深井特厚煤层综放工作面微震活动规律研究∗

2016-04-25王元杰

中国煤炭 2016年3期

关键词：冲击地压深井断层

王元杰

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013; 2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京市朝阳区,100013)

深井特厚煤层综放工作面微震活动规律研究∗

王元杰1,2

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京市朝阳区,100013; 2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院,北京市朝阳区,100013)

摘要新巨龙矿井2303S工作面开采深度900 m,为沿空工作面,工作面采用综合机械化放顶煤开采工艺。根据微震监测系统的监测数据,分析了2303S工作面微震事件分布规律,研究表明微震事件的能量释放具有明显的周期性,微震能量释放与工作面回采速度成正相关关系,工作面靠近断层位置时冲击危险性增大,工作面开采影响范围大致在工作面后方100 m到工作面前方200 m范围内,顶板破裂带高度在80 m左右。

关键词深井特厚煤层综放工作面微震监测冲击地压断层

Research on micro-seismic activity rule in fully mechanized caving face of extra-thick coal seam in deep mine

Wang Yuanjie1,2
(1.Coal Mining& Designing Department,Tiandi Science& Technology Co.,Ltd.,Chaoyang,Beijing 100013,China; 2.Coal Mining and Design Branch,China Coal Research Institute,Chaoyang,Beijing 100013,China)

Abstract The mining depth of 2303S working face in Xinjulong Mine was 900 m,the face that was gob-side working face adopted fully mechanized caving mining technology.According to monitoring data of micro-seismic monitoring system,distribution rule of micro-seismic events in the working face was analyzed.The research results showed that the energy release of micro-seismic had obvious periodicity,there was a positive correlation between the energy release and working face advance speed,and the rock burst risk in the working face near fault increased,the mining influence range was from 100 m behind the working face to 200 m ahead the working face,and the height of roof fracture zone was about 80 m.

Key words deep mine,extra-thick coal seam,fully mechanized caving face,micro-seismic monitoring,rock burst,fault

微震监测技术是冲击地压预测预报研究中的主要手段之一,随着我国深部开采矿井数量的增多,其应用数量也在日益增多.新巨龙公司矿井位于山东省菏泽市巨野县龙固镇,矿井生产条件复杂,主要表现为厚表土层、高地温、强地压、大涌水、大采深、大采高等,其中冲击地压与异常来压防治是最为困难和具有风险的难题之一.为提高矿井冲击地压的预测预报水平,新巨龙矿井选择北京科技大学研发的针对工作面区域内监测的微震监测系统,而后为加强对工作面后方采空区和两侧区域的微震事件监测,又从天地科技股份有限公司引进了支持全矿井范围内监测的ARAMIS微震监测系统,实现对全矿井范围内的微震事件进行监测.

1　工作面概况

新巨龙矿井平均采深800 m,局部达到1000 m,最大主应力为水平应力,其值最大为46MPa,约为垂直应力的1.9倍,原岩温度为46℃,最高出水点温度为52℃,涌水最高达1700 m3/h.新巨龙矿井3＃煤层为主采煤层,其中2303S工作面为沿空工作面,工作面倾斜长度268.4 m,走向长度2294.3 m,上平巷为沿空巷道,下平巷为实体巷道,平均开采深度900 m,回采煤层厚度3.8 ～8.5 m,平均7.7 m,属于特厚煤层,煤层赋存稳定,结构复杂,中间夹0.10～0.35 m厚的泥岩或炭质泥岩.采用综合机械化放顶煤开采工艺,煤层具有弱冲击倾向性,顶板具有中等冲击倾向性.

2　微震事件统计

选取2303S工作面在2014年9月1日－2015 年1月8日期间共130 d的微震事件进行统计分析,ARAMIS微震监测系统监测到微震事件共1886个,总能量为19648118 J,即1.96×107J,每个事件平均能量为10418 J,即1.04×104J,期间共推进407.5 m,平均释放能量为48216 J/m,即4.82×104J/m.其中能量在103～104J范围内的微震事件最多,占总数的58.2％,而能量在104～105J范围内的微震事件数目虽然不是最多,但总能量却占所有事件总能量的62％.

3　微震频率与能量变化规律

图1为2303S工作面每天的微震事件频率和能量的变化曲线.

图1　每天频率和能量变化曲线

从图中可以看出有3个明显的微震事件活跃时段,A时段(9.2－9.30)每天微震事件频率为16.17次,平均能量为148815 J;B时段(10.18 －11.1)每天微震事件频率为23.6次,平均能量为385748 J,此时段能量和频率都达到最高值;C时段(12.7－1.8)每天微震事件频率为20次,平均能量为152958 J.时段A与B之间,时段B与C之间都有一个不活跃时段,此时段内能量和频率都处于较低的水平,为平静期.可以看出能量释放具有明显的周期性,表现为两个活跃期之间存在一个平静期,平静期的煤岩体处于能量积蓄阶段,当能量积蓄到一定程度,必将迎来下一个活跃期.

4　微震能量释放与工作面回采速度关系

图2是2303S工作面每天每米推进平均释放的能量,反映了工作面能量释放的烈度.9.30、11.12、12.29三天的能量释放较为强烈,并且能量强烈释放前大都存在着一个数据逐渐上扬的态势,强烈释放后则存在着一个明显低谷期.

图2　工作面每米推进平均释放能量

图3统计了回采期间工作面在不同回采速度时能量释放情况.工作面回采速度越大,能量释放越多,能量释放与工作面回采速度成正相关关系.工作面回采速度在3～4.5 m/d时能量释放均保持在3×105J以内,工作面回采速度大于5 m/d时能量释放呈现急剧增加的态势,且具有很大的离散性.因此合理确定回采速度可以控制能量释放,继而可以有效降低冲击地压发生的危险.

图3　工作面回采速度与能量释放的关系

5　微震事件分布规律

5.1微震事件平面分布规律

图4为10月份的微震事件平面投影图,在断层和采空区的双重影响下,2303S工作面微震事件密集在上巷与断层线的包络范围内.断层附近大能量微震事件较多,其中2014年10月22日早上8: 44:17发生一个微震事件,能量达到了5×106J,是回采期间所有1886个微震事件里面能量最大的一个.此事件发生在断层与2303S下巷交叉的区域,表明断层对冲击地压危险性的影响开始显现,应加强防范.

图4　10月份微震事件平面投影图

图5　工作面走向微震事件数和能量分布

统计了工作面前后微震事件的数目及微震事件能量分布,见图5.可见微震事件主要分布在工作面前方100 m以内,共发生693个微震事件,释放能量共计6.96×106J,再次是－100～0 m (－表示工作面后方)以内,共发生492个微震事件,释放能量共计5.04×106J,其次是工作面前方100～200 m范围内,共发生264个微震事件,释放能量共计3.45×106J.－100～200 m范围内微震频率占总数的77.8％,能量占81.25％,表明工作面开采影响范围主要区域为－100～200 m区间内.工作面前方200 m内可视为冲击危险区,对工作面前方200 m内要加强支护和监测.

5.2微震事件剖面分布规律

微震事件剖面分布情况如图6所示.由图可见,微震事件发生于顶板的居多,因此危险能量源主要来自于顶板;上平巷微震事件较密集,原因为2302S工作面采空区的存在,以及2303S工作面的开采引发了2302S工作面顶板的二次运动,导致上平巷受到压力较大;顶板破裂带高度在80 m左右,80 m内的岩层运动较为活跃,是工作面压力和动力现象的主要诱因岩层.