基于微震数据反演分析的煤矿工作面突涌水危险性评价.pdf
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1、收稿日期:2023 02 10作者简介:穆永刚(1990-),男,山西吕梁人,工程师,从事煤矿地质、防治水技术管理及安全管理工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.10.024基于微震数据反演分析的煤矿工作面突涌水危险性评价穆永刚(山西鑫飞能源投资集团有限公司 山西 吕梁 033300)摘 要:基于山西某矿 4上煤层作为 4 煤层的保护层进行开采的实际工程背景,针对该特殊区域采掘活动中存在显著突涌水危险的现状,为了进一步降低采动影响下 40111 工作面突涌水的可能性,借助于现有的微震监测设备分析回采速度与微震“时间-空间-强度”特征参数之间的关系,为进一步阐
2、明突涌水规律提供理论依据。研究结果表明:4上煤层作为 4 煤层的保护层开采可以有效降低工作面微震能量大小,证明该方法起到了很好的卸压作用。同时微震空间分布特征与回采速度的相关性,最终确定了合理的回采速度,也为形成煤矿突涌水防治体系提供了数据支撑,确保矿井深部开采本质安全。关键词:微震数据;突涌水;反演;规律中图分类号:TD745 文献标识码:B 文章编号:1005 2798(2023)10 0084 03 经过大量的研究,突涌水地压发生机理已趋于清晰。从力学本质上讲,突涌水地压是特定地质赋存条件下的煤岩体系统由于采矿活动在变形破坏过程中能量的稳定态积聚、非稳定态释放的非线性动力学过程,是其外部
3、荷载环境、内部结构、构造及其物理力学性质的综合反映,具有明显的时空演化特征1。在丰富的发生机理理论研究基础上,进一步推进了突涌水地压的预测预警机制研究。而突涌水地压的准确监测预警可为现场采取措施避免灾害的发生提供依据2。目前国内外现场应用最多的突涌水地压监测预警方法主要有:电磁辐射法、微震法、地音法、应力监测法及钻屑法3-7。钻屑法和应力监测法属于接触式探测方法,需要进行钻孔工程,打钻费时费力,而且限于钻孔数量,探测范围十分有限。目前国内外常用电磁辐射法、微震法和地音法(声发射)等非接触式的突涌水地压监测技术手段进行突涌水地压的监测预警。微震法和地音法通过在顶板、煤层和底板中布置探头(或拾震器
4、)并实时采集煤岩体在应力作用下发生破坏而产生的应力波,可实时接收并保存煤岩震动信号,从而为突涌水地压危险预测提供基础数据。山西某矿采掘活动逐渐向煤层埋藏深部转移,存在地质构造异常区,且受煤柱宽度和回采扰动等开采因素影响,具有一定的突涌水危险性,采掘过程中,突涌水给矿井安全生产带来威胁。4上煤层作为4 煤层的保护层进行开采,有必要在上覆煤层开采后对 4 煤层工作面回采期间突涌水活动规律及防治方案进行总结,为后续研究并建立适合矿井的突涌水管理体系、规划体系、评价体系、监测体系、防治设计体系、效果检验体系相结合的“六位一体”的防治体系提供技术支撑,并指导矿井下一步防冲工作。1 工作面概况目前矿井采掘
5、工作面分别位于 401(411)、402(412)和 403 采区,4 煤大巷将 401 采区分为东西两翼,两翼均已开采。40111 采区西翼共设计 4 个回采工作面,即 40105 工作面、40107 工作面、40109 工作面、40111 工作面,采区内顺序回采。40111 工作面为第 4 个回采工作面,即最后一个回采工作面,具体工作面布置如图 1 所示。图 1 40111 工作面布置示意40111 工作面东部为 4 煤大巷保护煤柱,西部 4上煤为 41201 工作面采空区,4 煤为未采区(距采区边界 18 m),北侧为 40109 工作面采空区,本煤层区段煤柱留设宽度 48 m,南侧为西
6、部大巷保护煤柱,上覆 41106 工作面采空区,回顺(上巷)内错13.1 m,运顺(下巷)外扩 42.5 m,上下煤层层间距问问题题探探讨讨 第第 3 32 2 卷卷 第第 1 10 0 期期 2 20 02 23 3 年年 1 10 0 月月平均20 m.4 煤层上距4上煤层0.8045.55 m,平均17.05 m.4上煤层平均厚度 2.88 m,4 煤层厚度平均为 11.65 m,二者均为弱突涌水倾向煤层,其顶板均具有弱突涌水倾向,但 4上煤层埋藏更浅,且厚度更薄,为便于 4 煤层的巷道维护和突涌水地压防治,保护层应选择 4上煤层,但在上下煤层工作面联合开采时应注意工作面切眼、停采线和区
7、段煤柱的空间位置,避免或减小 4上煤层开采后的应力增高区域对 4 煤层的影响。4上煤层开采后,其采空区底板应力重新分布形成应力卸压区,遗留区段煤柱处底板应力在侧向支撑压力及采动顶板共同作用下沿一定角度向底板深部传播并形成应力增高区域,下伏4 煤层开采前,遗留区段煤柱下方被原岩应力等值线包络的区域应力将有一定集中,造成诱发突涌水地压的能量源头,直接影响突涌水的作用机制。2 微震监测方案设计与布置2.1 微震监测原理微震监测系统的主要功能是对全矿范围进行突涌水地压的预测预报,是一种区域性监测方法。系统自动记录微震活动,实时进行震源定位、微震能量计算和防治措施评估,为评价全矿范围内的突涌水地压危险提
8、供依据。2.2 微震监测方案布置在 40111 工作面内,微震系统至少布置 4 个微震监测传感器(探头、拾震器),地音系统布置 4 个地音探头。微震监测系统的布置原则为:探头之间距离 200500 m,探头与拾震器之间的距离 500800 m.地音监测系统的布置原则为:探头成对使用,相互距离 80 m,距离工作面不小于 30 m.微震探头布置方案如图 2 所示。图 2 40111 工作面回采期间微震布置图2.3 微震预警指标微震监测指标常用于表征岩体损伤,通过不断进行工程实践,并结合实际矿井开采条件,确定适合本矿自身条件的微震监测的阈值。确定当工作面监测预警出现以下情况之一时,工作面进入相应危
9、险状态。按监测预警等级将突涌水地压危险状态分为 4 种,采掘活动过程中针对不同危险等级采取对应的应对措施:正常生产;正常生产,加强监测;停止生产,人员撤离危险地点,开展解危措施,检验结果低于临界值,确认危险解除后恢复生产;停止生产,人员撤离危险地点,待危险等级降至 c 级或分析其它监测手段无危险后采取解危措施,检验结果低于临界值,确认危险解除后恢复生产,具体的突涌水地压危险的微震监测预警指标如表 1 所示。表 1 突涌水地压危险的微震监测预警指标危险状态回采工作面掘进工作面aEmax5103 JE105 JEmax5103 JE5103 Jb1103JEmax1105 JE106 J5103
10、JEmax5104 JE106 Jc1105JEmax1106 JE107 J5104 JEmax1105 JE1106 JE107 JEmax1105 JE105 J 注:E 为微震能量大小;Emax为所监测到的最大能量;E 为累计能量。3 微震活动规律分析3.1 微震事件发生基本情况40111 工作面微震事件周期选取 2020-07-182021-08-31 整个回采期间,40111 工作面共推进约 1 745 m.对该期间 40111 工作面范围的微震数据进行分析,工作面范围内共有 38 131 个有效微震 事 件,总 能 量 为 1.8 107 J,平 均 能 量 为4.6102 J,
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