張小樓礦2.4Mta新井設(shè)計(jì)【含CAD圖紙+文檔】
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專
題
部
分
張小樓微震規(guī)律分析研究
摘要：為有效預(yù)防礦井沖擊地壓的發(fā)生，采用SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)煤巖體內(nèi)微震活動(dòng)進(jìn)行全時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。基于微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確定單日微震累計(jì)能量和震動(dòng)頻率兩個(gè)參量進(jìn)行危險(xiǎn)程度的分析和評(píng)價(jià)。對(duì)95206工作面附近和下山區(qū)域進(jìn)行了微震時(shí)序分析和礦震空間演化規(guī)律分析，表明礦震活動(dòng)比較穩(wěn)定，強(qiáng)烈微震活動(dòng)事件發(fā)生前，巖體已經(jīng)出現(xiàn)大量的弱微震活動(dòng)，這些弱微震活動(dòng)時(shí)期為強(qiáng)震動(dòng)的發(fā)生積蓄了更多的能量。煤巖層在超前支承壓力作用下已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)大范圍斷裂和破壞。從整個(gè)回采過(guò)程中看，礦震大多分布在褶曲一翼和斷層附近。對(duì)礦井微震活動(dòng)的監(jiān)測(cè)和規(guī)律分析有助于對(duì)礦震和沖擊地壓的防治。
關(guān)鍵詞：微震監(jiān)測(cè)；回采工作面；微震時(shí)序和空間演化分析；沖擊礦壓
Abstract: For the effective prevention of mine rock burst occurrence, using SOS microseismic monitoring system on coal rock body of microseismic activities for the whole continuous monitoring. Based on microseismic monitoring system determines the one-day microseismic accumulative energy and vibration frequency of two parameters for risk analysis and evaluation. In 95206 working face and down near the region were seismic sequence analysis and seismic spatial evolution analysis of mine earthquake activity, showed relatively stable, strong seismic activity before the occurrence of rock mass, has been a lot of weak seismic activity, these weak microseismic activity period for strong earthquake occurrence accumulated more energy. Coal seam in advance support under pressure has begun to appear big range of fracture and damage. From the entire process of mining, ore earthquake are mostly located in and near the fault fold a wing. The mine microseismic activity monitoring and analysis of rockburst and contribute to the prevention of the impact ground pressure.
Key words: microseismic monitoring; working face; temporal and spatial evolution analysis of microseisms; shock pressure
1引言
1.1微震簡(jiǎn)介
1.1.1微震概念及危害
微震屬于礦山動(dòng)力現(xiàn)象，是礦山壓力的一種特殊顯現(xiàn)形式。
