穆永剛

(山西鑫飛能源投資集團(tuán)有限公司 山西 呂梁 033300)

經(jīng)過(guò)大量的研究,突涌水地壓發(fā)生機(jī)理已趨于清晰。從力學(xué)本質(zhì)上講,突涌水地壓是特定地質(zhì)賦存條件下的煤巖體系統(tǒng)由于采礦活動(dòng)在變形破壞過(guò)程中能量的穩(wěn)定態(tài)積聚、非穩(wěn)定態(tài)釋放的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)過(guò)程,是其外部荷載環(huán)境、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及其物理力學(xué)性質(zhì)的綜合反映,具有明顯的時(shí)空演化特征[1]。在豐富的發(fā)生機(jī)理理論研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步推進(jìn)了突涌水地壓的預(yù)測(cè)預(yù)警機(jī)制研究。

而突涌水地壓的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)預(yù)警可為現(xiàn)場(chǎng)采取措施避免災(zāi)害的發(fā)生提供依據(jù)[2]。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用最多的突涌水地壓監(jiān)測(cè)預(yù)警方法主要有:電磁輻射法、微震法、地音法、應(yīng)力監(jiān)測(cè)法及鉆屑法[3-7]。鉆屑法和應(yīng)力監(jiān)測(cè)法屬于接觸式探測(cè)方法,需要進(jìn)行鉆孔工程,打鉆費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且限于鉆孔數(shù)量,探測(cè)范圍十分有限。目前國(guó)內(nèi)外常用電磁輻射法、微震法和地音法(聲發(fā)射)等非接觸式的突涌水地壓監(jiān)測(cè)技術(shù)手段進(jìn)行突涌水地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警。微震法和地音法通過(guò)在頂板、煤層和底板中布置探頭(或拾震器)并實(shí)時(shí)采集煤巖體在應(yīng)力作用下發(fā)生破壞而產(chǎn)生的應(yīng)力波,可實(shí)時(shí)接收并保存煤巖震動(dòng)信號(hào),從而為突涌水地壓危險(xiǎn)預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

山西某礦采掘活動(dòng)逐漸向煤層埋藏深部轉(zhuǎn)移,存在地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū),且受煤柱寬度和回采擾動(dòng)等開(kāi)采因素影響,具有一定的突涌水危險(xiǎn)性,采掘過(guò)程中,突涌水給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)威脅。4上煤層作為4煤層的保護(hù)層進(jìn)行開(kāi)采,有必要在上覆煤層開(kāi)采后對(duì)4煤層工作面回采期間突涌水活動(dòng)規(guī)律及防治方案進(jìn)行總結(jié),為后續(xù)研究并建立適合礦井的突涌水管理體系、規(guī)劃體系、評(píng)價(jià)體系、監(jiān)測(cè)體系、防治設(shè)計(jì)體系、效果檢驗(yàn)體系相結(jié)合的“六位一體”的防治體系提供技術(shù)支撐,并指導(dǎo)礦井下一步防沖工作。

1 工作面概況

目前礦井采掘工作面分別位于401(411)、402(412)和 403 采區(qū),4 煤大巷將 401 采區(qū)分為東西兩翼,兩翼均已開(kāi)采。40111采區(qū)西翼共設(shè)計(jì)4個(gè)回采工作面,即 40105工作面、40107工作面、40109工作面、40111工作面,采區(qū)內(nèi)順序回采。40111工作面為第4個(gè)回采工作面,即最后一個(gè)回采工作面,具體工作面布置如圖1所示。

