综放工作面煤层围岩运动规律监测分析.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering92塔山煤矿位于大同市区以南 30 km 处，井田位于大同煤田中东部边缘地带，设计年产量 1500 万吨，为我国首个建成投运的千万吨级矿井。当前，煤矿资源在国内仍然占据着主导地位，提高煤矿开采效率一直都是煤矿行业研究的课题，为了确保安全高效采煤，很有必要加强对煤层围岩运动规律进行监测研究。当前，西南科技大学黄建功教授指导并参与做的“急倾斜特厚松软煤层采场围岩运规律研究”一文，采用的是相似材料模拟与数值研究方法具有一定的可行性并有利于提高矿井支护方式，提高安全生产水平。西安科技大学邓广哲教授指导并参与做的“孔隙水压作用下急倾斜煤层围岩运动规律研究”一文，由于孔隙水压的影响，顶板岩层的强度和变形模量发生变化，导致围岩破坏和运动规律呈现出与无孔隙水压时不同的特征，同样在提高安全生产上做了极大的努力。本文以塔山煤矿 8103 工作面为研究对象，通过高精度微地震监测，同时采用采矿、力学、地球物理、矿山压力、地质工程等方法，研究同煤塔山特厚煤层综放面围岩运动的规律，为科学地进行开采设计和矿山压力控制提供科学依据。1 监测目的根据煤岩层破裂和构造活化动态，为特厚煤层综放工作面安全高效开采提供科学的决策依据，煤矿微地震监测系统布置如图 1 所示。其监测的目的如下：（1）利用高精度的微震监测技术，监测特厚煤层综采工作面的岩层、煤层的断裂及相应的应力分布；（2）在开采期间，通过对顶煤、顶板破断状态的监控与分析，找出在回采期间，前部支撑压力分布的变化，为确定合理的前部支撑区段的范围与形态，以及确定合理的停采线位置奠定了基础；（3）在超厚煤层综放工作面上，根据顺槽两边侧向支撑压力的分布情况，合理地确定了综放工作面上的煤柱宽度，为工作面上的巷道布局提供了科学依据，保证了工作面的安全，同时也获得了最大的技术经济利益；（4）利用高精度的微震观测资料，研究“闷墩”成因及隐伏构造的激活动力学过程，并对由异常压强及构造活动引起的潜在灾变进行预警。2 微震监测的主要成果经过三个月的地面准备和井下高精度微震监测系统安装，于 2021 年 10 月 2022 年 1 月进行了现场监测工作，监测期间 8103 工作面推进 398m。2.1 微震波形的塔山传播模式及速度2.1.1 微震波形的塔山传播模式塔山微震波以煤岩分裂模式传播，塔山典型波形如图 2 所示，微地震传播特征如图 3 所示。震源定位采用 综放工作面煤层围岩运动规律监测分析李珂（晋能控股煤业集团 挖金湾煤业有限责任公司 山西省大同市 037042）摘要：本文以塔山煤矿 8103 工作面煤层围岩运动规律为研究对象，通过采用高精度微地震监测系统，对综放工作面开采过程中的岩层、煤层破裂和相关的应力场变化情况进行了监测，并根据监测结果分析了超前、侧向支承压力分布变化规律，揭示了“闷墩”原因和隐伏构造的活化动态。通过分析得知：（1）得到了塔山煤矿微地震传播特征，及微地震波的传播速度；（2）所做的工作为科学地进行开采设计和矿山压力控制提供科学依据。关键词：监测系统；微地震监测；检波器；应力场；监测结果图 1：煤矿微地震监测系统布置电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering93“四-四”定位法。任意两个检波器的距离差除以它们的到时差都可以得到一个速度值，这样就可以得到一系列的速度值如表1 所示。如图 3 所示，经计算得出塔山矿区底板岩体的微震波速为 4.24 米/毫秒，并与实测值进行了对比。根据同理可以得出，在顶板上，微震的传播速率是 3.99 米/毫秒，而平均为 4.12 米/毫秒。2.1.2 微震监测系统标定在井下设置了监测系统之后，要对地震检波器及系统进行爆破校准，并获取地震波在不同介质中的传播速率、平均传播速率、能量衰减率、校准定位精度等信息。发射过程和波形特点：于 2021 年 11 月 18 日下午 3 时11 分 31 秒，校准大炮成功发射。在发射后，所有的地震检测器都采集到了有效的信号。在实际应用中，因其源区特性及传输媒质特性的不同，导致其定位精度有一定的起伏，一般在 10 米之内。2.2 随工作面推进微震显现规律2.2.1 微地震揭示的 8103 工作面岩层超前破裂图 4 为 2012 年至 31 日间发生的微地震的平面剖面图。如图 4 所示，随着采面的推进，岩层的移动幅度越来越大，8103 采面高位顶板超前煤壁 75 m 开始破裂，两条穿面断层在采面前方 227 m 处开始活化。在该地区，表 1：弹性波传播速度计算表组合C1-E2C1-F2D1-E2D1-F2E2-F2距离差/m96.8-23.7152.6-23.796.8-33.8152.6-33.8152.6-96.8到时差/ms150.2-133.1163.3-133.1150.2-135.1163.3-135.1163.3-150.2速度值/m/ms4.284.274.184.224.26图 2：各检波器接收到的岩层破裂的波形图 3：塔山煤矿微地震传播特征电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering94近地层中的断层有 50 米（直顶）、75 米（老顶）、150米（周期断层）、200 米（上层断层）等。