微震可以定義為礦山井巷或采場(chǎng)周圍礦體和圍巖由于變形能的釋放而產(chǎn)生的以突變、急劇、猛烈的破壞為特征的動(dòng)力現(xiàn)象。簡(jiǎn)單的說(shuō)，微震就是煤（巖）的突然破壞現(xiàn)象。
礦井微震和沖擊礦壓是礦山開(kāi)采中發(fā)生的煤（巖）動(dòng)力現(xiàn)象之一，這種動(dòng)力災(zāi)害通常是在煤（巖）力學(xué)系統(tǒng)達(dá)到強(qiáng)度極限時(shí)，聚積在煤（巖）體中的彈性能量以突然、急劇、猛烈的形式釋放，在井巷發(fā)生爆炸性事故，造成煤（巖）體振動(dòng)和破壞，動(dòng)力將煤（巖）拋向井巷，同時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈聲響，造成支架與設(shè)備、井巷的破壞以及人員的傷亡等。沖擊礦壓還可能引發(fā)其他礦井災(zāi)害，尤其是瓦斯、煤塵爆炸、火災(zāi)以及水災(zāi)，干擾通風(fēng)系統(tǒng)，強(qiáng)烈的沖擊礦壓還會(huì)造成地面建筑物的破壞和倒塌等。
1.1.2影響礦井微震的主要因素及礦井微震的顯現(xiàn)特征
礦井微震發(fā)生的原因是多方面的, 但從總的來(lái)說(shuō)可以分為三類, 即自然的、技術(shù)的和組織管理方面的。
影響礦井微震發(fā)生的因素主要有兩大方面：一是礦山地質(zhì)因素，二是開(kāi)采技術(shù)條件。
礦山地質(zhì)因素主要是:開(kāi)采深度越大,煤體的應(yīng)力越高，在開(kāi)挖空間周圍煤體內(nèi)應(yīng)力集中系數(shù)越大，煤體變形和積聚的彈性潛能也越大；頂?shù)装鍘r層比較堅(jiān)硬，煤層具有脆性，易形成較大的集中壓力和積聚較多的彈性能；其次由于地質(zhì)構(gòu)造的存在，破壞了頂板完整性，使頂板壓力在構(gòu)造處重新分布形成構(gòu)造應(yīng)力集中，特別是在斷層帶附近更容易發(fā)生沖擊礦壓。
地質(zhì)構(gòu)造因素，在地質(zhì)構(gòu)造帶中一般由地殼運(yùn)動(dòng)的殘余應(yīng)力形成構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。在煤礦中常有斷層、褶曲和局部異常(如底凸起、頂板下陷、煤層分岔、變薄和變厚等構(gòu)造帶)，礦井微震就常常發(fā)生在這些構(gòu)造應(yīng)力集中的區(qū)域，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致礦井沖擊礦壓。
開(kāi)采技術(shù)條件可以促使礦井微震的發(fā)生,它主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是人為地形形成應(yīng)力集中，增大發(fā)生礦井微震的危險(xiǎn)性；二是改變應(yīng)力狀態(tài)和產(chǎn)生震動(dòng)，可以引發(fā)礦井微震甚至誘發(fā)沖擊礦壓的發(fā)生。具體表現(xiàn)如下:
（1）不同采煤方法的巷道布置及頂板管理方法不同，所產(chǎn)生的礦山壓力分布規(guī)律也不相同，一般短壁較長(zhǎng)壁開(kāi)采易發(fā)生礦井微震。
（2）煤柱是發(fā)生應(yīng)力集中的地點(diǎn)。孤島形和半島形煤柱可能受幾個(gè)方向集中應(yīng)力的疊加作用，形成很大的應(yīng)力集中，因而在煤柱附近易形成震動(dòng)影響。另外，煤柱上的集中應(yīng)力不僅對(duì)本煤層產(chǎn)生影響，而且向下傳遞對(duì)下部煤層形成沖擊條件。
（3）采掘順序?qū)π纬傻V山壓力的大小和分布有很大關(guān)系。巷道和回采工作面相向推進(jìn)以及在回采工作面或煤柱中的支承壓力帶內(nèi)掘進(jìn)巷道，都會(huì)使集中應(yīng)力疊加，從而導(dǎo)致礦井微震的發(fā)生。另外在采空區(qū)附近掘進(jìn)巷道時(shí)，未壓實(shí)的采空區(qū)會(huì)對(duì)掘進(jìn)巷道產(chǎn)生動(dòng)力沖擊作用，誘發(fā)沖擊礦壓。
（4）在放炮、打鉆或采掘工作時(shí)能局部改變煤體的應(yīng)力狀態(tài)，一方面使煤層中應(yīng)力迅速重新分布而增加煤體應(yīng)力；另一方面能迅速解除煤層邊緣側(cè)向約束阻力改變煤體的應(yīng)力狀態(tài)，由三向壓縮變?yōu)槎驂嚎s，使其抗壓強(qiáng)度下降，導(dǎo)致迅速破壞。因此這些活動(dòng)具有誘發(fā)礦井微震甚至導(dǎo)致沖擊礦壓的發(fā)生。
