余吾煤矿N1100工作面采动覆岩运动及显现特征分析.pdf

余吾煤矿 N1100 工作面采动覆岩运动及显现特征分析张兴润，李 刚，王 刚，庄小威（山西潞安集团 余吾煤业有限责任公司，山西 长治 046100）摘要：为更加深入了解余吾煤矿开采覆岩运动和矿压显现规律，采取微震监测和统计分析的方法，以 N1100 工作面为研究背景，对微震事件分布及能量演化规律和覆岩运动范围进行分析，研究表明：N1100 工作面侧向采空区和本工作面联动下的顶板实现了较为良好的断裂释能；动压显现的应力峰值位于工作面前方 60100 m 范围内，超前动压显著影响范围为超前 200220 m，非动压影响区在工作面超前 320340 m 范围以外，为工作面停采线外大巷煤柱的优化设计及其超前抗震支护提供了数据依据。关键词：微震监测；回采进尺；覆岩运动；显现特征中图分类号：TD325文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）05-0061-05Analysis of mining overburden movement and developing characteristics in N1100 working faceZHANG Xingrun,LI Gang,WANG Gang,ZHUANG Xiaowei（046100,）Abstract：In order to have a deeper understanding of the overburden movement and the law of ore pressure in Yuwu Coal mine,themicroseismic monitoring and statistical analysis method are adopted,and the N1100 working face is taken as the research background toanalyze the microseismic event distribution and energy evolution law and the motion range of overburden.The research shows that:The roof ofN1100 working face realizes relatively good fracture energy release under the linkage between the lateral goaf and this working face.The peakstress of dynamic pressure is located in the range of 60100m in front of the working face,the significant influence range of dynamic pressureis 200220m in front of the working face,and the non-dynamic pressure influence area is beyond the range of 320340m in front of theworking face,which provides the data basis for the optimization design of coal pillar outside the stoping line of the working face and its advanceseismic support.Key words：microseismic monitoring；stoping footage；overburden movement；manifestation feature0引言在煤矿开采过程中，各种各样的灾害贯穿了整个开采过程，其中冲击地压灾害在开采过程中对煤矿开采人员的威胁较大 1，尤其是随着国民经济的不断发展，对资源的需求不断提高，煤矿开采深度也不断增加，相应的冲击地压和矿震等动力灾害也越来越严重。近年来，随着科学技术的不断发展，越来越多的矿井将微震监测技术应用到井下煤矿开采中，取得了良好的效果。尤其是以微震、地音以及电磁辐射等监测手段的应用，进一步提高了矿井灾害预警的水平 2。