综放孤岛工作面底板破坏微震规律分析

陈 龙，王国举

（1. 冀中能源集团有限责任公司 东庞矿，河北 邢台 54000；2.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；3. 河北省矿井微震重点实验室，河北 邢台 054000）

我国煤炭生产过程中受水害威胁严重，随着机械自动化程度的增加，受来自工作面底板下的高水头承压水的威胁日益显现。在我国华北地区，石炭二迭系煤田是最重要的煤炭产区之一，上部煤层所剩储量已经不多，纷纷进入下组煤开采阶段，下组煤位于水量丰富的奥灰含水层或太原群灰岩含水层之上，中间隔水层厚30～100 m，时常发生底板突水事故，专家、学者、现场工程师进行了该方面的研究[1-5]。为了煤炭的回收利用，许多矿井存在孤岛工作面，孤岛型工作面具有煤柱两侧临空，且巷道煤柱应力集中程度高的特点，进一步加大了底板突水威胁。以东庞矿北井9222 孤岛工作面作为研究对象，应用KJ1073 监测系统对工作面进行实时、动态的监测，对采动过程中的底板破坏深度发育规律进行分析，为工作面安全回采提供依据。

1 工程概况

北井位于东庞井田西部，隶属于冀中能源股份有限公司东庞矿，开采9 号煤，为东庞矿下组煤试采区。东庞矿北井9222 工作面为9200 采区二期探巷煤柱工作面，布置如图1 所示，南邻9208、9210、9212 工作面，开采方向背向9222 工作面，北邻9214、9216 工作面，朝向9222 工作面，西邻九f22 断层，东邻九f20 断层。9222 工作面为煤柱面，面内存在多条老巷。9222 试采工作面长67 m，回采后退距离204 m，采放总高6.9 m，工作面埋深221.9～303.9 m，9 号煤底板至奥灰顶界面距离为41～46 m，均为43 m，9 号煤底板隔水层承受奥灰水压2.14～2.96 MPa，突水系数0.05～0.07 MPa/m。

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

为了该工作面的安全回采，对底板进行注浆加固，与煤层底板隔水岩层形成统一的阻水体，在增强隔水岩层阻水能力的同时，降低直至消除薄层灰岩岩溶裂隙水的导升裂隙发育高度。工作面底板注浆加固钻孔按全面加固工作面底板隔水层的原则进行设计，均匀布孔，并且加固到工作面外侧60 m，一般情况下，采用浆液扩散半径不大于20 m，从底板裂隙发育程度及富水性考虑，重点区域要适当加大底板注浆孔密度，采用浆液扩散半径不大于15 m，钻孔终孔层位为进入奥灰垂深10～15 m。

2 微震监测方案

煤矿微震监测系统该系统主要包括微震数据采集系统、数据处理系统和基于远程网络传输的微震数据传输系统。9222 工作面主要面临底板奥灰水及隐伏构造的威胁，采用KJ1073 煤矿微震监测系统，微震检波器布置于9222 工作面底板，为确保监测效果，结合9222 工作面现场情况采用包围式方式构建微震监测系统，微震检波器共计7个，皮带巷4 个，轨道巷3 个，交叉布置在两巷底板中，埋设孔深为9 m，检波器间距80～100 m。为利于生产过程中对检波器的维护，检波器钻孔均布置在运料巷和运输巷外帮底板，检波器线缆在外帮悬挂。

3 微震监测结果分析

3.1 微震事件发育深度分析

通过对9222 工作面的实时监测处理，在整个监测周期内，共监测微震事件30 473 个，其中底板微震事件15 758 个，依据微震事件的空间位置对其进行投影，得到了微震事件的剖面图如图2 所示，并对监测到的底板微震事件按深度进行统计分析，见表1。

表1 微震事件发育深度占比Table 1 The proportion of microseismic events development depth

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

从图2 中发现，微震事件随着底板深度的增加呈现减少的趋势，据统计微震事件主要发育在底板15 m 以浅，累计占比为92.64%；25 m 以浅累计占比为99.21%；其中15～20 m、20～25 m 两区段的事件数分别增加了4.72%与1.82%；25 m 以深的微震事件频次占比仅增加了0.54%与0.19%。因此，开采形成底板最大破坏发育深度为20～25 m，与该矿其它工作面相比，破坏深度增大。结合煤层底板岩性组合特征分析，如9202c 破坏深度为16 m以浅，发育层位未突破本溪灰岩，而9222 工作面底板采动裂隙已发育至本溪组灰岩含水层下部，分析原因主要是该工作面为孤岛工作面，受周边采空区的作用及本工作面采动扰动应力的共同作用，产生应力集中，底板破坏深度加大，但未超过注浆层位，微震监测结果显示本溪灰岩一定程度上阻止了底板采动裂隙向下延伸。

3.2 微震事件分布不均衡性分析

在对9222 工作面在采动过程中的微震事件进行展布，如图3 所示。从图上可以发现，微震事件主要集中在9222 工作面内，工作面两侧微震事件呈现不均衡状态，左侧是9208、9210、9212 工作面采空区，微震事件分布距离工作面皮带巷的距离是42 m，事件整体分布相对比较均衡，随着离皮带巷的距离的增大，微震事件由密集变的分散。右侧是9214、9216 工作面采空区，微震事件分布距离工作面皮带巷的距离是55 m，微震事件密集区域主要集中9214、9216 保护煤柱影响范围区内，分析原因是：①工作面朝向9222 工作面回采，所留的保护煤柱受9214、9216 工作面回采过程中的超前支承压力的影响，围岩遭受到一定程度的破坏，再经过9222 工作面采动扰动应力叠加的作用，产生应力集中，保护煤柱下方的底板压缩变形破坏，岩石产生微破裂，微震事件的密集程度增大；②9208、9210、9212 工作面采空区稳定时间长，采动对其的影响程度弱于9214、9216工作面，在未采动时，采空区处于相对稳定的状态，一旦采动打破了原有的平衡，采空区稳定程度决定了其破坏程度。注浆到工作面外侧60 m，大于微震事件两侧的分布范围，可以保证工作面的安全回采。

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

3.3 微震事件分布与采动位置的关系分析

本灰到奥灰微震事件分布如图4 所示。从图4可以发现，在9222 工作面采线60 m 范围以内，深部事件本灰到奥灰顶微震事件零散分布在工作面周围；到工作面采线60 m 位置外，本灰到奥灰顶微震事件增多，微震发育深度增加，主要分布在工作面内及9214、9216 保护煤柱范围内。分析在工作面回采初期，底板破坏程度较小，微震事件发育深度较小；随着工作面的回采，工作面推进长度越大，底板破坏充分，微震事件的发育深度增加，当工作面推进长度达到60 m 时，底板整体破坏范围及深度增加。

图4 本灰到奥灰微震事件分布图Fig.4 The distribution of microseismic events from Benxi limestone to Ordovician limestone

4 结 论

通过对东庞矿9222 工作面采动全过程进行了连续、动态监测，实现了安全回采，得出以下结论。

（1） 9222 工作面在回采过程中，微震事件随着底板深度的增加呈现减少的趋势，底板最大破坏发育深度为20～25 m。

（2） 微震事件主要集中在9222 工作面内，工作面两侧微震事件呈现不均衡状态，分布范围分别为42 m、55 m，小于注浆范围，注浆范围60 m 能够有效保证工作面安全回采。