉆噪聲，電流噪聲波形隨時間在一定振幅范圍內(nèi)上下波動，波動較為完整、均勻；而風(fēng)鉆噪聲波形變化呈規(guī)律出現(xiàn)，單個風(fēng)鉆噪聲波形特點為某瞬間振幅突然增加，隨后逐漸減弱直至恢復(fù)正常，如圖2所示。

圖1 掘進圍巖微震事件波形圖

圖2 風(fēng)鉆噪聲事件波形圖

3 圍巖微震活動特征分析

正幫煤業(yè)11101材料巷布置微震監(jiān)測系統(tǒng)后，持續(xù)正常監(jiān)測60d，在巷道掘進期間經(jīng)識別及除噪最終得到微震事件297個。微震事件矩震級主要集中在-2.670～0.598范圍內(nèi)，平均值為-1.6，微震活動釋放能量較低。

對收集到的微震信號進行統(tǒng)計可知，11101材料巷掘進期間微震事件空間分布共劃分為3個區(qū)域，如圖3所示。其中Ⅰ區(qū)域(0～3m)圍巖裂隙發(fā)育，完整性較差，微震事件密集；Ⅱ區(qū)域(3～7m)圍巖存在少量裂隙，發(fā)育不明顯，為微震事件中密度區(qū)；Ⅲ區(qū)域(7m以外)圍巖較為完整，為微震事件低密度區(qū)。

圖3 微震事件空間分布規(guī)律

由圖3可看出，微震事件主要集中于巷道左肩部、頂板中心及底板中心處。圖4為微震事件密度云圖，同樣可看到，在巷道左肩部、頂板中心、底板中心處微震事件密集，與圖3展示結(jié)果相同，說明巷道掘進期間肩部與頂?shù)灼茐膰乐?。上述與實際地質(zhì)勘探資料中的頂板松軟易風(fēng)化垮落及底板松軟遇水易膨脹的描述相符。

圖4 微震事件密度圖

4 微震事件與支護構(gòu)件受力關(guān)系

軟巖巷道開挖引起圍巖應(yīng)力重新分布，層理節(jié)理裂隙發(fā)育、擴展加重，大量微震事件由此產(chǎn)生，導(dǎo)致巷道圍巖破壞、支護構(gòu)件受力發(fā)生變化。因此，微震事件活動與巷道錨桿、錨索受力存在著密切的聯(lián)系，為揭示二者關(guān)系，同時為驗證上文微震系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果可靠性，在11101材料巷布置監(jiān)測點，利用錨桿、錨索測力計分別監(jiān)測巷道肩部、幫部、頂板錨桿、錨索受力載荷狀況，自監(jiān)測設(shè)備安裝完成后持續(xù)監(jiān)測140d。

圖5為巷道不同位置處錨桿工作載荷變化曲線圖。監(jiān)測初期錨桿載荷由于預(yù)緊力的施加明顯提高，之后略有下降并在40d后基本趨于穩(wěn)定。另外可從圖中得知，巷道肩部及頂板處錨桿受力明顯大于兩幫，尤其左肩處錨桿載荷值在監(jiān)測期間始終保持最大，且各位置錨桿載荷變化規(guī)律與上文中微震事件空間分布規(guī)律一致。

圖5 錨桿工作載荷監(jiān)測曲線圖

綜上所述，利用微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠準確、定量、持續(xù)地監(jiān)測掘進巷道圍巖微震事件，從而能夠準確反映圍巖破壞情況，較傳統(tǒng)的監(jiān)測手段擁有明顯的優(yōu)勢，彌補了以往定性分析巷道圍巖破壞程度的局限性，具有較大的理論指導(dǎo)意義與工程實用價值。

5 結(jié)論

（1）11101材料巷掘進期間微震事件矩震級范圍主要集中在-2.670～0.598，平均值為-1.6，圍巖破裂釋放能力低。

（2）軟巖巷道圍巖0～3m為微震事件高密度區(qū)，3～7m為微震事件中密度區(qū)，大于7m為微震事件低密度區(qū)。

（3）軟巖巷道微震事件主要集中于巷道肩部、頂板、底板處，尤其肩部微震事件密集，破裂嚴重。

（4）微震監(jiān)測系統(tǒng)可準確、定量、持續(xù)地監(jiān)測軟巖巷道圍巖破壞程度，其監(jiān)測結(jié)果在巷道支護構(gòu)件受力上已得到驗證。