1.1.3微震與沖擊地壓的關(guān)系
礦山微震與沖擊現(xiàn)象，屬于礦體—圍巖系統(tǒng)在其力學(xué)平衡狀態(tài)被破壞并且釋放出大于消耗能量的瞬間震動(dòng)。每次能量突然釋放均伴隨著應(yīng)力平衡的破壞，從物理破壞點(diǎn)（震源）向外傳播地震波，由于礦震與沖擊地壓的破壞機(jī)制不同，因此儀器所記錄和測(cè)試得參數(shù)也不同。但是，它們同是能量釋放，因此礦體—圍巖系統(tǒng)能量釋放存在一定的內(nèi)在關(guān)系。
倘若在某一采礦區(qū)出現(xiàn)微震現(xiàn)象，則只象征著有潛在的沖擊地壓危險(xiǎn)，它存在著較大的隨機(jī)性和復(fù)雜性。 只有當(dāng)巷道或采場(chǎng)造成一定后果或是明顯破壞后，才被認(rèn)為是沖擊地壓。沖擊地壓的發(fā)生從內(nèi)因上取決于潛在的能量大小，從外因上取決于震源方位、多維狀態(tài)、至開(kāi)采線的距離和誘發(fā)因素等。
彈性能的突然釋放位置，可能出現(xiàn)在相對(duì)于回采線的不同部位。由于震源所在地點(diǎn)或部位不同，即使所觀測(cè)記錄到的能量相近，對(duì)工作面媒體—圍巖系統(tǒng)能量變化所產(chǎn)生的影響也不同。搞清此環(huán)節(jié)對(duì)判斷沖擊地壓危險(xiǎn)程度具有十分重要的意義。當(dāng)然，在提高定位精度的同時(shí)，還必須加強(qiáng)地聲與煤粉鉆孔的綜合檢測(cè)，才能正確地判斷沖擊地壓危險(xiǎn)。
1.1.4國(guó)內(nèi)外微震及沖擊礦壓概況
1、國(guó)內(nèi)沖擊礦壓歷史及現(xiàn)狀
我國(guó)最早記錄的沖擊礦壓現(xiàn)象于1933年發(fā)生在撫順勝利煤礦，當(dāng)時(shí)的開(kāi)采深度為200米左右。從1949年以來(lái)，已發(fā)生破壞性沖擊礦壓4000次，震級(jí)0.5～3.8級(jí)，造成大量巷道破壞和慘重的人員傷亡。近年來(lái)，我國(guó)一些金屬礦山、水電與鐵路隧道工程也出現(xiàn)了巖爆現(xiàn)象。
我國(guó)煤礦發(fā)生沖擊礦壓有如下特征：
(1)突然性。沖擊礦壓發(fā)生前沒(méi)有明顯的征兆， 突然、猛烈。
(2)多樣性。煤層沖擊、頂板沖擊、底板沖擊等兩三種沖擊的組合。
(3)破壞性。片幫和煤炭拋出，頂板突然下沉、底鼓、破壞巷道支護(hù)，造成人員傷亡等。
(4)在各種采礦和地質(zhì)條件下均發(fā)生過(guò)沖擊礦壓。
然而具體分析起來(lái)，我國(guó)沖擊礦壓發(fā)生的條件極為復(fù)雜。從自然地質(zhì)條件來(lái)看，除褐煤以外的各煤種都記錄到了沖擊現(xiàn)象，采深從200～800米，地質(zhì)構(gòu)造從極簡(jiǎn)單至極復(fù)雜，煤層從薄到特厚，傾角從水平到急傾斜，頂板包括砂巖、灰?guī)r、油母頁(yè)巖都發(fā)生過(guò)；從生產(chǎn)技術(shù)條件看，水采、水砂充填、綜采、炮采、機(jī)采、手采等各種工藝，長(zhǎng)壁、短壁、巷柱、傾斜分層、水平分層、倒臺(tái)階、房柱式等各種方法都出現(xiàn)了沖擊現(xiàn)象。
1949年以前我國(guó)發(fā)生沖擊礦壓的礦井只有1～2個(gè)，50年代增加為7個(gè)，60年代為12個(gè)，70年代為22個(gè)，到21世紀(jì)初已達(dá)到50多個(gè)。而隨著開(kāi)采深度的增加、開(kāi)采范圍的擴(kuò)大，今年來(lái)雖然采取了不少措施，但全國(guó)礦井?dāng)?shù)和總的沖擊數(shù)并未減少?？梢?jiàn)，我國(guó)沖擊礦壓的防治工作任務(wù)甚為艱巨，具有現(xiàn)實(shí)的迫切性和長(zhǎng)遠(yuǎn)的重大意義。
2、國(guó)外沖擊礦壓概況
沖擊礦壓是世界采礦業(yè)面臨的共同問(wèn)題。1738年英國(guó)在世界上首先報(bào)道了沖擊礦壓現(xiàn)象。之后，前蘇聯(lián)、南非、德國(guó)、波蘭、美國(guó)、加拿大、日本、法國(guó)、印度、捷克、匈牙利、保加利亞、奧地利、新西蘭和安哥拉等都記錄了沖擊礦壓。目前，有包括我國(guó)在內(nèi)的20多個(gè)國(guó)家和地區(qū)都有沖擊礦壓，這一事實(shí)表明，世界上幾乎所有采礦國(guó)家都不同程度地受到?jīng)_擊礦壓的威脅。
因此應(yīng)準(zhǔn)確、有效的預(yù)測(cè)沖擊礦壓及其危害性，為采取相應(yīng)防治措施提供依據(jù)，從根本上消除或緩解沖擊礦壓的危害是非常重要的
1.2微震檢測(cè)系統(tǒng)
