基于微震系统孤岛工作面初次来压及周期来压步距研究

梁东辉，李兴建，刘广尧

（济宁市金桥煤矿 ，山东 济宁 272200）

0 前 言

近年来井工煤矿受村庄压煤搬迁影响，多选择进行条带开采，导致孤岛工作面数量逐步增加，受采空区、遗留煤柱等因素影响，加之开采强度的不断增加，在动载、静载的综合作用下，煤岩体应力集中程度越来越高，强烈矿压显现次数日趋频繁，严重威胁矿井安全生产。特别是在工作面初次来压、周期来压期间，工作面顶板压力和顶板下沉比平时大30%～40%[1]，微震事件能量、频次成倍增加，极易发生冲击地压，因此开展综放工作面初次来压、周期来压步距的研究迫在眉睫，掌握周期来压规律可使冲击地压防治工作更有针对性、时效性。

1 工作面概况

金桥煤矿1304 工作面位于一采区北翼，设计为分层开采，前期受地面村庄压煤影响，一采区北翼上分层采用条带式开采，1304 工作面位于一采区北翼下分层，设计为 “刀把” 型工作，切眼长度为84.3/151.2m，回采工艺为综放开采，1304 工作面上方为 1304上采空区，东侧为 1302下采空区（2014 年回采完毕）和1302 上采空区（2010 年回采完毕），西侧为1316上采空区，形成一个孤岛工作面。

图1 1304 工作面平面位置示意图

图2 1304 工作面剖面位置示意图

2 初次来压、周期来压步距计算

1304 工作面回采初期，未到初次来压时，随着工作面推采，老顶未垮落，由切眼煤柱及工作面煤壁支撑，形成固支梁结构，当工作面继续推进，老顶断裂垮落，断裂时的极限跨距即为工作面初次来压步距[2]。根据理论经验，因弯矩形成的极限跨距即为工作面初次来压步距。

式中：L 为极限垮落跨距，m；h 为老顶厚度，m；RT为抗拉强度，MPa；q 为老顶岩层所承受载荷，MPa。

结合1304 工作面顶板运动规律，根据现场工作面顶底板岩性资料分析推算：当允许岩层冒落运动的空间高度Si（自身厚度与下部空间之和）大于或等于其冒落充填厚度KAmi 时，则第i 层冒落，逐层向上推断，直至（Si＜KAmi）不冒为止[3]，其中，KA 为直接顶岩层的碎胀系数，一般取1.25～1.5，这里取1.35，mi 为第i 层岩层厚度，m;Si 为允许第i 层冒落运动空间，m。

依据表1，从下到上的顺序直到第5 层，因KAm5＞S5，故第5 岩层不冒落，由此可得出1304 工作面上覆第5 层粉砂岩为老顶，厚度为8.16m，所以h=8.16m。

根据金桥煤矿3# 煤层顶板冲击倾向性鉴定，一采区岩样测试结果如表 2 所示， 抗拉强度为3.64MPa。

老顶岩层承受的载荷一般主要来自老顶本身载荷的影响，老顶上方岩层由于本身强度较大，对老顶载荷基本不起作用， 因此 q=q1=r1h1=25 ×8.16=204kMPa=0.2MPa

将数值代入公式（1）：

况下，采煤工作面老顶初次来压步距和老顶初次断裂的极限垮落跨距相当，故1304 工作面初次来压步距在49.2m 左右；另外周期来压步距一般为老顶极限垮落跨距的0.25～0.5 倍[4]，故1304 工作面周期来压步距在12.3～24.6m 之间。

表1 1304 工作面顶板岩性参数表

表2 金桥煤矿一采区岩样测试结果表

3 基于微震系统初次来压、周期来压研究

3.1 微震监测系统工作原理

微震监测系统可实现对矿井包括冲击地压在内的矿震信号进行远距离、实时、动态、自动监测，给出冲击地压等矿震信号的完全波形，通过分析研究，可准确计算出震动及冲击地压发生的时间、能量及空间三维坐标，确定出每次震动的震动类型，判断出冲击地发生力源，并且能分析出矿井上覆岩层的断裂信息，实现描述空间岩层结构运动和应力场的迁移演化规律[5]。

初次来压、周期来压期间，老顶断裂垮落，诱发大能量微震事件，因此通过发生的微震事件进行反推，可掌握上覆岩层断裂的信息，进而可确定工作面初次来压、周期来压的时间及步距。

3.2 1304 工作面微震监测系统布置

1304 工作面回采期间在轨道顺槽、皮带顺槽各布置2 个微震传感器，间距150m，工作面共计安装4个微震传感器，呈“菱形”布置，微震传感器随着工作面推进前移，具体布置如图3 所示。

图3 1304 工作面微震监测系统布置图

3.3 1304 工作面微震监测数据分析

1304 工作面自2 月28 日开始推采，截至10 月31 日累计推进555.1m，本文主要对2 月28 日至10月31 日之间的监测数据进行分析，初次来压、周期来压期间老顶折断或垮落引发矿压显现现象，因此初次来压、周期来压期间受老顶断裂影响，微震事件频次、能量较正常推采期间明显增加，微震事件频次、能量基本位于临近几日的峰值[6]，由图4 工作面微震事件、能量走势图，可初步确定工作面周期来压发生的时间，其中“CK”表示初次放顶，“CL”表示初次来压，“ZL”表示周期来压，并且结合工作面推进度，可确定初次来压、周期来压步距。

图4 1304 工作面微震事件频次、能量走势图

由表 3 可知，2 月 28 日至 10 月 31 日 1304 工作面共经历38 次周期来压，周期来压步距平均值为13.2m，初次来压步距为44.9m。

表3 1304 工作面初次来压、周期来压统计表

4 总 结

1）根究固支梁理论计算老顶断裂的极限跨距为49.2m， 因此确定 1304 工作面初次来压步距为49.2m，周期来压步距在12.3～24.6m 之间；根据微震监测系统数据分析，确定1304 工作面初次来压步距为44.9m，周期来压步距为13.2m。二者得出的数据基本吻合，因此可以通过微震监测系统确定工作面的初次来压、周期来压时间及步距。

2）1304 工作面为“刀把”型工作面，切眼对接前周期来压步距平均值为13.5m，切眼对接后周期来压步距平均值为13.2m，二者相差不大，因此工作面宽度的变化对老顶断裂、垮落影响不大，因此初步确定工作面宽度对周期来压步距影响较小。

3）通过微震监测系统确定周期来压步距，可提前采取相应的防冲措施，提高了防冲管理水平，降低了老顶垮落诱发冲击地压的风险。

4）利用微震监测系统确定回采工作面初次来压、周期来压时间、步距可推广应用至所有安设微震监测系统的冲击地压矿井，该方法确定初次来压、周期来压简单、准确，可切实提高矿井顶板管理、冲击地压防治水平。