李艷飛，翟常治

(1.河南能源集團(tuán)焦煤公司古漢山礦，河南 焦作 454300；2.北京安科興業(yè)科技股份有限公司，北京 102200)

煤層開采之后，在礦山壓力作用下工作面覆巖發(fā)生顯著運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致巖層產(chǎn)生裂隙和斷裂[1]。采空區(qū)覆巖破壞情況可分為冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，其中冒落帶和裂隙帶之和稱為導(dǎo)水裂隙帶[2]。研究工作面導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度對(duì)礦井水害、瓦斯災(zāi)害防治具有重要的意義[3]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要采用理論及預(yù)測(cè)計(jì)算[4-7]、經(jīng)驗(yàn)公式[8]、數(shù)值模擬[9]和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[10，11]等方法對(duì)導(dǎo)水裂隙帶高度進(jìn)行確定，相較于理論計(jì)算或者經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，物探法、鉆孔分段注水法等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法所取得的結(jié)果比較可靠，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)涉及的工作量較大且對(duì)生產(chǎn)有一定程度的影響，因此研究采用便捷、無損的探測(cè)手段確定頂板導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度愈顯重要。

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)作為一種從大地地震行業(yè)轉(zhuǎn)化過來的監(jiān)測(cè)手段，具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)巖體破壞位置及程度的功能，近年來越來越廣泛應(yīng)用礦井動(dòng)力災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警領(lǐng)域[12-14]。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)原理為被動(dòng)監(jiān)測(cè)，裝置預(yù)先安裝在井下巷道空間內(nèi)，其在運(yùn)行過程中對(duì)生產(chǎn)無影響。趙興東等[15，16]通過試驗(yàn)對(duì)巖石全應(yīng)力-應(yīng)變曲線的各個(gè)階段裂縫發(fā)展情況以及聲發(fā)射特征進(jìn)行研究，認(rèn)為巖樣在壓密和彈性變形階段，聲發(fā)射事件數(shù)量和振幅處于較低水平，巖樣在裂紋穩(wěn)定和非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，宏觀上展現(xiàn)出明顯的裂紋擴(kuò)展，聲發(fā)射事件頻繁且振幅明顯振蕩。煤層回采過程中頂板冒落帶的巖體應(yīng)經(jīng)歷非穩(wěn)定擴(kuò)展階段達(dá)到破壞階段，裂隙帶巖體應(yīng)處于非穩(wěn)定擴(kuò)展階段，彎曲下沉帶巖體應(yīng)處于壓密階段、彈性變形階段。因此冒落帶和裂隙帶巖體在經(jīng)歷裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段時(shí)產(chǎn)生的微震事件可被微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到。

基于前人研究成果，擬從微震監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬角度出發(fā)，結(jié)合古漢山礦1604放頂煤工作面地質(zhì)及開采特點(diǎn)，研究適用于工作面的微震臺(tái)網(wǎng)布置方式，通過對(duì)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分布規(guī)律進(jìn)行分析，探索此類工作面頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度，并采用數(shù)值模擬手段對(duì)工作面的導(dǎo)水裂隙帶動(dòng)態(tài)發(fā)育過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

1 工程概況

焦煤公司古漢山礦1604工作面位于16采區(qū)西翼，主采二1煤層，其北部為16021工作面采空區(qū)，南部為1606工作面實(shí)體煤，西部為界碑?dāng)鄬颖Ｗo(hù)煤柱，東部為16西翼回風(fēng)下山保護(hù)煤柱，平面位置如圖1所示。工作面內(nèi)煤層頂板標(biāo)高-427～-564m，對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高+95.5～+97.8m，工作面走向長(zhǎng)約1000m，傾向長(zhǎng)152m，煤層厚度5.1～5.5m，煤層傾角平均14°，采煤方法為走向長(zhǎng)壁綜采放頂煤，其中采高3m，頂煤厚度2.3m，全部垮落法管理頂板，工作面內(nèi)鉆孔柱狀(部分)如圖2所示，根據(jù)上覆巖層的賦存特點(diǎn)以及為更清晰的區(qū)分微震事件位置，將其分為直接頂、老頂、砂泥巖互層、厚層泥巖以及上覆巖層。

