深部大采高综采工作面微震活动规律多因素分析

邵昌尧， 刘志刚

(山东能源淄矿集团唐口煤业， 山东济宁 272055)

深部大采高综采工作面微震活动规律多因素分析

邵昌尧， 刘志刚

(山东能源淄矿集团唐口煤业， 山东济宁 272055)

摘要：为探索深部大采高综采工作面冲击地压监测技术，基于现有的微震监测技术与装备，并结合采场布置与生产接续安排情况，研究了深部大采高综采工作面微震活动规律.对工作面从开面到“见方”阶段大量微震事件进行统计分析，得出诸因素如空间、时间、煤层及工作面生产活动对微震活动造成的一般性规律，为下一步同类工作面开采提供防冲监测依据.

关键词：深部开采； 大采高； 综采； 微震规律； 多因素分析

随着煤矿采深的增加，冲击地压等动力灾害日趋增多，如何安全高效回收深部煤炭资源成为困扰煤炭行业的难点与重点问题[1-3].经过工程技术人员的努力，目前冲击地压监测方法已有多种类型，其中冲击地压地球物理方法主要包括了微震监测法、声发射法、电磁辐射法等[1，4].微震监测法是目前比较典型且日趋成熟的一项技术[5-6]，其原理主要是通过监测煤岩体破裂失稳萌生、发育、贯通等过程出现的一系列微震动活动，来总结规律并进一步预测冲击地压的发生.

1 工作面概况

5303工作面是530采区回采的第三个大采高工作面，走向可采长度1501m，倾向长度190m.回采煤层为3上煤，煤层底板标高-942.4～-885.4m，地面标高+35.1～+39.5m，煤为黑色，条痕黑褐色，以亮煤为主，暗煤次之，属半亮型煤，油脂-玻璃光泽，阶梯状断口.该煤种属气煤，其摩氏硬度为2～3.根据巷道实际揭露资料，该工作面3上煤层沉积较稳定，全部可采，厚度在1.20～5.90m之间，平均厚4.60m.该面选用综合机械化一次采全高走向长壁后退式采煤法.根据同采区已回采结束的工作面矿压观测资料[7]，3上煤层直接顶为较稳定的Ⅱ类顶板，老顶为二级顶板，采用全部垮落法管理顶板效果良好.因此5303工作面也采用全部垮落法管理顶板.

工作面上方660m左右的J3地层有岩浆岩发育，岩性为辉长岩等，厚32.5～62.8m.由于岩浆岩与3上煤间距远，3上煤不受岩浆岩侵蚀，但该岩浆岩的活动与断裂有可能诱发冲击地压灾害.

2 工作面微震事件分布及规律分析

截至2013年10月份，5303工作面累计推采长度236.15m，工作面已通过一次见方区域，回采期间共记录到120余起微震事件，释放总能量2.5×105J，最大单事件能量为2.9×104J.如图1所示微震事件按空间统计主要分布在3个区域：一是面前50～200m胶带顺槽实体煤侧；二是面前300～450m段；三是临近采空区之间实体煤中.

微震事件按时间统计主要分布在2个区域：一是工作面检修后恢复生产期间；二是“见方”影响期间.

图1 微震事件分布平面图

2.1 微震事件空间分布规律

(1)面前50～200m之间(图1中Ⅰ区)微震活动主要受采动影响，采空区老顶岩梁进行力源传递，导致超前支承压力的周期性出现，诱发煤岩层断裂，发生微震事件.

(2)面前400m附近微震密集点(图1中Ⅱ区)分析.临近5302采空区稳沉后形成稳定的覆岩结构，导致侧向支撑压力向实体煤内延伸，同时该区域处于5303、5302联合见方区，煤、岩层处于高应力状态，受5303工作面回采扰动影响，平衡状态出现失稳现象，进而出现大量微震事件.

(3)大能量微震事件(E≥104J)90%以上发生在距工作面200m外实体煤中.5303工作面前皮顺南侧发生2起大能量(E大于等于10000J)微震事件，临近采空区附近实体煤发生2起大能量微震事件，主要受回采及采空区上方岩层断裂影响，超前支承压力逐渐传递，弹性势能逐渐在面前远处实体煤中积聚，并受扰动释放，诱发大能量事件.图2所示为工作面区域大能量微震事件分布区域示意图.