圖1 40111工作面布置示意

40111工作面東部為4煤大巷保護(hù)煤柱,西部 4上煤為 41201工作面采空區(qū),4 煤為未采區(qū)(距采區(qū)邊界18 m),北側(cè)為40109 工作面采空區(qū),本煤層區(qū)段煤柱留設(shè)寬度48 m,南側(cè)為西部大巷保護(hù)煤柱,上覆41106 工作面采空區(qū),回順(上巷)內(nèi)錯(cuò)13.1 m,運(yùn)順(下巷)外擴(kuò)42.5 m,上下煤層層間距平均20 m.4煤層上距4上煤層0.80～45.55 m,平均17.05 m.4上煤層平均厚度2.88 m,4 煤層厚度平均為11.65 m,二者均為弱突涌水傾向煤層,其頂板均具有弱突涌水傾向,但 4上煤層埋藏更淺,且厚度更薄,為便于4煤層的巷道維護(hù)和突涌水地壓防治,保護(hù)層應(yīng)選擇4上煤層,但在上下煤層工作面聯(lián)合開(kāi)采時(shí)應(yīng)注意工作面切眼、停采線(xiàn)和區(qū)段煤柱的空間位置,避免或減小4上煤層開(kāi)采后的應(yīng)力增高區(qū)域?qū)?煤層的影響。4上煤層開(kāi)采后,其采空區(qū)底板應(yīng)力重新分布形成應(yīng)力卸壓區(qū),遺留區(qū)段煤柱處底板應(yīng)力在側(cè)向支撐壓力及采動(dòng)頂板共同作用下沿一定角度向底板深部傳播并形成應(yīng)力增高區(qū)域,下伏4煤層開(kāi)采前,遺留區(qū)段煤柱下方被原巖應(yīng)力等值線(xiàn)包絡(luò)的區(qū)域應(yīng)力將有一定集中,造成誘發(fā)突涌水地壓的能量源頭,直接影響突涌水的作用機(jī)制。

2 微震監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)與布置

2.1 微震監(jiān)測(cè)原理

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能是對(duì)全礦范圍進(jìn)行突涌水地壓的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),是一種區(qū)域性監(jiān)測(cè)方法。系統(tǒng)自動(dòng)記錄微震活動(dòng),實(shí)時(shí)進(jìn)行震源定位、微震能量計(jì)算和防治措施評(píng)估,為評(píng)價(jià)全礦范圍內(nèi)的突涌水地壓危險(xiǎn)提供依據(jù)。

2.2 微震監(jiān)測(cè)方案布置

在40111工作面內(nèi),微震系統(tǒng)至少布置4個(gè)微震監(jiān)測(cè)傳感器(探頭、拾震器),地音系統(tǒng)布置4個(gè)地音探頭。微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置原則為:探頭之間距離200～500 m,探頭與拾震器之間的距離500～800 m.地音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的布置原則為:探頭成對(duì)使用,相互距離80 m,距離工作面不小于 30 m.微震探頭布置方案如圖2所示。

圖2 40111工作面回采期間微震布置圖

圖3 微震活動(dòng)垂直方向活動(dòng)統(tǒng)計(jì)

2.3 微震預(yù)警指標(biāo)

微震監(jiān)測(cè)指標(biāo)常用于表征巖體損傷,通過(guò)不斷進(jìn)行工程實(shí)踐,并結(jié)合實(shí)際礦井開(kāi)采條件,確定適合本礦自身?xiàng)l件的微震監(jiān)測(cè)的閾值。確定當(dāng)工作面監(jiān)測(cè)預(yù)警出現(xiàn)以下情況之一時(shí),工作面進(jìn)入相應(yīng)危險(xiǎn)狀態(tài)。按監(jiān)測(cè)預(yù)警等級(jí)將突涌水地壓危險(xiǎn)狀態(tài)分為 4種,采掘活動(dòng)過(guò)程中針對(duì)不同危險(xiǎn)等級(jí)采取對(duì)應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施:①正常生產(chǎn);②正常生產(chǎn),加強(qiáng)監(jiān)測(cè);③停止生產(chǎn),人員撤離危險(xiǎn)地點(diǎn),開(kāi)展解危措施,檢驗(yàn)結(jié)果低于臨界值,確認(rèn)危險(xiǎn)解除后恢復(fù)生產(chǎn);④停止生產(chǎn),人員撤離危險(xiǎn)地點(diǎn),待危險(xiǎn)等級(jí)降至c級(jí)或分析其它監(jiān)測(cè)手段無(wú)危險(xiǎn)后采取解危措施,檢驗(yàn)結(jié)果低于臨界值,確認(rèn)危險(xiǎn)解除后恢復(fù)生產(chǎn),具體的突涌水地壓危險(xiǎn)的微震監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)如表1所示。

