微震监测系统在综采工作面过复杂地质条件时的应用

徐明亮

(煤科集团沈阳研究院有限公司)



微震监测系统在综采工作面过复杂地质条件时的应用

徐明亮

(煤科集团沈阳研究院有限公司)

综采工作面在通过复杂地质条件时，顶板压力情况和工作面矿压显现较正常回采时有较大区别，给井下安全生产带来了较大隐患。KJ768微震监测系统具有动态、远距离、三维、实时监测的特点，可根据震源情况分析覆岩空间的破裂形态并对工作面不同区域划定冲击危险性等级，并通过前期的数据总结得出相应的微震事件数量和能量指标，以及时指导安全生产。石圪台煤矿在31201工作面回采期间上覆不规则房柱式采空区以及地表为沟谷地形，该类复杂地质条件给矿井安全生产带来了挑战，为此，采用KJ768微震监测系统对该工作面过复杂地质条件时的顶板压力及工作面矿压进行了监测，监测结果对于确保31201工作面的安全生产发挥了积极作用。

微震监测系统综采工作面房柱式采空区

神东煤田位于晋陕蒙交界处，为世界七大煤田之一，近年来随着国家能源发展战略的西移，其开发程度越来越高。神东煤田埋藏浅，地质条件简单，可采煤层较多，地容地貌以丘陵为主，沟谷地形较常见。神东煤田在进行大规模开发之前大多采用房柱式开采，该采煤方法较现行综采回采率较低，不但造成大量煤炭资源的浪费，而且遗留下的集中煤柱(隔离煤柱)易产生应力集中破坏围岩的稳定性，更为严重的是在下层煤采动时上覆采区煤柱会发生连续失稳破坏，引发动载矿压，严重危及工作人员和开采设备的安全。浅埋煤层综采工作面在过沟谷上坡段期间极易发生动载矿压，主要由覆岩主关键层被侵蚀缺失所致。相关研究表明，工作面发生动载矿压的倾向性与沟深、沟谷坡角、所采煤层与被侵蚀上覆主关键层距离、沟谷走向与工作面推进方向夹角等因素密切相关。神东石圪台煤矿31201工作面为典型的浅埋煤层，在该工作面推进过程中距回撤通道300～40m对应地表为柳根沟，且上覆不规则房柱式采空区地质条件较复杂，易引发动载矿压，为使该工作面顺利通过如此复杂的地质条件，该矿引进了KJ768微震监测系统对顶板压力及工作面矿压进行实时监测，以指导该工作面安全生产。

1　微震监测方案

1.1煤层特征

石圪台煤矿31201工作面为31煤二盘区首采面，北侧为31煤辅运大巷，其余方向均为实体煤。31201工作面回采期间上覆为22煤不规则房柱式采空区，22煤与31煤层间距为30～41.8m。31201工作面煤层起伏较小，煤层总体趋势为东高西低，呈正坡回采，平均煤厚为3.9m。31201工作面煤层为较稳定煤层，埋深109.2～132.2m，局部煤层顶部有厚0.2～0.6m的砂质泥岩夹矸。31201工作面上覆基岩厚48～120m，在柳根沟流域和糖浆渠流域最薄。松散层厚0～55m，柳根沟南侧最厚，柳根沟走向近似垂直于工作面的推进方向。31201综采工作面采用走向长壁后退式一次采全高综合机械化采煤法。

1.2微震监测原理

当煤岩体由于人为或自然因素发生破裂、位移时，会产生一种微弱的地震波向周围传播，在空间上不同方位设置的微震传感器可记录该类微地震波的到达时间、传播方向等信息，在此基础上采用各种计算方法在特定的波速场条件下进行三维定位以确定岩石的破裂点，即震源的空间位置，同时利用震相持续时间计算震源所释放的能量和震级，将该类参数标入采掘工程平面图，可圈定振动频繁的区域，通过前期监测数据总结经验并预测其对生产活动的影响，可提前进行危险性预警[1-6]。微震定位原理如图1所示。KJ768微震监测系统是一款实时监测煤矿微震事件的计算机在线测量系统，该系统将计算机监测技术、数据通讯技术和传感器技术融为一体，实现了复杂环境条件下对煤矿井下微震事件变化情况的自动监测和分析。

