单侧采空工作面矿震活动规律与冲击地压相关性分析*

刘华博,段翠芳,孟凡净,花少震

(河南工学院 机械工程学院,河南 新乡 453003)

冲击地压是典型的煤矿深部煤岩动力灾害[1,2]。随着我国煤炭开采深度以每年约20m的速度向深部延展,冲击地压发生的频次越来越多,引发的煤岩体破坏亦越来越严重[3, 4]。

研究表明,冲击地压与煤岩体破坏引发的矿震活动有密切关系,可通过分析总结矿震活动规律对冲击地压灾害进行预测预警[5-7]。本文通过统计分析矿井21103工作面冲击地压事故与矿震事件时间域的对应关系,探索矿震与冲击地压的相关性[8,9]。

1 工程背景

某矿井井田面积98.08 km2。首采区21103工作面为矿井第二个回采工作面,西侧为煤矿首采面21102工作面采空区,两工作面间区段煤柱宽30 m,东侧为21104准备工作面,目前处于回采巷道掘进阶段。21103工作面设计长度320 m,设计推进长度4150 m,工作面巷道布置及邻近工作面概况如图1。

图1 21103工作面平面布置图

矿井井田总体构造形态为向北西倾斜的单斜构造,地层倾角一般小于2°,局部发育次级平缓褶皱。井田三维地震勘探解释有6个褶皱,分别为B1背斜、B2背斜、B3背斜、B4背斜、X1向斜、X2向斜。另探测到45条断层,分别为DF1～DF21、DF101～DF110和F101～F114。建井期间实际揭露断层47条,分别为F1～F47,均为正断层,落差在0.5～23.0 m之间。其中H <5 m的断层32条,占揭露断层总数的68.1%;5 m≤H<10 m的断层7条,占揭露断层总数的14.9%;H≥10 m的断层8条,占揭露断层总数的17.0%。断层倾角在25°～75°之间,53%的断层倾角大于50°,多为高角度断层。

对21103工作面具有显著影响的断层构造有5条,分别为F10、F8、F14、F16、F47,其中F8、F14、F16位于21103工作面内。当工作面回采临近这些断层构造时,易引发断层构造周边煤岩体破坏,甚至引发断层两侧岩体的整体错动,加剧工作面应力集中程度,增加工作面周边煤岩体冲击地压危险程度。

21103工作面主采2-1煤层的倾角为-3°～+3°,为近水平煤层,煤层厚1.8～2.97 m,平均2.54 m。根据煤、岩冲击倾向性鉴定国标的测试表明,2-1煤层具有强冲击倾向性,直接顶具有弱冲击倾向性,直接底为无冲击倾向性。直接顶板岩层以砂质泥岩、粉砂岩为主,厚2.53～7.8 m。老顶岩层以细砂岩、中砂岩为主,厚13.8～23.3 m。2-1煤层上方赋存有厚0.2～0.5 m的砂质泥岩薄层。直接底板岩层以砂质泥岩、粉砂岩为主,厚3.4～8.9 m。2-1煤层覆岩及底板赋存特征如表1。

表1 煤层顶底板特征表

2 工作面冲击地压显现特征

21103工作面自开切眼回采以来,已发生5次较明显的冲击地压动力灾害,5次冲击地压显现均发生在临21102工作面采空区侧的回风巷,超前正回采工作面0～133 m,巷道破坏范围2～60 m,冲击破坏范围跨度较大,同时回采工作面机头机尾处亦有冲击破坏显现。5次冲击地压破坏显现情况各不相同,详见表2。

表2 21103回风巷强矿压显现情况

由表中可知,矿压显现情况总体上可划分为三大类:①以邻采空区煤柱侧帮鼓为主,顶底板冲击显现不明显;②以顶底板破坏为主,巷道帮鼓不明显;③巷道帮鼓、顶底板破坏均较明显。如2018年2月15日凌晨3∶37发生的冲击地压事故(简称“2.15”冲击),冲击破坏范围20 m,以邻21102工作面采空区煤柱侧巷道帮鼓为主,造成锚杆、锚索、钢带及单体支柱损坏,并引发工作面机尾处行人通道被堵死,如图2所示,属于典型的第一类冲击显现类型。2018年2月6日凌晨4∶13发生的冲击地压事故(简称“2.6”冲击),冲击破坏范围达48 m,既存在邻采空区煤柱侧帮鼓现象,也存在底板鼓起现象,造成煤柱帮单体支柱被抛向回采帮,底板水泥地面明显突起,如图3所示,属于第三类冲击显现类型。在5次冲击破坏事故的部分冲击破坏区段,巷道帮鼓现象不明显,但是顶底板移近量较大,个别单体出现穿底现象,属于第二类冲击显现类型。

(a)机尾行人通道堵死 (b)单体被挤弯图2 “2.15”冲击破坏现场

(a)单体抛向回采帮 (b)底板开裂、鼓起图3 “2.6”冲击破坏现场

3 工作面矿震统计分析

3.1 矿震能量统计分析

工作面周边巷道内安装有ARAMIS微震监测探头,2018年1月3日监测系统调试完成并开始接收微震信号,至2018年4月16日在21103工作面及其周边区域共监测到有效矿震事件8331次,能量级及次数如图4所示。可见在21103工作面及其周边区域,各类采矿活动诱发的矿震事件以低能级事件为主,能量大于1E4 J的高能级矿震事件频次较少。

