李延輝

（鄂爾多斯市國(guó)源礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司）

隨著煤炭資源的持續(xù)開采，我國(guó)大型煤炭生產(chǎn)基地開始向西部轉(zhuǎn)移。西部地區(qū)煤層具有厚度大、分布廣的特點(diǎn)［1］，但厚煤層開采導(dǎo)致圍巖破壞范圍較大，若破碎帶發(fā)育高度延伸至富水巖層，則容易引發(fā)礦井水害事故。另一方面，西部地區(qū)生態(tài)環(huán)境較脆弱，礦井水害將導(dǎo)致水資源流失加重，生態(tài)環(huán)境破壞加?。?］。

目前煤層開采頂?shù)装鍘r層破壞范圍現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)主要采用物探監(jiān)測(cè)［3］、光線監(jiān)測(cè)［4］、鉆孔雙端封堵測(cè)漏［5］、鉆孔成像觀測(cè)［6］等手段。這些方法對(duì)于中薄煤層開采巖層破壞范圍監(jiān)測(cè)效果較好，但將其應(yīng)用到特厚煤層開采導(dǎo)致的頂?shù)装甯矌r破壞范圍及深度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)往往受到局限。微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是指在礦井巷道內(nèi)布設(shè)傳感器，通過監(jiān)測(cè)圍巖破壞釋放的能量，并以此為依據(jù)推算出震源的震級(jí)、位置等特征［7-8］，是一種集信息化、智能化、可視化于一體的動(dòng)力監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠監(jiān)測(cè)大深度圍巖破壞范圍［9］。近年來，眾多專家、學(xué)者利用微震監(jiān)測(cè)取得了豐碩成果。左秋玲等［10］通過微震裂縫參數(shù)反演了深部礦井?dāng)嗔褞Ш涂迓鋷ЫY(jié)構(gòu)發(fā)育規(guī)律。辛崇偉等［11］研發(fā)了礦內(nèi)—礦間微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，擴(kuò)大了監(jiān)測(cè)范圍，提高了定位精度。楊尚歡等［12］對(duì)采動(dòng)條件下圍巖破壞區(qū)域進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)研究，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圍巖維護(hù)提供了有效依據(jù)。李響等［13］基于微震監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到了較精確的煤層頂板導(dǎo)水裂縫帶發(fā)育高度。

本研究以龍王溝煤礦61605工作面為例，采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)工作面煤層開采頂?shù)装鍘r層破壞范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)。旨在查明煤層頂?shù)装鍑鷰r破壞深度，分析煤層開采圍巖破壞特征，以期為特厚煤層開采頂?shù)装鍘r層破壞特征研究及水害防治提供參考和依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

龍王溝煤礦位于華北板塊鄂爾多斯盆地東北邊緣的準(zhǔn)格爾煤田，地處黃土高原中部。目前主要開采6煤層，其頂板含水層主要有下石盒子組（P1x）、山西組（P1s）和太原組（C2t）砂巖孔隙裂隙含水層，均為弱富水性，山西組砂巖裂隙含水層局部地區(qū)富水性中等，為礦井開采頂板淋水的主要來源。底板含水層主要為奧陶系（O）灰?guī)r含水層。

61605工作面位于61盤區(qū)北翼東側(cè)，底板標(biāo)高為838.8～857.2 m。工作面采用綜采放頂煤采煤法，推采長(zhǎng)度約為1 156 m，切眼長(zhǎng)度為255 m，開采面積約0.3 km2，煤層平均厚度為23.1 m。屬于特厚煤層開采，煤層頂?shù)装宀蓜?dòng)破壞深度大，若導(dǎo)通含水層則易引發(fā)礦井突水事故，亟需對(duì)工作面頂?shù)装鍘r層破壞發(fā)育特征進(jìn)行研究。

2 采場(chǎng)頂?shù)装鍘r層變形破壞微震響應(yīng)特征

2.1 工作面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置

煤巖體是一種應(yīng)力介質(zhì)，在發(fā)生破壞過程中伴隨著能量的釋放，微震則是能量釋放過程的物理效應(yīng)之一［13］。煤層開采過程中，頂?shù)装鍘r層會(huì)發(fā)生變形破壞，范圍不斷擴(kuò)大，符合微震監(jiān)測(cè)的要求，因此可以通過監(jiān)測(cè)微震事件的時(shí)空分布特征來確定煤巖體圍巖的破壞深度。龍王溝煤礦61605工作面共布設(shè)檢波器12個(gè)，主要布置在巷道的頂?shù)装鍘r層上。圖1為微震系統(tǒng)傳感器布置方案。

2.2 微震事件與工作面采動(dòng)的關(guān)系

2.2.1 頻次及平均能量分布

微震事件頻次和平均能量分布可以反映圍巖破壞的頻率和圍巖釋放能量的多少。收集自2020年9月16日—12月15日這4個(gè)月內(nèi)工作面微震事件發(fā)生頻次及平均能量。隨著工作面向前推進(jìn)，微震事件總頻次呈下降趨勢(shì)，主要表現(xiàn)在煤層位置頻次下降明顯，頂板頻次逐漸增多，底板頻次變化不大（圖2）。微震事件平均能量表現(xiàn)為底板能量逐漸減小，而煤層和頂板則能量逐漸增大（圖3）。