图1　震源定位原理

1.331201工作面微震监测测点分布

为拾取更多有效信号及进行精确定位，测点采用井下和地面相结合的布置方式，具体布置方式为：31201胶运及回风顺槽各布置拾震器8个，间距30m，随工作面推进向前移动；在工作面上方分散布置测点5个，共布置拾震器21个。

2　微震监测结果

经过前期的微震数据总结，得到了31煤顶板和22煤顶板来压的数量和能量预警值，31201工作面通过柳根沟的起止日期为2014年6月7日—7月5日，在此期间的微震监测数量和能量指标如图2所示。

图2　31201工作面过柳根沟期间的微震数量和能量分布□—微震事件数量；◆—微震事件能量

结合井下支架压力数据绘制了31201工作面过柳根沟期间的矿压云图，如图3所示。

图3　31201工作面过柳根沟期间矿压云图

由图3可知：在过柳根沟期间，31201工作面的周期来压步距较正常回采期间变化非常大，在过柳根沟期间有5次较大的来压，第1次、第2次较大来压发生于刚进入柳根沟底的位置，第3次、第4次较大来压发生于刚出柳根沟底的位置，第5次强烈来压发生于上坡最后阶段。第1次来压集中于35～125架，来压步距为13.04m，来压持续7.06m，来压强度大，持续长度大，最大片帮为1m，40～120架最大压力为50MPa。第2次来压集中于35～110架，来压步距为16.09m，来压持续3.35m，40～110架最大压力为49.2MPa，最大片帮0.8m，弱于上一次来压。第3次来压集中于50～120架，来压步距为18.14m，来压持续4m，来压强度剧烈，50～100架安全阀开启，立柱下沉1.2～1.5m。第4次来压集中于40～85架，来压步距为11.65m，来压持续4.32m，来压强度较强，片帮深度800mm，40～90架安全阀局部开启，立柱下沉300mm。第5次来压集中于20～150架，来压步距为11.12m，来压一直持续至坡顶，来压强度剧烈，30～120架最大压力为48MPa，片帮深度800mm，漏矸高度最大达到1 000mm，30～120架安全阀局部开启。

31201工作面在正常回采时的周期来压平均步距为13.6m，来压段平均持续6.16m，来压时压力峰值达到46.5MPa，与其过柳根沟期间出现了较大差别：①在下坡期间将近50m未出现较大压力，在沟底期间也将近52m未出现较大压力，上坡期间近30m压力处于较低水平(图3矩形框区域)；②过柳根沟期间工作面共出现5次强烈来压，5次来压步距无规律可循，前4次来压段持续距离较正常回采期间减小，第5次来压持续距离较长；③正常回采期间大部分为局部交替来压，而过柳根沟期间来压则表现为工作面整体来压，来压范围增大，压力峰值也由正常回采期间的46.5MPa增大至50MPa。

3　结　语

综采工作面推进过程中遇到复杂地质条件时，来压步距以及压力持续距离无规律可循，给工作面安全生产带来了较大隐患，微震监测系统可对矿压提前预警，对煤矿的安全生产提供了必要的帮助。在石圪台煤矿31201综采工作面顺利通过上覆房柱式采空区和沟谷地形的过程中，应用KJ768微震监测系统对该工作面通过复杂地质条件时的微震时间数量、能量分布以及矿压变化情况进行了监测，在31201工作面正常推进过程中，由微震事件的数量和能量指标基本可实现对动压的提前预警，便于生产人员有相对充裕的时间提前采取措施规避风险，为确保该工作面的安全生产提供了技术保障。

[1]王方田.浅埋房式采空区下近距离煤层长壁开采覆岩运动规律及控制[D].徐州：中国矿业大学，2012.

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[3]张沛.浅埋煤层长壁开采顶板动态结构研究[D].西安：西安科技大学，2012.

[4]曹安业，窦林名.微震监测冲击矿压技术成果及其展望[J].煤矿开采，2007(2)：20-23．

[5]陈炎光，钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社，1994.

[6]史红.煤矿岩层破裂的微震监测与力学机理[M].青岛：中国海洋大学出版社，2009.

2016-06-22)

徐明亮(1981—)，男，工程师，硕士，110000 辽宁省沈阳市沈河区东滨河路108号。