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        綜放孤島工作面底板破壞微震規(guī)律分析

        2023-05-30 09:13:52王國舉
        煤炭與化工 2023年4期
        關(guān)鍵詞:微震采動煤柱

        陳 龍,王國舉

        (1. 冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司 東龐礦,河北 邢臺 54000;2.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司,河北 邢臺 054000;3. 河北省礦井微震重點實驗室,河北 邢臺 054000)

        我國煤炭生產(chǎn)過程中受水害威脅嚴(yán)重,隨著機械自動化程度的增加,受來自工作面底板下的高水頭承壓水的威脅日益顯現(xiàn)。在我國華北地區(qū),石炭二迭系煤田是最重要的煤炭產(chǎn)區(qū)之一,上部煤層所剩儲量已經(jīng)不多,紛紛進(jìn)入下組煤開采階段,下組煤位于水量豐富的奧灰含水層或太原群灰?guī)r含水層之上,中間隔水層厚30~100 m,時常發(fā)生底板突水事故,專家、學(xué)者、現(xiàn)場工程師進(jìn)行了該方面的研究[1-5]。為了煤炭的回收利用,許多礦井存在孤島工作面,孤島型工作面具有煤柱兩側(cè)臨空,且巷道煤柱應(yīng)力集中程度高的特點,進(jìn)一步加大了底板突水威脅。以東龐礦北井9222 孤島工作面作為研究對象,應(yīng)用KJ1073 監(jiān)測系統(tǒng)對工作面進(jìn)行實時、動態(tài)的監(jiān)測,對采動過程中的底板破壞深度發(fā)育規(guī)律進(jìn)行分析,為工作面安全回采提供依據(jù)。

        1 工程概況

        北井位于東龐井田西部,隸屬于冀中能源股份有限公司東龐礦,開采9 號煤,為東龐礦下組煤試采區(qū)。東龐礦北井9222 工作面為9200 采區(qū)二期探巷煤柱工作面,布置如圖1 所示,南鄰9208、9210、9212 工作面,開采方向背向9222 工作面,北鄰9214、9216 工作面,朝向9222 工作面,西鄰九f22 斷層,東鄰九f20 斷層。9222 工作面為煤柱面,面內(nèi)存在多條老巷。9222 試采工作面長67 m,回采后退距離204 m,采放總高6.9 m,工作面埋深221.9~303.9 m,9 號煤底板至奧灰頂界面距離為41~46 m,均為43 m,9 號煤底板隔水層承受奧灰水壓2.14~2.96 MPa,突水系數(shù)0.05~0.07 MPa/m。

        圖1 9222 工作面布置Fig.1 The layout of No.9222 fac

        為了該工作面的安全回采,對底板進(jìn)行注漿加固,與煤層底板隔水巖層形成統(tǒng)一的阻水體,在增強隔水巖層阻水能力的同時,降低直至消除薄層灰?guī)r巖溶裂隙水的導(dǎo)升裂隙發(fā)育高度。工作面底板注漿加固鉆孔按全面加固工作面底板隔水層的原則進(jìn)行設(shè)計,均勻布孔,并且加固到工作面外側(cè)60 m,一般情況下,采用漿液擴(kuò)散半徑不大于20 m,從底板裂隙發(fā)育程度及富水性考慮,重點區(qū)域要適當(dāng)加大底板注漿孔密度,采用漿液擴(kuò)散半徑不大于15 m,鉆孔終孔層位為進(jìn)入奧灰垂深10~15 m。

        2 微震監(jiān)測方案

        煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)該系統(tǒng)主要包括微震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和基于遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奈⒄饠?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。9222 工作面主要面臨底板奧灰水及隱伏構(gòu)造的威脅,采用KJ1073 煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng),微震檢波器布置于9222 工作面底板,為確保監(jiān)測效果,結(jié)合9222 工作面現(xiàn)場情況采用包圍式方式構(gòu)建微震監(jiān)測系統(tǒng),微震檢波器共計7個,皮帶巷4 個,軌道巷3 個,交叉布置在兩巷底板中,埋設(shè)孔深為9 m,檢波器間距80~100 m。為利于生產(chǎn)過程中對檢波器的維護(hù),檢波器鉆孔均布置在運料巷和運輸巷外幫底板,檢波器線纜在外幫懸掛。

        3 微震監(jiān)測結(jié)果分析

        3.1 微震事件發(fā)育深度分析

        通過對9222 工作面的實時監(jiān)測處理,在整個監(jiān)測周期內(nèi),共監(jiān)測微震事件30 473 個,其中底板微震事件15 758 個,依據(jù)微震事件的空間位置對其進(jìn)行投影,得到了微震事件的剖面圖如圖2 所示,并對監(jiān)測到的底板微震事件按深度進(jìn)行統(tǒng)計分析,見表1。