2.2.2 微地震揭示的 8103 工作面动压区域图 5 中椭圆形区域内，是微地震事件分布盲区，说明此区域内的岩体完整性较好，没有断裂。当工作面到达图 5 的红色区域时，上下顶在很短的时间里，就会在同一时刻发生破裂，这时，工作面的支架就会承受很大的动态压力，压力就会显现出来，甚至会把支架压死。在图 6 中可以看到。通过对矿井压力的观察，发现全采场的顶板压力基本一致，只有运输巷附近的动压力较大，符合微地震的划分范围。3 微地震监测和矿山压力研究结果应用（1）两边实体煤特厚煤层综放工作面开采过程中走向支承压力分布规律及其在确定超前支护段范围、形式及合理停采线位置中的应用如表 2 所示。由表 2 可以看出：超前支护断面长度不宜小于15 米，2030 米为宜；(2）停止开采后，封闭壁与采场面之间的距离不应低于 50 米，而应设在弹塑性区或弹性区内，优选为 75 米以上。当封闭墙的间距小于 50米时，需对封闭墙周围的岩体进行灌浆，以加强封闭墙的封闭。（2）双侧固体煤特厚煤层综放工作面的侧向支压分布规律，并将其用于护巷时的煤柱宽度确定为：一方面，侧向支压分布高峰为 35 米，故煤柱宽度不能超过35 米；另一方面，考虑塑性区的宽度及锚杆支护要求，故煤柱宽度不能超过 15 米，故选择 15 米至 35 米为宜，煤体在弹塑性范围之内。从安全、可靠的角度出发，从锚杆支护与贯通两个角度出发，提出了 20 25 米的煤柱宽度。（3）双侧特厚煤层综采工作面“闷墩”现象的成因，主要是由于高层位（超前或滞后）破裂，以及弹性波在不同介质、不同路径的传播，使动压到达时产生“时间差”效应，是“闷墩”现象产生的根源，也是顶板、煤层、底板三个层面上的传播速率差别最直接的证明。4 结语利用高精度微震对煤层围岩运动进行监测，不仅能表 2：不同区域超前煤壁距离微地震显现规律超前煤壁距离/m微地震显现煤层状态巷道变形015集中在顶煤和直接顶层位，小事件多比较破碎，处于塑性状态锚杆受力和巷道变形很明显1575集中在老顶的层位，事件能量较大媒体比较完整，处于弹塑性状态 锚杆受力明显，巷道变形不明显75集中在老顶以上的层位，事件能量较大媒体完整，处于弹性状态锚杆受力和巷道变形均不明显图 4：工作面开采影响范围平面图 5：微震揭示的动压区域电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering95够保证煤矿开采的安全性，而且能够获得最大的技术经济效益。（1）根据前期煤的破碎情况，对采空区进行封堵，找出合适的封堵部位及封堵方式，为特厚煤层采空区封堵及火灾防治工作奠定基础；（2）通过对采空区顶煤层及顶板破断状态的监控与分析，为采空区的合理抽采提供了一定的理论基础；（3）通过对底板断裂规律的监控，为以后预防和控制奥灰水奠定了基础；（4）采用高精度微震技术，获得了特厚煤层综放工作面的三维岩体破坏规律，为采场支护设备的选择奠定了基础。参考文献1 华心祝,曹伍富,谢广祥,等.深井综放面窄煤柱沿空掘巷锚杆支护技术研究 J.中国煤炭,2001(06):37-40.2 高路,吴德儒.综放面沿空巷道围岩控制 J.矿山压力与顶板管理,2001(02):52-54+87.3 卜滕滕.深井厚煤层综放工作面顶板运动与沿空巷道围岩变形动态响应关系 J.采矿与岩层控制工程学报,2021,3(02):50-58.4 吴士良,刘思利.综放工作面顶板运动规律及支架-围岩关系研究 J.煤炭科学技术,2016,44(02):104-108.5 朱志洁,张宏伟,陈蓥,等.综放面合理护巷煤柱宽度确定与回采巷道支护方案设计 J.中国地质灾害与防治学报,2012,23(04):69-75.6 何富连,栗建平,蒋红军,等.特大断面厚煤顶开切眼复合桁架锚索围岩控制技术 J.中国矿业,2012,21(08):82-85.7 沈明.塔山矿综放面微震监测技术实践 J.科技信息,2011(22):391-392.8 李树刚,肖鹏,林海飞.乌兰煤矿 5343 综放工作面瓦斯涌出规律分析J.煤矿安全,2011,42(01):122-124.9 刘杰.特厚煤层综放工作面围岩运动的微地震监测J.矿业安全与环保,2008(01):44-46.10 王红胜,张东升,王旭锋,等.综放面近距离跨采下山分区加固技术 J.西安科技大学学报,2007(04):559-564.11 谢广祥,常聚才,华心祝.开采速度对综放面围岩力学特征影响研究 J.岩土工程学报,2007(07):963-967.作者简介李珂（1986-），安徽省阜阳市人，2011 年毕业于安徽理工大学采矿工程专业，大学本科学历，工程师，主要从事煤矿生产及生产工艺优化方面的研究工作。图 6：微震显现揭示的顶板岩层破裂