圖1 初始情況下拾震傳感器布置位置

圖2 1604工作面鉆孔柱狀

2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建及定位精度標(biāo)定

根據(jù)1604工作面的開采特點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)目標(biāo)，選用北京安科興業(yè)公司生產(chǎn)的KJ551高精度微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)中拾震傳感器響應(yīng)頻率范圍0.1～600Hz、靈敏度110V/m/s；常規(guī)情況下微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器圍繞采場(chǎng)，布置在工作面兩回采巷道內(nèi)，對(duì)常規(guī)臺(tái)網(wǎng)初始布置后誤差分布進(jìn)行分析，如圖3所示，監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)平面定位誤差介于12～24m，垂向定位誤差大于20m，不能滿足監(jiān)測(cè)要求；為提高定位精度需對(duì)常規(guī)臺(tái)網(wǎng)布置方案進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)工作面周圍巷道的布置特點(diǎn)，由常規(guī)的兩巷近平面臺(tái)網(wǎng)布置方式轉(zhuǎn)變?yōu)槿锟臻g臺(tái)網(wǎng)布置方式，即傳感器布置于工作面回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷和中間底抽巷，每條巷道布置3個(gè)拾震傳感器，間距80m，頂、底板檢波器間隔布置，如圖1所示，對(duì)優(yōu)化后的誤差分布進(jìn)行分析，如圖3(b)、3(d)所示，監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)平面誤差和垂直誤差均在10m以內(nèi)，根據(jù)誤差分析結(jié)果在臺(tái)網(wǎng)布置方式上選用三巷布置。

圖3 誤差分析

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成安裝后，分別于工作面回風(fēng)巷坐標(biāo)(38448399.705，3911209.700，-454.5)和運(yùn)輸巷坐標(biāo)(38448381.205，3911038.058，-455.0)位置處進(jìn)行標(biāo)定炮標(biāo)定，相對(duì)應(yīng)時(shí)刻微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析得到回風(fēng)巷微震事件坐標(biāo)為(38448401.436，3911210.356，-448.252)，對(duì)比實(shí)際位置后水平誤差1.68m，垂直誤差6.25m；分析得到運(yùn)輸巷微震事件坐標(biāo)(38448381.684，3911033.788，-451.793)，對(duì)比實(shí)際位置后水平誤差4.30m，垂直誤差3.21m。兩次精度標(biāo)定結(jié)果表明定位誤差均在10m以內(nèi)，滿足定位精度方面的需要。

3 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

工作面在回采過程中對(duì)上覆巖層的影響可分為非充分采動(dòng)影響和充分采動(dòng)影響，一般在回采初期時(shí)上覆巖層處于非充分采動(dòng)影響階段，頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度未達(dá)到峰值，因此為盡可能精確計(jì)算導(dǎo)水裂隙帶高度，選取回采通尺200～220m段(“見方”后階段頂板巖層已充分采動(dòng)影響)煤層頂板內(nèi)的微震事件進(jìn)行分析。工作面推進(jìn)到通尺138m處時(shí)開始有微震事件定位在通尺200～220m段頂板巖層內(nèi)，前期以低位巖層中的小能量微震事件為主，隨著工作面逐漸推進(jìn)，通尺200～220m段頂板巖層內(nèi)的微震事件逐漸向高位巖層過渡，且事件的能量也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，直到工作面推進(jìn)到通尺275m處時(shí)不再有微震事件定位在通尺200～220m段頂板巖層內(nèi)，期間通尺200～220m段頂板巖層內(nèi)共產(chǎn)生微震事件269個(gè)，頂板各巖層的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)表1中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，通尺200～220m段直接頂巖層中微震事件頻次占比41.6%，老頂巖層中微震事件頻次占比27.9%，而距離煤層頂板大于30m的巖層中微震事件頻次占比僅為8.9%；由圖4可知每米厚巖層微震事件頻次和能量隨巖層距煤層頂板距離的增大而降低，直接頂巖層微震事件頻次密度以及能量密度都處于峰值，以上數(shù)據(jù)表明低位頂板的破壞程度遠(yuǎn)大于高位頂板。由表1微震事件平均能量統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，老頂(細(xì)粒砂巖)在破壞過程中產(chǎn)生的微震事件平均能量最高，砂、泥巖互層強(qiáng)度次之，直接頂(砂質(zhì)泥巖)再次之，厚層泥巖平均能量最小，由于細(xì)粒砂巖強(qiáng)度大于砂、泥巖互層強(qiáng)度大于砂質(zhì)泥巖強(qiáng)度大于泥巖強(qiáng)度，反映出強(qiáng)度高的巖體在破壞過程中釋放的能量更多。

