文家坡煤矿冲击地压产生原因及微震监测

马志飞，李景润，葛 普，张 卓

(陕西彬长文家坡矿业有限公司，陕西 彬州 713500)

0 引言

随着我国煤炭浅部资源的不断开采，煤矿采深不断增大已成为主要趋势。煤炭深部开采造成的高地应力、冲击地压等灾害严重威胁矿井安全生产，对此，大量学者进行了相关研究。朱斯陶等[1]针对新疆特厚煤层复合顶板，采用现场调研、理论分析、现场监测等方法，对复合厚煤层巷道掘进颗粒弹射和冲击地压发生机理进行研究，结果表明，复合厚煤层掘进工作面冲击前后煤体应力及锚杆压力无明显变化，但复合厚煤层在冲击期间的小颗粒弹射会对地音监测结果的准确性产生重大影响，并基于此提出“地音大事件”概念。李振雷等[2]通过开展不同速率煤样的加载试验，采集了全波形声电数据并进行针对性分析，对煤在冲击过程中的时空演化规律进行研究，结果表明，声发射法与电磁辐射法的时序分布具有同步性，且提出煤在冲击期间分为若干阶段，各冲击阶段与载荷下降有明显的正相关关系，在冲击期间，冲击破坏发生在临近自由面的应力升高区内。杨光宇等[3]基于围岩演化规律的掘进工作面冲击地压事故分区概念，并结合各冲击区域的可监测特征，提出了“围岩应力状态、围岩震动、钻屑量及锚杆支护力”的四位一体冲击地压监测方法，并结合现场提出了工程条件冲击地压预警指标。窦林名等[4]通过总结我国冲击地压的发生特征、影响因素、监测预警手段等，提出冲击地压一般发生在巷道内，且影响范围一般在90～150 m，认为对冲击地压的监测应结合静载应力场和震动场两方面，其结果可有效提高冲击地压监测预警准确性。

总体来说，尽管目前冲击地压防治技术的理论不断创新、技术不断更迭，但由于矿区地质条件的差异，需要因地制宜的结合矿区实际情况，采取相应的冲击地压防治技术。为此，通过分析文家坡煤矿冲击地压的产生原因，选择合理的冲击地压综合治理措施，以期有效降低矿区冲击地压灾害的发生频次。

1 工程背景

文家坡煤矿目前正在回采4105工作面，工作面埋深536.4～778.9 m，4105工作面采用走向长壁综合机械化智能化放顶煤方法开采，全部垮落法管理顶板。DSJ140/250/5×400可伸缩皮带运煤。4105工作面煤层平均厚度9.1 m，其中，机采高度3.5 m，放煤高度5.6 m，采放比为1∶1.6。工作面直接顶为厚1.98 m的泥岩，老顶为厚4.81 m的粗砂岩，直接底为0.5 m的泥岩，老底为厚5 m的粗砂岩。4105工作面综合柱状图如图1所示。

图1 4105工作面综合柱状图Fig.1 Comprehensive columnar of 4105 working face

2 文家坡煤矿冲击地压产生原因分析

2.1 地质条件

2.1.1 工作面埋深

文家坡煤矿目前主采4号煤层，推采4105工作面。4105工作面埋深536.4～778.9 m，平均埋深657 m，属深部开采煤层。研究结果表明，埋深与冲击地压发生的概率有明显关系[5-8]，关系对比图如图2所示。由图2可知，在埋深接近400 m后，矿区开始出现冲击地压概率，但在埋深400～500 m范围内，冲击地压发生概率较低，尚不足10%；在埋深超过500 m后，冲击地压发生概率开始逐渐上升，在埋深500～700 m范围内，冲击地压发生概率剧增；与埋深在500～700 m的冲击概率相比，埋深超过700 m后，冲击地压发生的概率趋势较之前略显平缓，上述结果表明，随着埋深的不断增大，冲击地压发生概率随之增加，在埋深为500～700 m时，冲击地压发生概率较埋深小于500 m时大幅增长，涨幅速度快。结合文家坡煤矿4105工作面实际埋深，认为4105工作面冲击概率较大，需要采取相应的解危措施。

