基于微震监测的综放工作面覆岩“两带”高度确定

杜涛涛

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)



基于微震监测的综放工作面覆岩“两带”高度确定

杜涛涛

(天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

为了实现微震监测确定综放工作面覆岩垮落带、裂缝带高度的目的，为综放工作面的“两带”研究提供依据，通过微震监测，分析了“两带”微震事件分布特征，确定了“两带”高度，经地面钻孔探测，验证了微震监测覆岩“两带”高度的可行性。研究表明：现场微震监测了垮落带岩层 “裂隙产生—裂隙扩展—岩层断裂—岩层垮落”的过程，以微震事件分布密集且分层集中为主要特征；裂缝带岩层 “裂隙产生—裂隙扩展—岩层断裂”的过程，以微震事件分布不集中，自下而上逐渐减少甚至消失为特征；同一属性岩层微震事件具有明显的分层特征，低位分层微震事件集中、高位分层微震事件明显减少的特征，综合利用微震事件分布及分层集中特征作为判断“两带”的重要依据，分析得到垮落带的高度为109m，裂缝带岩层高度246～380m。微震监测“两带”高度较实测结果有些偏差，但基本可以满足现场需要。

微震监测；“两带”高度；经验公式；地面钻孔

目前，分层综采或普采分层工作面覆岩垮落带、裂缝带高度确定多采用经验公式，且“两带”高度经验公式已写入《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱、留设与压煤开采规程》(以下简称《规程》)中，但其不适合综放开采覆岩“两带”高度计算。许延春[1]收集了40余个“两带”孔的综放开采工作面不同硬度类型覆岩的“两带”高度数据，采用数理统计回归分析的方法，得出了综放开采工作面 “两带”高度计算的经验公式，由于公式还未有效得到现场验证尚未写入《规程》。我国通用的岩层破裂监测方法是钻探法，此方法工程量大，且在时间和空间上有较大的局限性。近年来，微震监测技术被用于煤矿动力灾害研究方面，监测围岩破裂产生的震动信号，通过定位确定震源位置，确定覆岩的运动情况，为研究覆岩运动的空间结构提供了新手段。姜福兴[2-3]研究了煤矿冲击地压与岩层在三维空间破裂之间的关系；成云海[4-5]采用微地震定位监测技术揭示了采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系；陆菜平[6-7]利用微震监测技术开展了煤岩体微震异常信号的突变时刻、突变时刻所对应的频率成分及其前兆信息研究；李世愚[8]通过矿震定位研究得到了矿震与开采进程的相关性；夏永学[9-10]利用微震监测系统研究了围岩破坏和应力分布特征。

综上所述，回归方法得到的综放开采工作面覆岩“两带”计算的经验公式还有待于进一步验证及修正，现场实测覆岩“两带”高度更符合现场实际情况，但存在测点少、工程量大的局限性，微震监测为研究覆岩“两带”提供了一种实时监测、简便可行的新手段。为有效利用微震监测，确定综放工作面“两带”高度，初步探讨了微震监测确定覆岩垮落带、裂缝带高度的活动特征，并通过现场实测进行验证。

1　综放工作面覆岩“两带”高度微震监测

1.1综放工作面覆岩结构特征

21141工作面位于21区下山西翼，工作面切眼西到矿井边界煤柱，东到21区下山煤柱，北临21121工作面(已采)，南临21161工作面(未采)。21141工作面上巷为沿空掘巷，设计长度1439m；下巷实体煤掘进，设计长度1537m。上巷对应地表标高为+590.1～+614.2m，井下标高为-39.4～-64.8m。下巷对应地表标高为+590.1～+606.8m，井下标高-68.7～-97.2m，工作面平均采深684.4m。岩层结构特征如表1所示。

表1　岩层结构特征

1.2ARAMIS M/E微震监测布置

21141工作面周围拾震器布置是S5，S6，S7，主要大巷、上山、永久硐室拾震器布置是S1，S2，S3，S4，S8，其他拾震器不在本区域内，拾震器布置如图1所示。

图1　微震拾震器布置

ARAMIS M/E微震监测系统构成如下：

系统信息传输系统(DTSS)该部分包括地面SP/DTSS信息收集站，其由OCGA数字信号接收装置、配备GPS时钟的ST/DTSS传输系统控制模块、主通道切换模块以及SR 15-150-4/11 I型配电装置组成[11]。

SN/DTSS井下分站包括SPI-70拾震器以及NSGA震动信号发射装置。ARAMIS M/E微震监测系统实现了矿山震动定位、震动能量计算及震动的危险评价。系统可以监测震动能量大于100J，频率范围在0～150Hz之间及低于100dB的震动事件[11]。传感器监测震动事件并将其处理为数字信号，然后由数字信号传输系统DTSS传送到地面，完成连续、实时的震动监测。

1.3覆岩“两带”高度微震监测分析

为了揭示上覆岩层“两带”高度，依据微震事件在岩层层位的分布集中度进行判定。上覆岩层经历“裂隙产生—裂隙扩展—岩层断裂—岩层垮冒”的过程，并且岩层垮落是自下而上分层垮落。因此，“两带”岩层发育的每个过程均伴随着微震事件的产生，并且自下而上的各岩层产生的微震事件分布与集中度不同。