表1 通尺200～220m段頂板微震事件在各巖層內(nèi)的分布情況

圖4 頂板各巖層每米厚度內(nèi)微震事件頻次及能量變化

圖5 通尺200～220m段頂板微震事件剖面分布圖

通尺200～220m段頂板微震事件剖面分布情況如圖5所示，可知微震事件在工作面傾向剖面的分布整體呈鈍三角形狀，其中大部分事件分布在工作面范圍內(nèi)頂板巖層中，其余分布在工作面兩側(cè)約30m范圍頂板中。從微震事件積聚程度分析，工作面回風(fēng)巷外側(cè)直接頂內(nèi)微震事件積聚程度高，因工作面回風(fēng)巷與采空區(qū)之間存在寬約3m的小煤柱，工作面回采過程中小煤柱應(yīng)力集中程度高，造成煤柱上方巖層嚴(yán)重破壞。從大能量事件(大于10000J)分布角度分析，老頂巖層內(nèi)頻次占比達(dá)到42.8%，表明老頂斷裂時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載對(duì)工作面影響最大。

由微震事件點(diǎn)代表的巖體破裂具有離散型，不能較準(zhǔn)確的反映出頂板裂隙帶高度，為精準(zhǔn)的研究頂板巖體的破壞程度及范圍，引入微震事件能量核密度概念，即以微震事件定位坐標(biāo)為圓心，以最大定位誤差為半徑(此處選10m)，把微震事件能量按照二次核函數(shù)進(jìn)行分配，最后把區(qū)域內(nèi)的能量累加得到能量核密度云圖，上述計(jì)算方式在對(duì)巖體破壞程度和范圍進(jìn)行量化計(jì)算時(shí)，在符合微震事件定位坐標(biāo)最接近于巖體破壞核心位置的認(rèn)知基礎(chǔ)上，又考慮到了定位誤差的影響，最終得到釋放彈性能巖體的分布范圍，彈性能的釋放代表著巖體已發(fā)生破壞產(chǎn)生裂隙，基于破壞區(qū)域在縱向上與采場(chǎng)連通情況則可判斷出頂板導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度。

根據(jù)上述方法計(jì)算出通尺200～220m頂板微震事件能量核密度值分布情況如圖6所示，直接頂和老頂范圍內(nèi)能量密度值均大于100J/m2，砂、泥巖互層范圍內(nèi)能量密度值處于30～100J/m2之間，厚層泥巖范圍內(nèi)能連密度值處于于0～60J/m2之間；從破壞區(qū)域的連續(xù)性來看整體呈“鈍三角形”，工作面中部頂板巖層連續(xù)性破壞高度最高，距煤層頂板距離約75m，從而基于微震監(jiān)測(cè)結(jié)果認(rèn)為1604工作面的導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度約為75m。

圖6 通尺200～220m段頂板微震事件能量核密度值剖面分布圖

4 導(dǎo)水裂隙帶動(dòng)態(tài)發(fā)育過程數(shù)值模擬研究

為進(jìn)一步研究頂板導(dǎo)水裂隙帶隨工作面推進(jìn)的動(dòng)態(tài)發(fā)育過程，采用數(shù)值模擬的手段，以1604工作面地質(zhì)情況為背景建立模型，對(duì)采全高情況下頂板塑性區(qū)的演化規(guī)律進(jìn)行研究。模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=300m×200m×140m，其中模型中頂板巖層厚91m，煤層厚5m，底板巖層厚44m，模型中煤層埋深約540m，在模型上部施加11.5MPa的應(yīng)力邊界模擬上覆巖層自重荷載，模型前后左右邊界約束水平位移，底部邊界約束垂向位移，為消除邊界效應(yīng)給計(jì)算帶來的影響，沿X軸方向開采區(qū)域?yàn)?0～270m(沿煤層走向共推進(jìn)240m)，沿Y軸方向開采區(qū)域?yàn)?5～175m(工作面長(zhǎng)度150m)，采高5m。

模型符合摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則，各煤巖層的物理力學(xué)參數(shù)見表2。首先進(jìn)行初始平衡計(jì)算，當(dāng)最大不平衡力比率小于10-6時(shí)認(rèn)為模型達(dá)到平衡狀態(tài)，然后進(jìn)行開挖，本次模擬設(shè)計(jì)每次回采10m，共計(jì)開挖24次。