图2 工作面附近大能量微震事件

2.2 微震活动时间分布规律

(1)恢复生产阶段.由图3可见，10月2日、3日两天停产检修，10月4日恢复生产，推进度变量为7.5m，微震能量由500J/d升高到35000J/d.原因分析：工作面停产后面后老顶逐渐垮落并趋于稳定，此时应力集中到工作面前方，恢复生产后平衡状态破坏，积聚的弹性势能突然释放，导致微震能量及频次的升高.

(2)工作面“见方”期间.5303工作面见方期间(采空区长度170～230m)共发生微震事件15起，主要分布在面前130m、顶板5m至底板15m之间，见方期间，上覆关键层积聚较高的能量，工作面超前支撑压力普遍升高，顶板活动频繁，导致微震事件频发.

(3)从微震活动频次、能量与推进度的关系来分析.10月份，工作面基本保证匀速推采，推进度平均5.6m/d，但部分时段推进度有较大波动(0～8.5m)，相应阶段微震事件能量变化最大达到30000J，频次升高3倍，见图3.可见回采强度的大幅度变化导致顶板无规律性破断，局部能量积聚，导致大能量事件的发生.

图3 微震事件与推进度关系图

3 微震事件与工作面及煤层空间关系

3.1 微震事件与工作面关系

表1所示为主要微震事件与回采程度关系.可以看出微震事件90%以上分布在面后90m至面前450m内，煤层底板以下10m至顶板以上20m之间.其中，工作面50m范围内微震事件占19%，50～200m范围内微震事件占50%，200～300m之间基本无微震活动，300～450m之间微震事件占30%，个别微震事件发生在工作面600m以外.

表1 主要微震事件分析表

3.2 微震事件与煤层关系

煤层底板微震事件占35%，煤层微震事件占55%，顶板微震事件占10%，如图4所示.

图4 微震事件与煤层关系示意图

4 结论

(1) 深部大采高综采工作面微震活动与工作面埋深、煤层顶底板等自然因素有直接关系，以5303工作面来说微震事件大多分布于煤层所在层位，且多位于面后90m至面前450m范围内.

(2) 通过研究可知，与5303工作面类似条件下的深部大采高综采工作面微震活动，空间上受工作面布置、临近采空区、采煤方法等因素影响较大.时间上主要发生在恢复生产阶段、见方期间和推进度有较大波动时.

(3) 根据5303工作面从开面到“见方”结束微震事件与工作面及煤层关系分析，可知当工作面推采速度保持在较低且匀速的状态时，微震活动比较平稳，且释放能量维持在较低水平.当推采速度突然加快或减缓时，微震活动变化比较明显，特别是推进度大幅度变化时，容易诱发大能量微震事件.可以得出在冲击地压工作面合理控制推进度对于有效预防大能量事件的发生具有积极的效果.

参考文献：

[1]邹德蕴.煤岩体蠕变失稳及预测方法[M].北京:煤炭工业出版社,2012.

[2]耿献文.矿山压力测控技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2002.

[3]窦林名.煤矿开采冲击矿压灾害防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,2006.

[4]邹德蕴,刘志刚,姚树阳.采场矿压监测与数据信息融合技术应用研究[J].煤炭科学技术,2011(08):14-18.

[5]刘志刚,邹德蕴,李锦秀，等.KDZD型冲击地压声发射信号监测系统及应用[J].煤,2011(03):19-21.

[6]刘志刚.基于声发射原理的冲击地压监测装备研究及应用[D].青岛：山东科技大学,2011.

[7]刘志刚,汪栋,李锦秀.深部开采工作面矿压监测方法及监测设备适用性研究[J].山东理工大学学报：自然科学版,2013(4):30-33.

(编辑：姚佳良)

收稿日期：2014-07-26

作者简介：邵昌尧，男，tkmkscy@163.com; 通信作者：刘志刚，男，liuzg1985@163.com

文章编号：1672-6197(2015)02-0076-03

中图分类号：TD324

文献标志码：A

Themulti-factoranalysisonthedeeplargeminingheightfully
mechanizedminingfacemicroseismactivityrule

SHAOChang-yao，LIUZhi-gang

(ShandongEnergyZiboMiningGroupTangkouCoal,Ji′ning272055,China)

Abstract:To explore rock burst monitoring technology in the deep large mining height fully mechanized mining face, combining stope layout and production situation， we studied mining face microseism activity rule based on existing microseism monitoring technology and equipment.We analyzed a large number of microseism events of the working face from production to "Square" stage to find universal rules of the factors, such as space,time,coal seam and the working face production activity on microseism activity.This work can provide a basis for rock burst monitoring technology in the same type working face.

Key words:deep mining； large mining height； fully mechanized mining； the rule of microseism； multi-factor coupling analysis