礦井微震與沖擊地壓是礦山的嚴(yán)重自然災(zāi)害，開(kāi)展有關(guān)礦震與沖擊的監(jiān)視和防治，是保證礦山安全生產(chǎn)的首要任務(wù)。隨著礦山對(duì)動(dòng)力災(zāi)害的快速反應(yīng)要求的提高，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)有效波形的識(shí)別被提上日程，但目前仍然沒(méi)有成熟的解決方案，這直接影響著微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的識(shí)別效率和定位精度。在礦山現(xiàn)場(chǎng)具體變現(xiàn)為：微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)法自動(dòng)識(shí)別記錄有效事件，僅依靠技術(shù)人員人工處理，效率較低；礦山微震波形復(fù)雜，干擾因素多，采用人工肉眼識(shí)別方式，經(jīng)常出現(xiàn)誤處理、漏處理、處理不及時(shí)等情況。張小樓現(xiàn)在采掘9號(hào)煤層，已進(jìn)入深部開(kāi)采加上地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，導(dǎo)致采掘震動(dòng)明顯，震動(dòng)發(fā)生頻率高，釋放的能量大，因此張小樓生產(chǎn)時(shí)采用SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)微震監(jiān)測(cè)和預(yù)防，避免沖擊礦壓的發(fā)生。
1.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由井下、井上硬件以及處理軟件等3大部分組成，于井下、井上兩個(gè)空間相互配合形成一個(gè)完整的系統(tǒng)進(jìn)行工作。
SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。
圖1-1 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖
1.2.2 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理
巖石在應(yīng)力作用下發(fā)生破壞,并產(chǎn)生微震和聲波。在采動(dòng)區(qū)頂板和底板內(nèi)布置多組檢波器并實(shí)時(shí)采集微震數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后,采用震動(dòng)定位原理,可確定破裂發(fā)生的位置,并顯示在三維空間上與傳統(tǒng)技術(shù)相比,微震定位監(jiān)測(cè)具有遠(yuǎn)距離、動(dòng)態(tài)、三維、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn),還可以根據(jù)震源情況進(jìn)一步分析破裂尺度和性質(zhì)。這種技術(shù)是在近幾年來(lái)計(jì)算機(jī)和采集技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的,它為研究覆巖空間破裂形態(tài)和采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)分布提供了新的手段。
DL M-SO采集站與DL M2001檢波測(cè)量探頭配合工作共同實(shí)現(xiàn)對(duì)微震信號(hào)的監(jiān)測(cè)、傳輸和采集。在信號(hào)傳輸過(guò)程中，主要電纜噪音可通過(guò)有可控開(kāi)關(guān)的50Hz帶通濾波器消除。在采集站內(nèi)，本質(zhì)安全型信號(hào)和非本質(zhì)安全型信號(hào)隔離，通過(guò)運(yùn)算放大器和2個(gè)傳輸器將電流調(diào)制信號(hào)準(zhǔn)確復(fù)制，并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)。檢波電路中的各電壓信號(hào)進(jìn)一步傳輸?shù)綖V波器中進(jìn)行濾波處理，處理后信號(hào)的幅頻響應(yīng)便可確定，經(jīng)過(guò)輸出放大電路實(shí)現(xiàn)1~10倍的信號(hào)放大處理，最后輸出至AS-1 Seisgram信號(hào)記錄儀，對(duì)微震信號(hào)進(jìn)行記錄和保存。
1.2.3 微震SOS系統(tǒng)震源定位方法
SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用縱波首次進(jìn)入時(shí)間法進(jìn)行定位，原理是利用檢波測(cè)量探頭接收到的直達(dá)P波起始點(diǎn)的時(shí)間差，在特定波速場(chǎng)條件下進(jìn)行三維定位，以判定震源點(diǎn)，同時(shí)利用震相持續(xù)時(shí)間計(jì)算震動(dòng)釋放能量。根據(jù)震源點(diǎn)定位結(jié)果對(duì)震動(dòng)頻繁的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃定，以便及時(shí)采取解危措施。
假設(shè)煤巖體為均質(zhì)、各向同性介質(zhì)，即P波在各個(gè)傳播方向上速度保持不變，從震源傳播到測(cè)站的最短時(shí)間可由下式描述：
（1） 式中：x0、y0和z0——震源坐標(biāo)，m；
xi、yi和zi——第i個(gè)觀測(cè)站的坐標(biāo)，m；
t0——為震源發(fā)震時(shí)間，s；
ti——P波到達(dá)第i個(gè)觀測(cè)站的時(shí)間，s；
v(x0，y0,z0)——P波在介質(zhì)中的傳播速度，m/s。
式(1)中實(shí)際上包含了4個(gè)方程,聯(lián)立后,可以求解出破裂點(diǎn)的坐標(biāo)( x0 , y0 , z0 )和發(fā)生破裂的時(shí)間 t0 。
在實(shí)際監(jiān)測(cè)中,同時(shí)接收到破裂波的檢波器數(shù)量一般要多于4個(gè) ,因此 ,可以按照一定的規(guī)則進(jìn)行“四 - 四組合,最后求出平均值。這種算法不僅提高了定位精度,而且能夠展示出大致的破裂面范圍。
1.2.4 微震監(jiān)測(cè)信號(hào)時(shí)頻分析
時(shí)頻分析就是對(duì)信號(hào)在時(shí)間域和頻率域同時(shí)進(jìn)行局部化分析。采用時(shí)頻分析技術(shù)分析微震信號(hào)的功率譜和幅頻特性，以便從頻譜特性進(jìn)行微震信號(hào)辨識(shí)，從而為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)礦井沖擊礦壓等動(dòng)力災(zāi)害提供一條新的線索。
頻譜分析只選取靠近震源的測(cè)站波形，通過(guò)Matlab運(yùn)用傅里葉頻譜分析和快速傅里葉時(shí)頻分析理論分析不同能量級(jí)別下的波形特征和頻譜特征。分析結(jié)果見(jiàn)表1-1。
表1-1 不同能量級(jí)別下微震信號(hào)比較
能量級(jí)別
持續(xù)時(shí)間 / ms
衰減
振幅 /10-4 m·s-1
主頻 /Hz
頻率分布 /Hz
接收測(cè)站
≥104
>1000
慢
2~6
<10
0~100
>10
≥103
400~800
較快
0.5~5
40~140
0~200
6~10
≥102
100~400
較快
0.5~1
40~200
0~250
5~7
<102
<400
快
<1
非常離散
0~250
<6
張小樓煤礦建立的SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)礦井包括沖擊礦壓在內(nèi)的礦震信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離（最大10k m）、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)，給出沖擊礦壓等礦震信號(hào)的完全波形。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自運(yùn)行以來(lái)對(duì)拾取事件波形的分析與處理結(jié)果表明，SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)質(zhì)量較好，能夠?qū)δ芰浚?6 J的礦震準(zhǔn)確定位和能量計(jì)算，對(duì)增加煤礦開(kāi)采量和保證煤礦生產(chǎn)安全等具有重要使用價(jià)值。不同能量級(jí)別，微震信號(hào)所對(duì)應(yīng)的波形形態(tài)和頻譜存在著不同的特征?？傮w上高能量礦震信號(hào)接收臺(tái)站多，震幅大，頻率低，頻率較為集中，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，衰減較慢；低能量礦震信號(hào)接收臺(tái)站少，震幅偏低，頻率高，頻率離散，持續(xù)時(shí)間短，衰減較快。