图2 埋深与冲击地压发生概率关系Fig.2 Relationship between buried depth and rock burst

2.1.2 煤层厚度及顶板岩性

4105工作面煤层平均厚度9.1 m，其中，机采高度3.5 m，放煤高度5.6 m，采放比为1∶1.6，采用综合机械化放顶煤采煤工艺进行回采。回采过程中，由于一次采空的高度较高，相应的造成支承压力积聚明显，冲击地压发生概率大幅上升。4105工作面直接顶为泥岩，泥岩厚度较薄；上层的基本顶为粗砂岩，厚度较厚，由于粗砂岩厚度较厚，且较为致密，随着工作面的回采，容易形成工作面顶板大面积悬顶，进而产生大量的能量积聚，一旦垮落，冲击地压发生概率较大。

2.1.3 冲击地压灾害评估

根据文家坡煤矿冲击地压灾害评估资料显示，文家坡煤矿4号煤层属中等冲击危险煤层，冲击危险性较大。通常，当外部冲击动载与煤岩体原有的静载叠加后，采掘空间周围原本稳定的煤岩系统，其巷道围岩体受到的地应力超出了其所能承载的极限范围，围岩体的平衡被打破，导致冲击地压显现，造成回采巷道破坏，动静载叠加作用诱发煤岩系统冲击地压灾害。

2.2 开采条件

2.2.1 顶板管理办法

顶板的管理方法是对冲击地压防治的重要管理措施之一，对冲击地压防治具有重要作用。由于顶板的垮落、断裂，对工作面积聚的弹性能量均有较大影响。文家坡煤矿4105工作面基本顶为厚4.81 m的中砂岩，厚度较大，强度较高，工作面回采期间，顶板悬顶造成的能量积聚，容易诱发冲击地压灾害。

2.2.2 煤柱留设尺寸

文家坡煤矿留设的区段煤柱方式采用宽煤柱护巷，煤柱宽度35 m。统计资料显示，深部矿井的宽煤柱留设方式造成的冲击地压事故远高于窄煤柱，区段煤柱留设尺寸不合理造成的冲击地压事故约占到总体的60%以上。但是，仅以防冲角度决定区段煤柱的宽度是片面的，一般情况下，煤柱宽度越窄，冲击地压发生事故概率越小，但煤柱宽度较小时，容易受煤柱两侧顶板作用力影响，发生崩塌。因此，合理地确定区段煤柱的尺寸十分重要。

3 微震监测结果分析

3.1 微震监测系统

文家坡煤矿采用ARAMIS M/E微震监测系统集成数字DTSS传输系统，实现了矿山震动定位、震动能量计算及震动的危险评价。传感器(拾震器或其他)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。系统可以监测震动能力大于100 J、频率范围在 0～150 Hz及低于110 dB(抗干扰能力)的震动事件。矿区正在回采4105工作面，经调整，现将4105工作面的微震监测探头调整为在初采期间，能够持续保持6个拾震器的覆盖，灵敏度小于1 100 V/g。

3.2 震动能量频次监测结果分析

3.2.1 4104工作面微震监测

4104工作面微震监测数据图,如图3所示。由图3可知，在回采过程中，共计监测到震动次数8 187次。震动能量在数量级103J的震动次数为3 687次，占总监测次数的45.03%；震动能量在数量级104J的震动次数为3 952次，占总监测次数的48.27%；震动能量在数量级105J的震动次数为496次，占总监测次数的6.06%；震动能量在106J的次数为52次，占总监测次数的0.64%。结合4104工作面微震监测数据统计结果能够发现，4104工作面震动能量范围基本集中在103J～105J内，其中，104J以上的震动次数超过总震动次数的50%，说明4104工作面微震监测的震动能量主要集中在104J数量级，在监测时间范围内，4104工作面微震活动规律变化较大。