在国内学者的不断研究下，冲击地压监测水平得到了迅猛的发展，如学者黄志平提出了强、极强岩爆预警机制的重要指标，夏永学等基于高精度微震监测系统研究了微震活动与煤岩破裂及应力分布特征的关系，并且在对大量微震数据统计分析的基础上提出了 5 个物理意义，明确且具有应用价值的危险预测指标 3。微震监测技术作为防治冲击地压的一种超前预警手段，在煤矿开采中得到了越来越广泛的应用。因此，本文以余吾煤矿 N1100工作面为研究背景，开展采动覆岩运动及显现特征分析，为类似矿井的开采提高参考。1工作面顶板覆岩概况及地质构造概况根据 N1100 工作面屯补-16 地质钻孔柱状图，如图 1 所示：工作面煤层上方 200 m 范围的顶板仅有一层厚度10 m 的坚硬顶板，是位于煤层上方6.2 m，厚 18.4 m 的中粒砂岩坚硬顶板，该坚硬顶板在回采过程中可能会导致采空区形成大面积悬顶，诱发大能量事件的发生，也有可能是小面积的顶板不间断断裂，形成中等能量事件，连续多次释放，这层坚硬顶板是造成高应力显现的主要因素。工作面位于墙则背斜和东邓向斜中间，北侧为X47 陷落柱，东侧为 N1101 采空区，且留设 30 m 煤柱，在回采过程中，工作面在多重构造应力及采空区传递应力的影响下，会导致巷道局部变形较大，出现响煤炮、断锚杆（索）等现象，矿压显现比较明显。2工作面现场微震事件概况余吾煤业 N1100 工作面自 2022 年 2 月 26 日开2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷61采以来，共计已回采 223.2 m。现对工作面自 2022 年2 月 26 日开采至 2022 年 7 月 18 日期间的微震监测数据进行统计分析。在监测区域共监测到微震1 508 个，其中最大能量 13 159 J，最小能量 14 J，平均能量 1 277.7 J，震动能量分级统计见表 1 和图 3，可见，震动能量主要集中在 1008 000 J 之间，占总数的 98.54%，说明 N1100 工作面的初采整体开采后，微震强度单次强度比较小，大部分以小能量释放的微震事件为主。但局部特殊推采阶段形成了基于微震的高应力危险性预警。图 1补 16 号钻孔柱状图图 2N1100 工作面地质构造及回采现状平面图表 1微震数据统计图 3微震数据统计图目前该矿微震单次事件能量预警值为 8 000 J，初采阶段形成了 3 次高应力预警，且井下存在锚杆锚索崩断、应力计预警、钻屑法吸钻卡钻现象的高应力显现，说明该矿高应力显现普遍微震接收能量较低，应深入分析典型开采技术阶段的覆岩运动规律，为余吾煤业单侧采空的 30 m 煤柱护巷沿空工作面的矿压治理提供科学依据。3工作面采掘过程中微震事件分布及能量演化规律随着工作面的推采，工作面周边微震事件随着时间的演化规律是揭示覆岩运动规律的重要方法，结合工作面液压支架的来压数据，即可对比判知典型矿压显现阶段，如初次来压、周期来压与工作面见方等，覆岩空间的运动高度及其运动程度，为覆岩空间形成及其运动的地质力学理论分析提供建模依据，同时为微震监测预警指标及其初值的设定提供数据来源 4。图 4日累计频次分布与演化的时序特征N1100 工作面当前推采程度下，微震事件日累计频次分布及其随时间的演化规律如图 5 所示。工作面推采过程中，微震频次产生了典型的 3 个集中分布的阶段，第一阶段在初采阶段的前 30 m 范围2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷能量分级（J）震动次数所占比例/%小于 1000.00101102211.3910210376750.861038E371747.688E310530.0710510600.00大于 10600.00超出预警值 8 000 J30.20%62内，经过停采的调整后，第二阶段的微震频次逐日增加，时间跨度在 2022 年 5 月 5 日至 6 月 24 日前后，此阶段微震事件发生了 3 次高应力预警，工作面煤层巷道发生有大变形致锚杆断裂现象、吸钻卡钻现象。通过对比此时间区间内的微震事件分布平面图可知，随着工作面推采的进行，N1100 工作面形成的采空区逐渐与侧向 N1101 工作面的采空区覆岩结构形成了联动响应，微震事件逐渐向侧向采空区及其 30 m 区段煤柱附近转移，形成距离侧向采空区较近的胶带顺槽的高应力与围岩大变形显现。