2 張小樓概況
2.1礦井概況
龐莊煤礦張小樓井位于徐州市西北銅山縣柳新鎮(zhèn)和劉集鎮(zhèn)境內(nèi)，距徐州市區(qū)13km。南部（淺部）以F1斷層與龐莊井田為界，北部（深部）至京福高速公路保護(hù)煤柱線；東部以西1、西2和西3三個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)的連線及其延長(zhǎng)線與柳新井田為界【蘇煤司基（87）第252號(hào)文】，西部以點(diǎn)連線與夾河井田深部為鄰【蘇煤司基（84）第579號(hào)文】。整個(gè)井田東西長(zhǎng)約4.80km、南北寬約3.53km，井田面積16.94km2。開(kāi)采深度為-90m～-1300m。
龐莊煤礦張小樓井于1973年建成投產(chǎn)，礦井原設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力45萬(wàn)t/a。1989年由徐州礦務(wù)局設(shè)計(jì)處對(duì)其進(jìn)行改擴(kuò)建初步設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為105萬(wàn)t/a。2005年3月改擴(kuò)建完成，并于2005年4月通過(guò)了江蘇煤礦安全監(jiān)察局的“礦井改擴(kuò)建安全設(shè)施竣工驗(yàn)收”。2006年通過(guò)江蘇省經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)組織的竣工驗(yàn)收，并于當(dāng)年核定礦井生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t /a。
張小樓井采用立井多水平開(kāi)拓，新主井落底-1025m水平，直徑為5.7m；新副井落底-1025m水平，直徑為7.0m；風(fēng)井落底-400m，直徑為5.0m。采用中央并列機(jī)械抽出式通風(fēng)方法。張小樓井現(xiàn)在生產(chǎn)水平為-1025m水平，-1025m水平劃分為4個(gè)采區(qū)，即西一上、下山采區(qū)和西二上、下山采區(qū)。
目前，張小樓井基礎(chǔ)儲(chǔ)量為9861.1萬(wàn)t（-1300m水平以上），設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量為6601.1萬(wàn)t?？刹擅簩幼陨隙聻椋?、2、7、9。各煤層特征見(jiàn)表2-1。
表2-1 龐莊煤礦張小樓井可采煤層情況一覽表
煤層號(hào)
穿過(guò)
點(diǎn)數(shù)
可采
點(diǎn)數(shù)
不可采
點(diǎn)數(shù)
缺失
點(diǎn)數(shù)
兩極厚度
平均值(m)
可采
指數(shù)
變異
系數(shù)
煤層穩(wěn)
定程度
1
17
16
0
1
0～2.26
1.24
0.94
41%
不穩(wěn)定
2
17
16
0
1
0.91～2.46
1.66
1.00
33%
較穩(wěn)定
7
17
16
0
1
0～2.55
1.79
0.94
27%
較穩(wěn)定
9
14
14
0
0
0～2.62
1.47
1.00
13%
較穩(wěn)定
1煤和2煤已經(jīng)開(kāi)采結(jié)束，現(xiàn)在主要是在對(duì)7煤和9煤進(jìn)行開(kāi)采，在開(kāi)采的過(guò)程中由于設(shè)備的安裝日期的限制，在對(duì)9煤監(jiān)測(cè)的時(shí)間和數(shù)據(jù)相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較準(zhǔn)確的，主要是對(duì)95206面進(jìn)行分析。
1）7煤層
7煤層為本礦區(qū)主采煤層之一。厚度0～2.55m，平均厚度1.79m，局部有0.2m左右的夾矸1層，夾矸巖性主要為頁(yè)巖，偶爾也可見(jiàn)砂頁(yè)巖；煤層傾角0～25°；7煤上距分界砂巖43.96～60.46m，平均間距52.27m左右；7煤下距9煤間距24.17～40.85m，平均間距29.33m；煤層可采性指數(shù)Km＝0.94，變異系數(shù)γ＝27％。直接頂為灰白色砂質(zhì)頁(yè)巖或中～細(xì)粒砂巖，厚度0.20～29.77m，平均厚
5.81m老頂多為砂質(zhì)頁(yè)巖或中～細(xì)粒砂巖；直接底為深灰色砂質(zhì)頁(yè)巖，偶見(jiàn)中～細(xì)粒砂巖或粉砂巖，厚度0.55～25.23m，平均厚度7.58m。綜合評(píng)價(jià)7煤為較穩(wěn)定的中厚煤層。