微震事件倾向剖面分布如图2所示，横轴代表大地坐标，纵轴为高程，单位m。上覆泥岩、中细砂岩岩层产生的微震事件集中度高，容易判定位于垮落带。而厚180m的砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、砾岩互层微震事件集中度具有明显的分层特征，其低位85m的分层厚度的微震事件集中度较密集，分布大量的微震事件，而且微震事件在倾向方向分布特点明显不同；其高位95～180m的分层微震事件集中度明显减少，工作面上部事件集中与工作面下部微震事件分布具有明显的分布界限。砾岩层的低位岩层分布少许的微震事件，表明砾岩的低位岩层也发生了破裂变形。

图2　微震事件倾向剖面分布

(1)垮落带岩层 “裂隙产生—裂隙扩展—岩层断裂—岩层垮落”的过程，微震事件分布密集且分层集中，具有明显分层特征。垮落带低位岩层破坏发展充分，微震事件分布集中度高，自下而上分层垮落，越是高位岩层微震事件集中度越低，这是垮落带岩层发育的一个特征。

(2)裂缝带岩层 “裂隙产生—裂隙扩展—岩层断裂”的过程，微震事件分布分散，集中度低。裂缝带在微震事件集中度与垮落带具有明显的界限，微震事件分布不集中，表现为自下而上逐渐减少甚至消失，这是裂缝带岩层发育的一个特征。

综上，在倾向方向，沿微震事件分布明显的界限画出垮落带的形态，从而得到垮落带的高度为109m；裂缝带岩层高度246～380m。

图3为开采过程微震事件走向分布，横轴为大地坐标，纵轴为高程，单位m。沿走向判断“两带”发育高度较倾向分析困难，但是依据倾向分析结果，仔细梳理辨别，同样可以找寻岩层破坏发展过程，为微震监测“两带”应用提供借鉴。

(1)通过分析微震事件产生过程发现，微震事件主要集中在工作面前方，工作面后方采空区上覆岩层产生的微震事件较少。采空区后方的垮落产生的微震事件辨别较困难，但利用微震监测确定岩层采动作用下“裂隙产生—扩展—破坏”的过程比较容易。

图3　微震事件走向剖面分布

(2)同一属性岩层微震事件具有明显的分层特征，具有低位分层微震事件集中，高位分层微震事件明显减少的特征。综合利用微震事件分布具有分层集中特征作为判断“两带”的重要依据，当分层特征不明显时，应结合倾向分布特征和经验公式计算综合确定。

2　现场实测验证

2.1微震监测验证

“两带”高度与开采尺度等密切相关，21141工作面历时约2a的开采，覆岩经历了足够长时间的运动发展，历时约1a采用微震监测确定了工作面“两带”，再经过约10个月的微震监测，大量监测数据验证表明，确定的“垮落带”演化过程基本一致，而“裂缝带”高度随开采过程变化发展，最终可根据微震事件分布确定裂缝带发展的最大高度，微震监测“两带”演化过程如图4所示，横轴代表大地坐标，纵轴为高程，单位m。

2.2地面钻探实测验证

(1)探测方法微震确定“两带”高度需要与实测结合验证，为探测21采区覆岩“两带”发展情况，在21采区已开采的21121综放工作面采空区，开展了2个钻孔探测试验。采用130mm口径开孔，孔深45.57m时变为110mm口径。

图4　“两带”高度验证过程

(2)探测结果1号钻孔钻进孔深538m，在219m处进入导水裂缝带。自292m处开始采用顶漏钻进的方法，钻机每小时最小用水量8m3左右，钻进至243m时，发生瓦斯涌出现象，在提取的岩芯中，岩芯破碎，采取完整率只有16%，有5处出现约2.5～6m掉钻现象，即裂隙。从324m处该钻孔又采用堵漏钻进施工，并用水泥浆对孔内裂隙进行封堵。[12]从324m封堵至286m，封堵38m，消耗水泥17t。钻进过程中，出现以下几种现象：出现掉钻现象，掉钻深度1.8m；出现碎石埋钻现象，提取岩芯破碎；孔内漏水严重；特别是红色泥质砂岩遇水易出现松软、垮塌现象；用水泥封堵后，还是出现掉钻、埋钻现象。根据以上发现情况认定1号钻孔已进入采空区垮落带。探测分析结果如图5所示。

图5　1号钻孔探测结果

2号钻孔钻进孔深385m，在251m处进入导水裂缝带，裂隙发育较多。在256m裂隙处出现瓦斯涌出现象，向下钻进的过程中，瓦斯涌出现象出现断续，自进入导水裂缝带后，孔内出现掉块现象。探测分析结果如图6所示。

图6　2号钻孔探测结果

地面钻孔分析结果为：覆岩垮落带高度为94.4m，裂缝带高度范围为324～410m。微震监测“两带”高度较实测结果有些偏差，垮落带较实际偏大、裂缝带较实测偏小，主要有2个方面原因：一是微震监测精度限制；二是微震监测的回采工作面覆岩未充分发展。考虑岩层运动是不断变化的，微震监测法确定覆岩“两带”的高度具有实时性、操作方便性。

