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.pdf

煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 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 11304 工作面平面位置示意图 图 21304 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 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 ） 摘要 根据工作面回采初期固支梁结构理论， 计算老顶断裂时的极限跨距， 确定工作面初次来压步 距， 根据理论比例， 计算周期来压步距范围； 然后利用工作面安装的微震系统， 分析工作面微震事件频 次、 能量的变化， 反推工作面初次来压、 周期来压时间， 根据推进度， 确定初次来压、 周期来压步距； 最 后将通过计算及分析微震监测数据得出的初次来压、 周期来压步距进行对比， 二者基本吻合， 得出可 以利用微震监测系统确定工作面初次来压、 周期来压步距的结论。 关键词 微震监测系统 ； 初次来压 ; 周期来压 ; 极限跨距 ； 固支梁 中图分类号 TD76文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0062- 04 Based on the study of initial pressure and periodic pressure step of the isolated island working face of microseismic system LIANG Donghui , LI Xingjian , LIU Guangyao （Jiningjinqiaocoal mine jining , Jining 272200 ， China ） Abstract Accordingtothe structural theoryoffixed support beamin the earlystage ofstoping, the limit span offracture ofthe old roofis cal- culated, and the initial pressure step distance of working face is determined. According to the theoretical proportion, the interval of pressure step distance is calculated. Then, the microseismic system installed on the working face is used to analyze the change of frequency and energy ofmicroseismic events on the working face, and to push back the initial pressure and cycle pressure time ofthe working face. According to the degree ofadvance, the initial pressure and cycle pressure step distance are determined. In the end, the initial pressure and the period ofpres- sure step obtained from the calculation and analysis of microseismic monitoring data are compared. The two are basically consistent, and a conclusion is drawn that the microseismic monitoringsystemcan be used todetermine the initial pressure and the period ofpressure step. Key words Microseismic monitoringsystem; First pressure ; Periodic pressure ; The limit span ; Clamped beam 62 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 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。 Lh 2RT q■ （1 ） 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 h8.16m。 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 qq1r1h125 8.16204kMPa0.2MPa 将数值代入公式 （1 ） Lh 2RT q■ 8.16 23.64 0.2■ 49.2m； 一般情 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 11304 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。 3.21304 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 31304 工作面微震监测系统布置图 3.31304 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。 （a ） 3 月份微震事件频次、 能量走势图 岩层岩性厚度 /m 1粗砂岩4.48 2细砂岩6.34 3粉砂岩3.52 4泥岩4.14 5粉砂岩8.16 岩性抗拉强度 /MPa弹性模量 /GPa 粉砂岩3.643.00 63 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 （b） 4 月份微震事件频次、 能量走势图 （c ） 5 月份微震事件频次、 能量走势图 （d） 6 月份微震事件频次、 能量走势图 （e） 7 月份微震事件频次、 能量走势图 （f ） 8 月份微震事件频次、 能量走势图 （g ） 9 月份微震事件频次、 能量走势图 （h） 10 月份微震事件频次、 能量走势图 图 41304 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 31304 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 （下转第 67 页 ） 序号 来压 时间 来压 步距 /m 备注序号 来压 时间 来压 步距 /m 备注 13.519.3初次放顶217.614.1 23.1244.9初次来压227.1011.4 33.1915237.1618 43.2412247.199 54.112.6257.2710.4 64.913.8268.317.7 74.127.8278.813.8 84.1917.4288.149.6 94.2310.2298.178.4 104.2710.5308.2213.8 115.512318.259 125.1219.8329.216.2 135.1610.8339.915.6 145.2010.8349.1612.6 155.2815.6359.2111.4 166.315.6369.2816.2 176.1117.43710.712.9 186.1818.63810.1314.1 196.2416.23910.2010.2 206.2810.24010.2511.7 64 ChaoXing （上接第 64 页 ） 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。 参考文献 [1] 毛勇奋， 林飞， 郭伟成等.综放工作面周期来压分析研究 [J].陕西煤炭， 2014.12 14- 16. [2] 余刚. 潘四东矿复杂条件下半孤岛工作面初次来压分析 研究[J].内燃机与配件， 2017.01 116- 118. [3] 王建坤， 刘超等 条带预采上分层凹型煤体开采冲击地压监 测数据分析[J].内蒙古煤炭经济， 2019.05 102- 104141. [4] 常龙， 田庆祝， 周伟等. 煤矿开采过程中采煤工作面老顶 初次来压步距及周期来压步距的计算方法[J].内蒙古煤 炭经济， 2013.10 94- 96. [5] 王创业， 谷雷， 高照等. 微震监测技术在矿山中的研究与 应用[J].煤炭技术， 2019.10 45- 48. [6] 梁东辉. 微震事件与工作面推采速度采高的关系研究[J]. 陕西煤炭， 2017.10 27- 29. 作者简介 梁东辉 （1989-） ， 男,山东济宁人,汉族,工程师,大学本科, 现就职于济宁市金桥煤矿防冲办公室， 从事矿井冲击地压防 治工作。（收稿日期 2019- 11- 20 ） 可知， 采用深孔预裂爆破后， 本煤层单孔平均瓦斯 抽采浓度提升至 36， 提升幅度显著， 从工作面整 体抽采率分析，当工作面采用深孔预裂爆破后， 抽 采率达到 46， 未采用深孔预裂爆破时， 本煤层瓦 斯抽采时间为 6 个月， 采用预裂爆破后的预抽时间 缩短为三个月， 预抽时间缩短一倍。基于上述分析 可知，深孔预裂爆破技术有效提升了煤层的透气 性， 提升了工作面瓦斯抽采效率。 表 3深孔预裂爆破后本煤层钻孔及抽采瓦斯情况数据表 4结论 根据 2- 226 工作面的地质条件， 通过具体分析 深孔预裂爆破理论， 进行工作面深孔预裂爆破方案 的具体设计， 确定爆破孔装药长度为 55m， 封孔长 度为 14m， 并具体进行装药及封孔工艺的设计。通 过对本煤层钻孔抽采数据的分析可知， 深孔预裂爆 破后， 瓦斯抽采浓度明显增大， 有效缩短了本煤层 钻孔预抽时间， 煤层增透效果显著。 参考文献 [1] 刘志. 硬岩顶板深孔爆破增透技术抽排瓦斯的方案设计 与应用[D].安徽理工大学,2017. [2] 刘健,刘泽功,高魁,等.深孔定向聚能爆破增透机制模拟 试验研究及现场应用 [J]. 岩石力学与工程学报,2014,33 （12） 2490- 2496. 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