        表1 微震事件發(fā)育深度占比Table 1 The proportion of microseismic events development depth

        圖2 微震事件的垂向平面圖Fig.2 Virtical plane of microseismic events

        從圖2 中發(fā)現(xiàn),微震事件隨著底板深度的增加呈現(xiàn)減少的趨勢,據(jù)統(tǒng)計微震事件主要發(fā)育在底板15 m 以淺,累計占比為92.64%;25 m 以淺累計占比為99.21%;其中15~20 m、20~25 m 兩區(qū)段的事件數(shù)分別增加了4.72%與1.82%;25 m 以深的微震事件頻次占比僅增加了0.54%與0.19%。因此,開采形成底板最大破壞發(fā)育深度為20~25 m,與該礦其它工作面相比,破壞深度增大。結(jié)合煤層底板巖性組合特征分析,如9202c 破壞深度為16 m以淺,發(fā)育層位未突破本溪灰?guī)r,而9222 工作面底板采動裂隙已發(fā)育至本溪組灰?guī)r含水層下部,分析原因主要是該工作面為孤島工作面,受周邊采空區(qū)的作用及本工作面采動擾動應(yīng)力的共同作用,產(chǎn)生應(yīng)力集中,底板破壞深度加大,但未超過注漿層位,微震監(jiān)測結(jié)果顯示本溪灰?guī)r一定程度上阻止了底板采動裂隙向下延伸。

        3.2 微震事件分布不均衡性分析

        在對9222 工作面在采動過程中的微震事件進(jìn)行展布,如圖3 所示。從圖上可以發(fā)現(xiàn),微震事件主要集中在9222 工作面內(nèi),工作面兩側(cè)微震事件呈現(xiàn)不均衡狀態(tài),左側(cè)是9208、9210、9212 工作面采空區(qū),微震事件分布距離工作面皮帶巷的距離是42 m,事件整體分布相對比較均衡,隨著離皮帶巷的距離的增大,微震事件由密集變的分散。右側(cè)是9214、9216 工作面采空區(qū),微震事件分布距離工作面皮帶巷的距離是55 m,微震事件密集區(qū)域主要集中9214、9216 保護(hù)煤柱影響范圍區(qū)內(nèi),分析原因是:①工作面朝向9222 工作面回采,所留的保護(hù)煤柱受9214、9216 工作面回采過程中的超前支承壓力的影響,圍巖遭受到一定程度的破壞,再經(jīng)過9222 工作面采動擾動應(yīng)力疊加的作用,產(chǎn)生應(yīng)力集中,保護(hù)煤柱下方的底板壓縮變形破壞,巖石產(chǎn)生微破裂,微震事件的密集程度增大;②9208、9210、9212 工作面采空區(qū)穩(wěn)定時間長,采動對其的影響程度弱于9214、9216工作面,在未采動時,采空區(qū)處于相對穩(wěn)定的狀態(tài),一旦采動打破了原有的平衡,采空區(qū)穩(wěn)定程度決定了其破壞程度。注漿到工作面外側(cè)60 m,大于微震事件兩側(cè)的分布范圍,可以保證工作面的安全回采。

        圖3 底板微震事件分布圖Fig.3 The distribution of floor microseismic events

        3.3 微震事件分布與采動位置的關(guān)系分析

        本灰到奧灰微震事件分布如圖4 所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn),在9222 工作面采線60 m 范圍以內(nèi),深部事件本灰到奧灰頂微震事件零散分布在工作面周圍;到工作面采線60 m 位置外,本灰到奧灰頂微震事件增多,微震發(fā)育深度增加,主要分布在工作面內(nèi)及9214、9216 保護(hù)煤柱范圍內(nèi)。分析在工作面回采初期,底板破壞程度較小,微震事件發(fā)育深度較?。浑S著工作面的回采,工作面推進(jìn)長度越大,底板破壞充分,微震事件的發(fā)育深度增加,當(dāng)工作面推進(jìn)長度達(dá)到60 m 時,底板整體破壞范圍及深度增加。

        圖4 本灰到奧灰微震事件分布圖Fig.4 The distribution of microseismic events from Benxi limestone to Ordovician limestone

        4 結(jié) 論

        通過對東龐礦9222 工作面采動全過程進(jìn)行了連續(xù)、動態(tài)監(jiān)測,實現(xiàn)了安全回采,得出以下結(jié)論。

        (1) 9222 工作面在回采過程中,微震事件隨著底板深度的增加呈現(xiàn)減少的趨勢,底板最大破壞發(fā)育深度為20~25 m。

        (2) 微震事件主要集中在9222 工作面內(nèi),工作面兩側(cè)微震事件呈現(xiàn)不均衡狀態(tài),分布范圍分別為42 m、55 m,小于注漿范圍,注漿范圍60 m 能夠有效保證工作面安全回采。

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