图3 4104工作面微震监测数据Fig.3 Microseismic monitoring data of 4104 working face

3.2.2 4105工作面微震监测

4105工作面微震监测数据图，如图4所示。由图4可知，在回采过程中，共计监测到震动次数4 223次。震动能量在数量级103J的震动次数为2 046次，占总监测次数的48.45%；震动能量在数量级104J的震动次数为1 833次，占总监测次数的43.40%；震动能量在数量级105J的震动次数为344次，占总监测次数的8.15%；震动能量在106J的次数为0次，占总监测次数的0%。综合4105工作面微震监测数据分析认为，相比4104工作面，4105工作面发生震动的次数减少了51.58%，且同等数量级下，各级震动次数也有所减少，故可分析认为，4105工作面相对4104工作面冲击发生频率有所减弱。

图4 4105工作面微震监测数据Fig.4 Microseismic monitoring data of 4105 working face

3.3 震动相对高程监测结果分析

3.3.1 冲击地压发生的时间及空间关系

在时间关系上，工作面回采过程之间，冲击地压活动比较频繁。冲击地压的出现是一个由小变大、积少成多的过程，只有当强冲击地压发生后，集聚能量被释放后能量才开始逐渐下降，并再次开始逐级集聚能量，重新孕育下一个强冲击地压。所有的强冲击地压都不是单独出现的，可以看出冲击地压具有明显的丛集显现。一旦发生了强冲击地压，该区域在短期内会重复出现冲击地压。在平面空间关系上，冲击地压主要发生在工作面前方和临空区侧的位置，其主要是受工作面超前支承压力和临空区压力的影响[9]。震动发生的位置不同，震动造成的效果也有所差异，通过对沿着煤层走向剖面的震动时间相对高程进行统计分析，分析得出在回采过程中不同高程下发生震动对能量积聚产生的影响。

3.3.2 震动相对高程分析

通过对震动能量数量级在105J的震动次数相对高程进行统计，统计结果如图5所示。由图5可知，震动能量数量级在105J的震动相对高程在顶底板50 m范围内最为集中，其次继续延伸至顶底板50～100 m范围内，在顶底板100 m范围外，震动次数不多。由此可认为，震动能量在数量级105J的强烈震动主要发生在煤层顶底板范围内，尤其集中在工作面顶板位置。对比文家坡煤矿实际工作面地质资料可知，4105工作面顶底板条件普遍坚硬，充分说明在坚硬顶底板条件下，工作面开采过程中积聚了大量能量，在顶底板发生断裂后能量突然释放，诱发了工作面冲击地压现象。

图5 不同推进距离下震动相对高程统计散点Fig.5 Statistics of relative elevation of vibration under different mining distances

3.3.3 顶底板破断平均高程分析

通过对震动能量数量级在105J的震动所在的顶底板岩层破断平均高度进行统计，统计结果如图6所示。可以看出，震动能量数量级在105J的震动顶板破断现象基本集中在煤层上方40 m范围内，超过顶板40 m范围后顶板基本不发生破断，即可认为关键层基本位于煤层上方40 m范围内，且破断位置在煤层上方25 m左右破断现象最明显，随着工作面的持续推进，顶板破断平均高度开始逐渐下降；震动能量数量级在105J的震动底板破断现象基本集中在煤层下方40 m范围内，且破断位置在煤层下方25 m左右破断现象最明显，随着工作面的持续推进，底板破断平均高度开始逐渐增大。总体来说，随着工作面的不断推进，顶底板破断距离逐渐逼近工作面煤层。

图6 不同推进距离下顶底板破断平均高程Fig.6 Average elevation of roof and floor breaking under different mining distances

4 结论

(1)通过对文家坡煤矿冲击地压产生原因进行分析，发现文家坡煤矿冲击地压的产生主要受地质与开采两方面影响，主要包括采深、采高、煤层顶底板、顶底板管理方法、煤柱留设方式等。

(2)对比微震事件的发生频次能够发现，调整4105工作面微震探头监测布置方式后，4105工作面微震发生频次较4104工作面衰减51.58%，说明4104工作面回采对临近的4105工作面应力积聚产生积极作用。

(3)对比微震事件相对高程监测结果可以发现，震动能量数量级在105J的震动底板破断现象基本集中在煤层下方40 m范围内，且破断位置在煤层下方25 m左右破断现象最明显，随着工作面的持续推进，底板破断平均高度开始逐渐增大。总体来看，随着工作面的不断推进，顶底板破断距离逐渐逼近工作面煤层。