3　结　论

(1)现场微震监测分析得到“两带”的发育分布特征。垮落带岩层“裂隙产生—裂隙扩展—岩层断裂—岩层垮落”的过程，微震事件分布密集且分层集中。裂缝带岩层“裂隙产生—裂隙扩展—岩层断裂”的过程，微震事件分布分散，表现为自下而上逐渐减少甚至消失。

(2)同一属性岩层微震事件存在明显的分层特征，具有低位分层微震事件集中，高位分层微震事件明显减少的特征，可作为判断“两带”的重要依据。当分层特征不明显时，应结合倾向分布特征综合判断，微震监测分析得到垮落带的高度为109m，裂缝带岩层高度246～380m。

“两带”高度与开采尺度大小密切相关，微震监测确定“两带”高度需要与实测结合验证。微震监测确定的“两带”高度较实测结果有些偏差，但基本可以满足现场需要。考虑“两带”发育过程是变化的，微震监测法确定覆岩“两带”的高度具有实时性、操作方便性，具有应用价值。后续有待进一步提高微震监测精度、取得更多数据，从而进一步揭示不同开采尺度覆岩破坏发展过程。

[1]许延春，李俊成，刘世奇，等.综放开采覆岩“两带”高度的计算公式及适用性分析[J].煤矿开采，2011，16(2)：4-8.

[2]姜福兴，杨淑华，成云海，等.煤矿冲击地压的微地震监测研究[J].地球物理学报，2006，49(5)：1511-1516.

[3]姜福兴，XUN LUO，杨淑华.采场覆岩空间破裂与采动应力场的微震探测研究[J].岩土工程学报，2003，25(1)：23-25.

[4]成云海，姜福兴，张兴民，等.微震监测揭示的C型采场空间结构及应力场[J].岩石力学与工程学报，2007，26(1)：102-107.

[5]成云海，姜福兴，程久龙，等.关键层运动诱发矿震的微震探测初步研究[J].煤炭学报，2006，3l(3)：273-277.

[6]陆菜平，窦林名，吴兴荣，等.煤岩冲击前兆微震频谱演变规律的试验与实证研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(3)：519-525.

[7]陆菜平，窦林名，吴兴荣，等.岩体微震监测的频谱分析与信号识别[J].岩土工程学报，2005，27(7)：772-774.

[8]李世愚，和雪松，张少泉，等.矿山地震监测技术的进展及最新成果[J].地球物理学进展，2004，19(4)：853-859.

[9]夏永学，潘俊锋，王元杰，等.基于高精度微震监测的煤岩破裂与应力分布特征研究[J].煤炭学报，2011，36(2)：239-244.

[10]夏永学，康立军，齐庆新，等.基于微震监测的5个指标及其在冲击地压预测中的应用[J].煤炭学报，2010，36 (12)：1324-1328.

[11]孙庆国，王存文，姜福兴.微地震监测系统在冲击地压预测预报中的应用[J].煤矿安全，2007，38(12)：55-57.

[12]乔国厚.地面打钻勘探“三带”的地表沉降监测[J].洁净煤技术，2012，18(6)：109-111.

[责任编辑：潘俊锋]

‘Two-zones’ Height Determination of Top Coal Caving Working Face Based on Micro Seismic Monitoring

DU Tao-tao

(Coal Mining & Designing Department，Tiandi Science& Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

In order to implement the aim that collapse zone height and fracture zone height of top coal caving working face were determined by micro seismic monitoring，and provide the basic for ‘two-zones’ studying of top coal caving working face.According micro seismic monitoring，the height of ‘two-zones’ was determined by ‘two-zones’ micro seismic accident distribution characters，the feasibility that overburden ‘two-zones’ height monitored by micro seismic was verified by surface drilling.The research showed that the process ‘ fracture appear- fracture develop- strata fracture- strata collapse’ of strata in collapse zone was monitored by micro seismic，its main characters is micro seismic incident distribution densely and layering concentration，and the process “ fracture appear- fracture develop- strata fracture” appeared in fracture zone，its main characters was micro seismic incident disperse，and then decreased or disappeared form down to up，second，an obvious layering characters of micro seismic incident appeared in that same property strata，micro seismic incident densely in low layering but decreased obviously in high layering，the characters of micro seismic incident distribution and layering densely were important reasons for ‘two-zone’ judging，the height of collapse zone was 109m after analysis，fracture zone height was 246～380m.Its results was deviated for filed measurement，but it could meet filed need.

micro seismic monitoring；‘two-zones’ height；empirical formula；surface drilling

2016-04-05

国家自然科学基金资助项目(51304116，51574149)

杜涛涛(1984-)，男，山东枣庄人，硕士，助理研究员，主要从事冲击地压的研究。

TD821；P315.63

A

1006-6225(2016)05-0079-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.022

[引用格式]杜涛涛.基于微震监测的综放工作面覆岩“两带”高度确定[J].煤矿开采，2016，21(5)：79-82，74.