图 5N1100 工作面初采 4 月 15 日前微震平面分布N1100 工作面当前推采程度下，微震事件日累计能量分布及其随时间的演化规律如图 6 所示。工作面推采过程中，微震日累计能量的演化趋势与日累计频次的演化趋势基本相同，表明工作面产生的微震事件的集中释放程度较小，产生极高动载高能事件的能力较弱。通过对比此时间区间内的微震事件分布平面图可知，随着工作面推采的进行，N1100 工作面形成的采空区与侧向 N1101 工作面的采空区覆岩结构逐渐形成结构联动响应时，微震的日累计能量增加，即出现了单次微震小能量的多频次能量集中释放现象，说明侧向采空区和本工作面联动下的顶板实现了较为良好的断裂释能。图 6日累计能量分布与演化的时序特征N1100 工作面当前推采程度下，微震事件单日单次最大能量分布及其随时间的演化规律如图 7 所示。工作面推采过程中，微震单日单次最大能量分布的演化趋势与日累计频次、日累计能量的演化趋势大体一致，除了初采阶段出现了不超过 8 000 J 的单次较大能量事件外，仅在本工作面采空区与煤柱、1101 采空区联动时，出现了 3 次大能量预警，表明N1100 工作面产生的微震事件的集中释放程度整体较小，产生极高动载高能事件的能力较弱，但 30 m区段煤柱与两侧采空区的顶板联动效应仍然有显现。建议在特殊地质构造与采掘区域应适当根据微震监测结果加强侧向采空区的断顶卸压措施，保障沿空侧巷道与煤柱的安全性。图 7单日单次能量最大值分布与演化的时序特征4基于微震空间分布与演化特征的覆岩运动范围分析4.1基于频次分布的工作面超前动压影响范围确定基于频次分段累计叠加的超前动压影响范围确定，如图 8 可知，工作面超前形成了较为明显的动压影响应力的峰值，呈现了正态分布规律。其中，动压显现的应力峰值位于工作面前方 60100 m 范围内，超前动压显著影响范围为超前 200220 m，非动压影响区在工作面超前 320340 m 范围以外。为工作面停采线外大巷煤柱的优化设计及其超前抗震支护提供了数据依据。4.2基于能量分布的工作面超前动压影响范围确定通过统计微震事件实时距工作面采线的距离，即可得到基于能量分段累计叠加的超前动压影响范围 5。通过统计数据可知，基于能量与频次的工作面超前动压影响范围及其分布规律基本相同。同样，工作面超前形成了较为明显的动压影响的峰值，呈现了正态分布规律。其中，动压显现的应力峰值位于工作面前方 60100 m 范围内，超前动压显著影响范围为超前 180200 m，非动压影响区在工作面超前320340 m 范围以外。为工作面停采线外大巷煤柱2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷63的优化设计及其超前抗震支护提供了数据依据。基于能量与频次的工作面超前动压影响范围及其分布规律基本相同，也从另一个角度表明了N1100 工作面动压显现较为温和，无明显的近场大能量动载释能现象 6。4.3基于能量分布的工作面倾向动压影响距离确定通过统计微震事件距离 N1100 回风巷道距离，即可得到基于能量分段累计叠加的侧向动压影响范围 7。根据统计柱状图可知，从工作面侧向的影响范围可知，工作面微震事件 95%以上落在了 N1100 工作面内，表明高应力集中均集中在工作面内部。对比高度范围即可知道，煤层超前压缩形成的动压响应成为了高应力显现的主体。N1101 侧向采空区则形成了范围在 200220 m 范围内的覆岩运动，为类似工作面侧向断顶矿压管理奠定了基础。4.4基于频次分布的工作面倾向动压影响距离确定通过统计微震事件距离 N1100 回风巷道距离，可得基于频次分段累计叠加的侧向动压影响范围。如图 9 所示，从工作面侧向的影响范围可知，高应力下煤岩结构失稳显现均集中在工作面内部。对比单次最大微震事件距回风顺槽距离，如图 10 所示，N1101 工作面采空区及 30 m 区段煤柱影响下，工作面形成了采空区高位岩梁断裂释放能量，并受到向斜构造的水平构造应力的影响。侧向采空区高位岩梁失稳时，出现了大能量预警事件，表明侧向采空区覆岩运动不充分，易形成单次大能量的失稳响应。5结论1）震动能量主要集中在 1008 000 J 之间，占总数的 98.54%，说明 N1100 工作面的初采整体开采后，微震强度单次强度比较小，大部分以小能量释放的微震事件为主。