图4 21103工作面矿震频次及能量级分布

3.2 矿震震源分布统计分析

21103工作面2018年1月16日至2018年2月16日共进尺134.25 m,工作面回采范围如图1中2月份进尺范围;2月16日至3月16日共进尺132.15 m,工作面回采范围如图1中3月份进尺范围;3月16日至4月16日共进尺195.65 m,工作面回采范围如图1中4月份进尺范围。2～4月份21103工作面及其周边区域监测到的矿震事件震源平面分布如图5所示。容易看出,矿震事件存在4处明显丛集区域,主要分布在:① F14断层周边区域;② F16断层周边区域;③ 21103工作面临采空区侧回风巷道周边区域;④ 21102工作面采空区。可见断层构造、邻采空区侧煤柱应力集中是21103工作面矿震事件的主要诱发因素[10, 11]。

图5 21103工作面2～4月矿震震源分布

矿震丛集区域煤岩体是矿震能量释放的主体,受采掘扰动影响最为显著,煤岩体破坏更加剧烈,载荷积聚、调整及能量释放更为剧烈,为冲击地压高危区域,在冲击地压监测防范工作中应被重视。

4 矿震活动与冲击显现相关性分析

为探索煤岩体矿震活动规律与冲击地压显现之间的相关性[12,13],分别统计了2～4月份21103工作面回采期间诱发矿震事件每日累计能量、平均能量、最大能量、震动频次及冲击地压显现在时间域上的分布,以分析矿震活动参数与冲击地压显现的相关性,统计结果如图6、图7所示。

图6 矿震累计能量及平均能量变化规律

图7 矿震最大能量及频次变化规律

容易看出,在一段时间域内,矿震活动参数变化与煤岩体发生冲击地压事故存在三种典型的相关形式:①高频低能弱冲击危险。该类型表现形式为:一段时间域内,矿震事件日发生频次较多,但矿震日平均能量、日累计能量、日最大能量较低,即单个矿震事件能量较低,但总体个数较多。出现该矿震活动形式时,煤岩体表现为稳定的能量释放,冲击危险性较低。②低频高能强冲击危险。该类型表现形式为:在固定时间域内,矿震事件日发生频次较少,但矿震日平均能量、日累计能量、日最大能量较高,即单个矿震事件能量较高,表现为高能量强矿震事件,对工作面围岩应力波扰动明显,煤岩体易发生冲击地压事故,如“2.15”冲击事故、“3.8”冲击事故[14,15]。③高频高能强冲击危险。该类型表现形式为:在固定时间域内,不仅矿震事件日发生频次较高,而且矿震日平均能量、日累计能量、日最大能量较高,常连续出现高能量强矿震事件,对工作面围岩应力波扰动剧烈,煤岩体冲击危险性较高,如“2.6”冲击事故、“3.30”冲击事故。

容易看出,“2.6”、“2.15”、“3.8”、“3.30”四次冲击地压显现时,矿震累计能量及平均能量均呈现升高趋势,可见当矿震日平均能量及日累计能量升高时,煤岩体受矿震应力波扰动剧烈,发生冲击地压危险性较高。“3.30”冲击发生时,矿震日平均能量及日累计能量相对其余三次冲击事故较低,但仍发生冲击显现,可见即使在相对低能量矿震扰动下,若矿震频次较高,煤岩体在连续矿震应力波扰动下亦可能发生冲击地压事故。

针对矿震日震动频次及日最大能量,四次冲击事件均对应大能量矿震事件,“2.6”冲击事件发生时矿震日震动频次呈上升趋势,而“2.15”、“3.8”、“3.30”冲击事件发生时矿震日震动频次呈下降趋势,可见整体上日矿震频次与最大能量呈相反关系,即每日矿震事件数量显著降低时,可能发生高能量矿震事件,同时,冲击地压事故并非一定诱发大能量矿震,这与矿震震源与工作面距离相关,距离远应力波衰减严重,对煤岩体扰动作用小,冲击危险性低,距离近应力波衰减削弱,对煤岩体振动作用强,冲击危险性高。

5 结论

(1)单侧采空工作面邻空侧巷道冲击危险性高于实体煤侧巷道。邻空侧巷道冲击地压破坏显现特征可划分为三大类:孩以邻空侧巷道帮鼓为主,顶底板冲击破坏不明显;虎以顶底板破坏为主,巷道帮鼓不明显;虎巷道帮鼓、顶底板破坏均较明显。

(2)单侧采空工作面矿震活动以低能量矿震事件为主,能量级大于1E4 J的高能量矿震较少。断层构造、邻空侧煤柱是矿震活动的主要诱发因素。

(3)单侧采空工作面矿震活动与冲击地压存在三种相关形式:孩高频低能弱冲击危险;虎低频高能强冲击危险;虎高频高能强冲击危险。