表1 突涌水地壓危險(xiǎn)的微震監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)

3 微震活動(dòng)規(guī)律分析

3.1 微震事件發(fā)生基本情況

40111工作面微震事件周期選取2020-07-18—2021-08-31整個(gè)回采期間,40111工作面共推進(jìn)約1 745 m.對(duì)該期間40111工作面范圍的微震數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,工作面范圍內(nèi)共有38 131個(gè)有效微震事件,總能量為1.8×107J,平均能量為4.6×102J,最大能量為8.7×103J.

40111工作面回采期間微震事件均小于4次方,特征上總體表現(xiàn)為高頻次、低能量。“高頻低能”的能量釋放形式主要由于回采前和回采中采取的大量卸壓措施在煤層內(nèi)形成大量裂隙,導(dǎo)致能量逐漸釋放。3次方微震事件大部分發(fā)生在工作面末采期間(2021年7月、8 月),相比其他回采工作面,證明了4上煤41106工作面保護(hù)層的開(kāi)采起到了較好的卸壓作用。

3.2 微震事件空間分布特征

40111工作面回采期間微震事件空間分布特征從工作面傾向、走向和垂向三個(gè)方面進(jìn)行分析。40111工作面回采期間微震事件在回順和運(yùn)順的分布規(guī)律有著明顯的特征,40111工作面微震事件在傾向上基本均勻分布,以?xún)A向中心為零點(diǎn),在工作面-180～180 m范圍內(nèi);運(yùn)回巷兩側(cè)微震事件超前工作面的距離基本相同。

從工作面開(kāi)始回采至2021年6月9日微震事件主要集中在面前-100～350 m范圍,2021年6月9日工作面累計(jì)推采1 473 m,距離4上煤41106停采線(xiàn)267 m,后續(xù)隨著工作面的回采,微震事件發(fā)生范圍縮小,主要表現(xiàn)為采動(dòng)超前影響范圍減小,距離 41106工作面停采線(xiàn)越近,微震事件越向工作面方向集中,直至工作面回采末期,40111工作面微震事件主要集中在面前-100～100 m范圍。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作面布置和回采情況分析,截至2021年6月9日,工作面累計(jì)推采1 473 m之前,40111工作面在41106采空區(qū)下方回采時(shí),頂板應(yīng)力提前得到釋放,40111工作面在失去保護(hù)層條件下開(kāi)采,微震事件向工作面方向移動(dòng),且發(fā)生的微震范圍較為集中。

將微震活動(dòng)的Z坐標(biāo)做統(tǒng)計(jì)分析,40111工作面在整個(gè)回采過(guò)程中微震活動(dòng)在垂直方向上主要表現(xiàn)為4種特征。其一,工作面面前-200～300 m范圍內(nèi)的微震事件在垂向上發(fā)生在煤層底板至其上方60 m范圍內(nèi);其二,工作面面前0～300 m范圍內(nèi)的部分微震事件在垂向上發(fā)生在煤層上方80～200 m范圍內(nèi);其三,工作面面前300～500 m范圍內(nèi)的微震事件在垂向上隨著距離工作面的距離越遠(yuǎn),影響的高度越低;其四,工作面面前0～250 m范圍內(nèi)的部分微震事件在垂向上發(fā)生在煤層底板下方40 m范圍內(nèi)。

