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近距离煤层重复采动裂隙场判别工程试验研究

2025-03-08 51 上传者：管理员

摘要：为了掌握采动覆岩经历二次扰动后覆岩裂隙演化发育的特征，以下石节煤矿222下工作面和2301上采空区工程为研究对象，通过采用高精度ESG微震监测系统，对重复采动条件下222工作面采动覆岩的微震事件进行监测，分析工作面覆岩裂隙三维空间分布特征。确定了222工作面裂隙带的具体范围以及层位，裂隙带高度为64～151 m。覆岩空间微破裂前后分布范围在200 m内，确定了采动裂隙场的基本范围，为后续瓦斯治理、巷道支护提供数据支撑。

关键词：
微震监测
煤炭资源
裂隙演化
近距离煤层
重复采动
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我国煤炭资源已进入深部开采阶段｡然而,深部煤炭资源的赋存情况通常较为复杂,受到多种因素的影响,导致煤矿自然灾害的严重性增加[1-3]｡目前,煤层群重复采动现象越来越多｡在对采动裂隙的研究中,学者们提出了多种理论来描述这一现象｡KARACANCO等[4]提出的“垮落带､裂隙带和连续变形带”是对采动覆岩裂隙演化过程的形态学描述｡刘天泉等[5]提出的“顶三带､底三带和侧三带”理论,是对岩体在采动影响下变形的三维空间分布的描述｡此外,许家林等[6]基于关键层理论,研究了工作面覆岩采动裂隙的分布规律,以及裂隙“O”形圈特征｡李树刚等[7]提出覆岩采动裂隙带呈现椭抛带分布｡张玉军等[8]重点介绍了采动覆岩破坏的规律;刘奇[9]结合光纤-岩体耦合关系,探究采动覆岩垂直分带时空演化特征;孙宝强等[10-11]采用多功能的智能钻孔探测的方法,将覆岩裂隙场划分为不同的区域;孟祥军等[12]通过二维物理相似模拟实验,发现采空区离层量受“横三区”岩层分布的影响,呈现出特定的分布特征;史博文等[13]利用离散元方法,研究了覆岩裂隙富集区的形态和大小范围随工作面推进的变化情况｡

可以发现,国内外研究主要汇集在单煤层开采的采动覆岩裂隙演化过程,对于煤层群开采过程中相互影响规律及控制研究相对比较少｡同时,对采动覆岩裂隙演化过程监测有效手段目前主要有微震监测,煤岩石发生破坏时产生微破裂,发生微破裂时会产生弹性波,在一定区域内布置检波器并实时采集数据,经数据处理,可确定破裂发生的位置,并在三维空间上显示出来,可以确定采动覆岩裂隙演化发育的整体空间范围[14-15]｡

基于此,通过现场布置ESG微震监测系统,对重复采动条件下222工作面覆岩的微震事件进行监测分析,可以确定222工作面裂隙带的具体范围､层位､裂隙带数据｡

1、工程概况

1.1工作面概况

下石节煤矿位于陕西省铜川市耀州区瑶曲镇,距离耀州区约45km｡该矿井主要开采侏罗纪延安组的4-2#煤层,煤层赋存相对稳定,倾角在浅部为15°~20°,深部为5°~10°,整体上呈现向北西倾斜的单斜构造｡下石节煤矿为高瓦斯矿井,4-2#煤层的瓦斯含量在2.45~4.91m3/t｡主要的采煤工作面包括220工作面和2301综采工作面｡220综放工作面回顺侧位于4-2#煤层和3-2#煤层合层状态,两层之间的平均间距为1.2m｡2301综采工作面开采的是3-2#煤层,也是该煤层的首采工作面,煤层赋存较为稳定,厚度在4.0~5.5m｡煤层结构相对简单,其上方发育有一薄煤层,厚度在0.3~1.5m,与主煤层的间距在0.2~2.5m｡岩性主要是粉砂质泥岩和粉砂岩｡工作面内部与4-2#煤层的间距在3.7~38.4m,222和2301工作面上下层位关系,如图1所示｡