2.2.2 與工作面推進(jìn)的關(guān)系

每日的微震數(shù)據(jù)指標(biāo)隨進(jìn)尺的變化情況如圖4所示，圖4（a）～（d）分別表示8月18日—9月15日、9月16日—10月15日、10月16日—11月15日、11月16日—12月15日期間微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，推進(jìn)速度越快，放頂煤和圍巖的破壞范圍越大，微震事件數(shù)和能量也越大；當(dāng)工作面推進(jìn)速度放緩時(shí)，放頂煤和圍巖的破壞范圍和程度相應(yīng)降低，微震事件數(shù)和能量相對(duì)降低。

3 煤層頂?shù)装鍘r層破壞帶范圍確定

3.1 頂板裂縫帶發(fā)育高度分析

3.1.1 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

由前述分析可知，工作面推進(jìn)速度與微震頻次及能量釋放密切相關(guān)。61605工作面8月16日—12月15日這4個(gè)月的月推進(jìn)長(zhǎng)度分別為107.5，106，102.4，108 m，推進(jìn)長(zhǎng)度相近。因此以11月16日—12月15日為例，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

工作面開采期間，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到該工作面及周邊區(qū)域的有效微震事件共2 355個(gè)，圍巖釋放總能量為1.99×106J。依據(jù)微震事件能量釋放大小，將其換分為小能量事件（E＜103J）、較小能量事件（103J＜E＜104J）、中等能量事件（104J＜E＜2×104J）、較高能量事件（2×104J＜E＜105J）、高能量事件（E＞105J），各種能量事件平面分布見圖5?？梢钥闯鲰?shù)装逦⒄鹗录植季蕳l帶狀沿開采位置向兩側(cè)延伸，且高能量事件主要分布在工作面范圍內(nèi)，其中在主運(yùn)順槽兩側(cè)微震事件的密度較大。

微震事件剖面分布圖（圖6）表明，煤層以上195 m以內(nèi)存在微震事件，煤層以上142 m范圍裂隙發(fā)育相對(duì)較強(qiáng)。微震事件分布呈圓拱形分布，且高能量事件靠近工作面集中分布。

3.1.2 頂板導(dǎo)水裂縫帶經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算

工作面采用綜采放頂煤采煤法，煤厚20.80～24.95 m、平均為23.10 m，對(duì)于采煤厚度大于12 m的綜放開采工作面，現(xiàn)階段無“兩帶”高度計(jì)算公式，參考“三下規(guī)范”［14］中的中硬巖地區(qū)厚煤層分層開采的導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算公式（式（1）），計(jì)算得出導(dǎo)水裂縫帶最大高度為106.12 m。

式中，Hf為最大發(fā)育高度，m；∑M為累計(jì)采厚，m。

參考《煤礦防治水手冊(cè)》［15］經(jīng)驗(yàn)公式（式（2）），計(jì)算得出導(dǎo)水裂縫帶最大高度為190.75 m。

式中，Hl為最大發(fā)育高度，m；M為煤層有效采厚，m。

綜合考慮61601工作面地面塌陷實(shí)際、微震檢測(cè)和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果，確定導(dǎo)水裂縫帶最大高度為195 m，其中142 m高度內(nèi)裂隙發(fā)育相對(duì)較強(qiáng)。結(jié)合礦區(qū)地層分析，頂板導(dǎo)水裂縫帶主要溝通山西組和下石盒子組的砂巖裂隙含水層。

3.2 底板破壞帶深度分析

由微震事件剖面分布圖（圖5）可知，該區(qū)域底板破壞深度小于14 m。底板出現(xiàn)一條微震事件和能量均聚集分布的帶狀破壞異常區(qū)，延展深度達(dá)196.8 m，推斷該處底板可能存在面狀裂隙帶；底板微震事件平面圖顯示，主運(yùn)順槽兩側(cè)微震事件的密度較大，呈異常區(qū)集中分布，推測(cè)底板可能存在異常破碎帶。在微震監(jiān)測(cè)圈定的底板異常區(qū)域，破壞深度延伸至奧灰含水層，需進(jìn)一步打鉆驗(yàn)證，并開展破壞帶導(dǎo)水性探查。

4 結(jié)論

（1）以龍王溝煤礦61605工作面為例，深入分析微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到了工作面開采過程中圍巖微震事件時(shí)空分布規(guī)律；推進(jìn)速度越快，圍巖的破壞范圍越大，微震事件頻數(shù)和能量也越大；隨著工作面推進(jìn)，微震事件總頻次呈下降趨勢(shì)；平均能量表現(xiàn)為底板逐漸減小，煤層和頂板逐漸增大。

（2）煤層頂板微震事件分布呈圓拱形，且高能量事件靠近工作面集中分布。推斷導(dǎo)水裂縫帶最大發(fā)育高度為195 m，煤層以上142 m范圍裂隙發(fā)育較強(qiáng)。

（3）底板微震事件分布較淺，破壞深度小于14 m；監(jiān)測(cè)到一條微震事件和能量均聚集分布的帶狀破壞異常區(qū)，延展深度達(dá)196.8 m，推斷為面狀裂隙帶。為了查明與奧灰含水層的連通性，應(yīng)開展導(dǎo)水性探查。