由上述分析可知,40111工作面回采期間低位頂板的能量釋放分布方位較廣,主要在工作面面前-200～300 m范圍,高位頂板的能量釋放主要在工作面面前0～250 m范圍,高位頂板能量的提前釋放,能夠降低工作面附近頂板垮落時(shí)釋放的動(dòng)載荷,同時(shí),高位頂板提前以大能量釋放時(shí),增高了工作面前方300 m范圍內(nèi)的突涌水危險(xiǎn)性。

3.3 40111工作面微震事件與推進(jìn)度關(guān)系分析

40111工作面于2020年7月18日開(kāi)始生產(chǎn),從2020年8月1日開(kāi)始統(tǒng)計(jì),于 2021年8月31日回采完畢,回采長(zhǎng)度1 754 m.現(xiàn)將回采過(guò)程中每月回采速度、最大日進(jìn)尺和平均日進(jìn)尺曲線(xiàn)圖匯總?cè)鐖D4所示。

圖4 40111回采工作面最大日進(jìn)尺和平均日進(jìn)尺速度曲線(xiàn)

一般情況下,回采工作面的推采速度與能量釋放量和釋放頻次成正比例關(guān)系,推采速度越快,能量釋放和頻次就越多。巖體中能量的釋放總是處于一種波動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)積聚和能量釋放的頻繁轉(zhuǎn)換中,而在具有突涌水危險(xiǎn)的情況下,這種波動(dòng)狀態(tài)開(kāi)始加劇。震源總能量變化趨勢(shì)首先經(jīng)歷一個(gè)震動(dòng)活躍期,之后出現(xiàn)較明顯的下降階段,開(kāi)始具有突涌水危險(xiǎn)性,而在下降階段再回升或者下降階段中出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的沉寂后,或者震動(dòng)頻次維持在較高水平時(shí),突涌水危險(xiǎn)性較高。

如圖5所示,微震頻次與能量基本呈正相關(guān)關(guān)系,但從3月份開(kāi)始,微震頻次及能量呈現(xiàn)明顯大幅度增加的趨勢(shì),主要原因?yàn)樵撾A段微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊及定位軟件能量算法進(jìn)行了升級(jí),升級(jí)后微震系統(tǒng)識(shí)別震動(dòng)信號(hào)的敏感度及有效性大大增加,同時(shí)微震事件能量整體上也有所增加。

圖5 40111工作面月度微震能量與頻次關(guān)系圖

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)分析40111工作面微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知,4煤及4上煤層聯(lián)合開(kāi)采工作面初采初放期間總能量較低且震源分布較為分散。即使在工作面一次、雙面和三面“見(jiàn)方”時(shí)期,日總能量?jī)H保持在4次方,驗(yàn)證了開(kāi)采保護(hù)層能起到顯著卸壓作用。

2) 統(tǒng)計(jì)40111工作面微震空間分布特征可知,采動(dòng)煤巖體微震空間分布特征傾向上發(fā)生在工作面-180～180 m 范圍內(nèi),走向上運(yùn)回巷兩側(cè)微震事件超前工作面的距離基本相同,垂向上低位頂板的能量釋放主要在工作面面前-200～300 m 范圍,高位頂板的能量釋放主要在工作面面前 0～250 m范圍,揭示了誘沖規(guī)律。

3) 40111工作面推進(jìn)速度與煤巖活躍程度的正相關(guān)性較強(qiáng),微震頻次和能量主要集中在面前-100～300 m范圍,120 m位置達(dá)到峰值,當(dāng)工作面回采至構(gòu)造區(qū)域時(shí),由于構(gòu)造應(yīng)力的影響,突涌水危險(xiǎn)區(qū)域向構(gòu)造區(qū)域轉(zhuǎn)移。借助于現(xiàn)有的先進(jìn)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行理論研究與數(shù)據(jù)前兆預(yù)警判識(shí),確保安全高效生產(chǎn)。