图1工作面之间层位布置关系

1.2问题阐述

根据222工作面和2301工作面的煤层布置情况,由于3-2#煤层与4-2#煤层之间距离较近,目前情况是2301工作面已经进行了上覆煤层的采掘｡对于222工作面而言,这导致其上方形成了一片采空区域｡在这种情况下,下方煤层在222工作面高强度的采掘作业下,使得原本属于2301工作面的冒落带和裂隙带变成了222工作面的冒落带,裂隙带的发育范围也随之扩大｡

根据关键层的运动特征,近距离煤层重复开采造成覆岩破碎和裂隙分布规律可分为3个阶段:冒落带､裂隙带和裂隙带发育区｡冒落带和裂隙带的高度在推进过程中不断向上发展,尽管一定程度上在工作面推进后高度值基本保持稳定｡当下方煤层开采后,直接顶面积逐渐扩大,到达一定程度时,可能导致直接顶的垮落,并形成破碎区,整体形成复合采空区,导致裂隙带和冒落带的发育范围都增大｡

这种理论结合可能形成的工作面采空区裂隙发展模式,但现场验证尚不足｡近距离煤层重复开采条件下,采空区裂隙的发育以及瓦斯运移规律尚未形成完整体系;而在下行开采过程中,上煤层的开采会对其底板造成损伤和破坏,直接影响下煤层的顶板(即上位煤层的底板)结构和应力分布｡这种变化导致下煤层开采出现了以往单一煤层开采中未曾遇到的多种矿山压力现象,从而使得裂隙发育规律与单一煤层开采有所不同｡

2、构建微震监测系统

2.1微震监测方案

根据煤矿井下监测任务的要求,可通过在工作面两侧布置传感器,针对工作面回采过程中顶板裂隙的发育情况进行实时､连续监测,及时识别并定位裂隙区位置,同时,监测系统为移动式监测,如图2所示｡

图2微震监测方案

2.2构建微震监测系统

微震监测系统由3部分组成:地面PC处理端､微震波形采集仪和检波传感器｡本次使用传感器的安装方法要在垂直空间位置,这样便于检波,拾取有效的S波形用于判断裂隙发生的空间位置,将传感器电缆连接到电源,并检查电压是否在18~22V｡传感器使用1对电缆和带有铝线圈的屏蔽线连接到微震波形采集仪系统｡在建立系统后,首先需要确保井下工作站､井下光端盒､井上光端盒以及井上主机之间通过网线进行连接,这将实现数字信号与光信号之间的转换｡接下来,进行细致的检查工作是至关重要的,这包括对所有传感器､电缆､光缆､集线器和连接盒等设备进行逐一排查,目的是将这些设备受到的干扰影响降至最低｡通过这样的检查流程,可以确保整个系统运行的稳定性和可靠性｡

3、采动裂隙场的判别

3.1微震监测结果

高频微震监测系统在工作面推进过程中发挥着关键作用,它能够实时捕捉并分析岩层破裂产生的微震信号｡对于信号强度较高的微震事件,系统能够迅速进行时空定位,为矿井安全提供即时反馈｡下面对监测结果进行统计｡

随工作面采动影响覆岩微震发生过程,如图3所示｡工作面刚开始回采时,共采集到有效微震事件29次,微震事件主要集中在222工作面回风顺槽80~400m内｡沿走向在采空区覆岩高度8~15m(距煤层顶板,下同)微震事件集中分布,同时在采空区底板､采空区后方及工作面前方煤岩产生了若干事件｡沿倾向微震事件集中分布在工作面两侧及工作面中间区域,在采空区覆岩中部及两端事件分布相对集中｡工作面推进60m时,微震事件增多,集中程度更加显著,共采集到有效微震事件342次,主要分布在222工作面回风顺槽100~800m内｡事件分布在沿走向和高度方向均有所延伸｡采空区前后煤岩微震事件分布范围增加｡沿倾向微震事件分布高度亦有所增加,采空区覆岩中部及两侧事件集中程度增大,采空区两侧煤岩新增若干事件｡从微震事件数来看,考虑强施工扰动或与工作面来压有关｡工作面推进120m时,微震事件集中区域沿走向和高度方向又有一定发展｡共采集到314次有效微震事件,分布在222工作面回风和进风巷100~800m内｡沿倾向微震事件分布高度亦有所增加,采空区覆岩中部及两侧产生较多集中事件,同时采空区两侧煤岩新增较多事件｡