表2 模型中各巖層物理力學(xué)參數(shù)

工作面推進(jìn)200m后圍巖塑性破壞區(qū)域分布情況(沿走向剖面)如圖7所示，不同回采進(jìn)度下頂板最大塑性破壞高度的變化曲線如圖8所示。

圖7 工作面推進(jìn)200m后圍巖塑性區(qū)域分布圖

圖8 頂板塑性區(qū)高度隨推進(jìn)度的變化情況

煤層開采之后，工作面圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力重新分布并在局部區(qū)域集中，當(dāng)巖體所受應(yīng)力大于自身強(qiáng)度時(shí)便發(fā)生塑性破壞，承載能力降低，其所受應(yīng)力向深部傳遞，塑性破壞區(qū)域也向高-深處發(fā)展，知道巖體自身強(qiáng)度能夠位置其所受應(yīng)力位置。由模擬結(jié)果圖8可知，1604工作面頂板巖層的最大塑性破壞高度隨著工作面的推進(jìn)呈遞增的趨勢(shì)。通尺0～10m段回采過程中頂板巖層的塑性破壞高度約為2m，主要為直接頂砂質(zhì)泥巖，其強(qiáng)度低、自承能力低，以張拉破壞為主；通尺20～30m段回采過程中頂板塑性破壞高度達(dá)到13m，老頂細(xì)粒砂巖發(fā)生破斷，也反映出工作面老頂?shù)某醮蝸韷翰骄嘣?0～30m之間；通尺30～50m段回采過程中頂板塑性破壞高度未隨著工作面的推進(jìn)而進(jìn)一步增加，而是穩(wěn)定在13m高度(即老頂?shù)纳辖缑嫖恢?，認(rèn)為導(dǎo)致這種情況出現(xiàn)的原因?yàn)槔享斏戏郊s6m厚的砂質(zhì)泥巖層為一層亞關(guān)鍵層，其對(duì)上覆圍巖活動(dòng)具有一定的控制承載能力；通尺50～200m段回采過程中，頂板塑性破壞高度隨工作面推進(jìn)度的增加而增加，兩者之間呈近似線性關(guān)系，頂板塑性破壞高度由13m增加到71m；在隨后的200～240m段回采過程中頂板塑性破壞高度始終穩(wěn)定在71m，進(jìn)一步表明此高度即為工作面頂板塑性破壞高度的峰值。

由圖8可知，工作面推進(jìn)到通尺200m處時(shí)，頂板塑性區(qū)分布整體呈“馬鞍”形，即切眼位置處和當(dāng)前工作面位置處上方頂板塑性破壞高度最大，兩位置處頂板塑性區(qū)以剪切破壞為主，其他采空區(qū)上覆頂板塑性區(qū)以張拉破壞為主。對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果綜合分析認(rèn)為1604工作面在推進(jìn)到距切眼約200m時(shí)，頂板導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到峰值，約為71m，與微震監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。

5 結(jié) 論

1)根據(jù)古漢山礦1604工作面的巷道布置及開采特點(diǎn)，制定了微震臺(tái)網(wǎng)三巷空間布置方案，通過對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的誤差分布進(jìn)行分析，得到平面和垂向定位誤差均在10m以內(nèi)，滿足監(jiān)測(cè)需要。

2)基于圍繞1604放頂煤工作面構(gòu)建的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)，分析結(jié)果表明：工作面直接頂、老頂?shù)钠茐某潭冗h(yuǎn)大于其上覆巖層，頂板的連續(xù)破壞區(qū)域整體呈“鈍三角形”，導(dǎo)水裂隙帶的發(fā)育高度約為75m。

3)通過采用數(shù)值模擬軟件，對(duì)1604工作面采動(dòng)影響下頂板動(dòng)態(tài)破壞規(guī)律進(jìn)行分析認(rèn)為：老頂上方的砂質(zhì)泥巖層為亞關(guān)鍵層，其對(duì)上覆圍巖活動(dòng)具有一定的控制承載能力；工作面頂板塑性破壞高度隨著工作面的推進(jìn)呈遞增的趨勢(shì)，推進(jìn)到距切眼約200m時(shí)，頂板導(dǎo)水裂隙帶高度達(dá)到峰值，約為71m，與微震監(jiān)測(cè)結(jié)果較一致。