图 9基于频次分段累计叠加的侧向动压影响范围图 10基于单日单次最大能量的侧向动压影响范围2）随着工作面推采，N1100 工作面形成的采空区与侧向 N1101 工作面的采空区覆岩结构逐渐形成结构联动响应时，微震的日累计能量增加，即出现了单次微震小能量的多频次能量集中释放现象，说明侧向采空区和本工作面联动下的顶板实现了较为良好的断裂释能。（下转第 68 页）2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷图 8基于分区累计频次的工作面超前范围64（上接第 64 页）3）N1100 工作面推采过程中，微震事件运行轨迹不断受到褶皱构造轴线的控制与引导作用。表明覆岩顶板活动引起的矿压显现除了受到顶板 18.4 m砂岩等关键岩层、30 m 宽度的区段煤柱和侧向N1101 工作面采空区的控制外，还受到本工作面的所有两侧的背斜与向斜构造引起的水平地应力夹持的影响。4）N1100 工作面动压显现的应力峰值位于工作面前方 60100 m 范围内，超前动压显著影响范围为超前 200220 m，非动压影响区在工作面超前320340 m 范围以外。为工作面停采线外大巷煤柱的优化设计及其超前抗震支护提供了数据依据。参考文献：1 蓝航，陈东科，毛德兵.我国煤矿深部开采现状及灾害防治分析J.煤炭科学技术，2016，44（1）：39-46.2 周宏伟，谢和平，左建平，等.赋存深度对岩石力学参数影响的实验研究J.科学通报，2010，55（34）：3276-3284.3 朱斯陶，姜福兴，朱海洲，等.高应力区掘进工作面冲击地压事故发生机制研究 J.岩土力学，2018，39（S2）：337-343.4 田向辉，李振雷，宋大钊，等.某冲击地压频发工作面微震冲击前兆信息特征及预警方法研究 J.岩石力学与工程学报，2020，39（12）：2 471-2 482.5 石嘉栋，何川.煤矿冲击地压的微震监测的实例分析 J.科学技术创新，2021（6）：26-276 杨志国，于润沧，郭然，等 基于微震监测技术的矿山高应力区采动研究J 岩土力学与工程学报，2009，28（2）：3632 36377 姜福兴，叶根喜，王存文，等高精度微震监测技术在煤矿突水监测中的应用 J.岩土力学与工程学报，2008，27（9）：1932 1938作者简介：张兴润（1986），男，中国矿业大学矿业工程专业毕业，硕士研究生学历，高级工程师，研究方向：采矿工程。（收稿日期：2023-2-2）最大误差率为 8.40%，小于 10%的最大容忍误差。实际应用效果见表 2。从实际应用情况来看，采用神经网络算法进行瓦斯涌出量预测误差低、效果好。表 2神经网络瓦斯预测实际效果表5结论采用工作面进风量、工作面回风量、推进度、最高气温、最低低温、大气压力、断层、残余瓦斯含量、瓦斯压力等 9 个计算维度，构建神经网络瓦斯涌出量预测模型，通过 10 000 次机器学习训练和对整神经网络学习速率、动参、惩罚系数和添加隐藏层等不断调整，形成拟合度高的神经网络算法模型。利用程序自动构建对应的工作面模型、自动调参，瓦斯涌出量预测数据误差低、效果好。神经网络瓦斯涌出量预测系统能够更好地去分析、预测数据，提前发现隐患，超前治理，使决策手段和措施更具针对性、实效性。参考文献：1 吴财芳，曾勇，秦勇.神经网络分析方法在瓦斯预测中的应用J.地球科学进展，2004，19（5）：860-866.2 薛鹏骞，吴立锋，李海军.基于小波神经网络的瓦斯涌出量预测研究J.中国安全科学学报，2006，16（2）：22-25.3 预测模型.实际应用表明，模型精度能满足要求，并对隐含层神经元数目对步长影响作了讨论J.4 戴洪磊，田茂义，柳林，等.基于 LM 神经网络瓦斯灾害预测模型的应用研究J.地球科学前沿（汉斯），2012，2（2）：P.87-92.5 裴韶华.基于优化的神经网络模型在矿井瓦斯涌出预测中的应用研究D.2015.6 王涛，王洋洋，郭长娜，等.QGA-RBF 神经网络在矿井瓦斯涌出量预测中的应用J.传感技术学报，2012，25（1）：119-123.作者简介：孙翔宇（1991），男，湖南祁阳人，2012 年毕业于太原理工大学，工程师，主要从事煤矿安全生产管理工作。（收稿日期：2023-1-16）2023 年第 5 期煤矿现代化第 32 卷工作面均方根误差最小误差率最大误差率平均误差率3412 工作面0.072+/-0.0000.05%3.74%0.73%3414 运巷0.008+/-0.0000.03%8.40%2.85%68