工作面推进至120m时,微震事件集中区域在空间上沿走向和高度方向持续延伸｡共采集到有效微震事件360次,主要分布在回风顺槽200~800m内｡最大分布高度增至56m,沿倾向采空区覆岩微震事件呈层状分布｡工作面前方煤岩微震事件继续向前发展,且采空区外侧微震事件集中程度增加｡

随着工作面的推进,微震事件的集中程度显著增加,特别是在160m处,事件的分布范围沿走向和高度方向扩展｡在2305工作面的250~800m内,共记录到356次有效微震事件,其中250~400m内,微震事件的分布高度达到68m,显示了采空区煤岩微震事件的分布范围在不断扩大｡同时,沿倾向方向的微震事件分布高度也在增长,特别是在采空区覆岩的中部和两侧,事件的集中程度更为显著,且在采空区外侧的煤岩也观察到了微震事件的持续扩散｡

随着工作面的进一步推进,每前进20m,微震事件的空间分布呈现出椭圆形抛物线状｡当工作面推进至180m时,微震事件的分布高度基本稳定,集中在大约65m的高度范围内,而采空区周围的煤岩中微震事件的分布也较为密集｡

图3随工作面采动影响覆岩微震发生过程

在工作面回采过程中,共监测到276次有效微震事件,这些事件主要集中在222工作面的运输和回风巷道的超前支护区域以及巷道内的临时施工区域｡此时,微震事件的集中分布高度约为85m,最大分布高度达到146m｡尽管微震事件频繁,但单个事件的能量并不大,主要受工作面周期性压力､工作面开挖和其他施工活动的影响｡

当工作面推进至240m时,微震事件的数量有所增加,但能量普遍较低,属于正常范围内的表现｡每日的微震能量保持在预警值以下,事件在时间和空间上的分布较为分散,主要为采动和施工影响下的微小破裂事件,没有出现较大能量的微震事件,这表明工作面及回采巷道的煤岩体保持了相对的稳定性｡此时,微震事件的集中分布高度维持在85m左右,最大分布高度约为151m,采空区周围的煤岩中微震事件的分布依然较为集中｡

3.2采动裂隙场的判别

工作面回采过程微震事件空间分布总图,如图4所示｡

图4工作面回采过程微震事件空间分布总图

通过对222工作面的微震事件分布进行详细分析,旨在揭示矿井内部的地质活动特点和潜在的安全风险｡分析结果显示,微震事件在特定的垂直和水平范围内表现出明显的集中性,这为矿井安全管理提供了重要的参考信息｡在222工作面,微震事件的水平分布主要集中在20~85m内｡这一现象表明,该区域的覆岩运动非常活跃,微破裂事件频繁发生,裂隙分布密集｡这种集中的微震活动可能与地质构造､地应力分布以及采矿活动等因素有关｡随着工作面的不断推进,微震事件在垂直方向上的分布呈现出明显的特征｡数据显示,微震活动主要集中在21~64m的垂直范围内｡这一范围内的微震事件频繁,可能指示着该区域存在较高的地应力集中,需要特别关注｡在竖直方向上,微震事件的最远观测位置在距离工作面64~151m处｡这一观测结果表明,微震事件的影响范围可能比预想的要广,矿井安全管理需要考虑到这一因素,以确保作业安全,在分析微震事件的同时,还参考了煤层顶板的主流理论——三带理论｡该理论将煤层顶部分为垮落带､裂隙带和弯曲下沉带｡这一理论框架为理解微震事件的分布提供了理论基础｡通过柱状图分析,确定了222工作面的裂隙带高度为64~151m｡这一范围的确定对于预测和防范矿井内部的裂隙发展具有重要意义,有助于采取相应的工程措施,降低矿井安全风险｡

4、结语

(1)在222工作面构建了微震监测系统,对回采过程中顶板裂隙的发育情况进行实时､连续监测,及时识别并定位裂隙区位置,根据微震事件的分布描述裂隙发育的规律｡

(2)222工作面覆岩微震事件三维空间区域在竖直方向上最远端在距工作面64~151m的位置处,根据工作面柱状图,可以确定222工作面裂隙带的具体范围以及层位,裂隙带高度为64~151m,前后分布区域为200m范围｡

(3)确定了采动裂隙场的基本范围,为后续瓦斯治理､巷道支护提供数据支撑｡

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