2）9煤層
9煤層為本礦區(qū)主采煤層之一。9煤上距7煤間距24.17～40.85m，平均間距29.33m左右；9煤下距太原組一灰間距24.1～28.9m，平均間距25.3m左右；煤層厚度0～2.62m，平均厚度1.47m；煤層傾角0～25°；煤層可采性指數(shù)Km＝1，變異系數(shù)γ＝13％。直接頂板多為灰白色細(xì)粒砂巖或砂頁(yè)巖互層，厚度6.43～33.78m，局部有0.3～0.6m厚的頁(yè)巖偽頂；直接底板多為頁(yè)巖或砂頁(yè)巖，偶見(jiàn)粉砂巖，厚度0.59～6.08m，1.49m，其下為9－2煤，直接底較厚的地方9煤與9-2煤合為一層。綜合評(píng)價(jià)9煤為較穩(wěn)定的中厚煤層。
張小樓井田位于徐州煤田九里山向斜中段張小樓背斜北翼。該背斜僅在13-1～15線的露頭部位有所顯露，其軸部為奧陶系中統(tǒng)地層。F1號(hào)逆斷層基本沿背斜軸部切割，因此形成一個(gè)不完整背斜，南翼僅殘存很少山西組、太原組煤系地層。北翼保存相對(duì)較完整，但也被幾條大中型斷層縱橫切割，略顯破碎。
該井田整體呈一走向北東、傾向北西上陡下緩的鏟式單斜構(gòu)造，淺部地層傾角一般在24°～40°、深部地層傾角5°～15°。13-1～16-1勘探線間淺部露頭部位的煤層分別被落差20.0m以上的F18、F15、F14、F0、K3、K1、K6等斷層切割，破壞了淺部單斜構(gòu)造形態(tài)。深部則表現(xiàn)為兩個(gè)寬緩的向斜和兩個(gè)寬緩的背斜，如圖2-1所示。
圖2-1張小樓井田構(gòu)造綱要圖
2.2 沖擊礦壓顯現(xiàn)
徐州礦務(wù)集團(tuán)的礦井大都進(jìn)入深部采區(qū)，采深達(dá)到千米以上，沖擊礦壓動(dòng)力現(xiàn)象十分嚴(yán)重，其中龐莊煤礦張小樓井等是沖擊礦壓顯現(xiàn)比較典型的礦井。龐莊煤礦張小樓井9煤煤層采深>1000 m，局部采深接近1200m，屬于典型的深部開(kāi)采煤層。深部開(kāi)采所遇到的沖擊礦壓危害程度遠(yuǎn)比淺部開(kāi)采嚴(yán)重的多，同時(shí)沖擊礦壓防治難度也隨著采深的增加而大幅度提升。根據(jù)沖擊傾向性鑒定結(jié)果，龐莊礦張小樓井9煤煤層的沖擊能指數(shù)=5.05，彈性能指數(shù)=10.28，動(dòng)態(tài)破壞時(shí)間=41ms，為典型的強(qiáng)沖擊傾向煤層。加之張小樓井多煤層開(kāi)采，上部煤層開(kāi)采時(shí)留下的殘采區(qū)、煤柱是構(gòu)成下部煤層開(kāi)采應(yīng)力集中的一個(gè)主要原因。
龐莊煤礦張小樓井在長(zhǎng)期與沖擊礦壓的斗爭(zhēng)中，從工作面整體布局至局部解危措施的應(yīng)用等，都積累了豐富的預(yù)防和治理經(jīng)驗(yàn)，取得了相當(dāng)成效，并且已經(jīng)建立了即時(shí)與局部預(yù)測(cè)的電磁輻射法和鉆屑監(jiān)測(cè)方法。但由于沖擊礦壓目前仍是世界性難題，其發(fā)生與否受眾多因素影響和制約，特別是千變?nèi)f化的煤層具體開(kāi)采技術(shù)條件，分析和治理起來(lái)難度仍相當(dāng)大，且隨著張小樓井主采工作面向深部延伸，沖擊礦壓的威脅更加嚴(yán)重。故進(jìn)一步分析現(xiàn)場(chǎng)礦震數(shù)據(jù)，具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。
張小樓煤礦自發(fā)生第1次沖擊礦壓后，隨著開(kāi)采深度的逐年增加，礦井深部壓力顯現(xiàn)日趨明顯，發(fā)生多次沖擊礦壓現(xiàn)象，并且沖擊礦壓發(fā)生次數(shù)和強(qiáng)度都有明顯增加趨勢(shì)。張小樓煤礦與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，安裝了波蘭礦山研究總院采礦地震研究所設(shè)計(jì)制造的SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)井下微震活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
2.3“破裂 -沖擊地壓”關(guān)系評(píng)價(jià)原理
巖層破裂發(fā)生在應(yīng)力差大的區(qū)域,因此,巖層破裂區(qū)總是與高應(yīng)力差區(qū)域相重合,并與高應(yīng)力場(chǎng)區(qū)域相接近。由此可見(jiàn),只要測(cè)到了巖層破裂區(qū)域,即可找到高應(yīng)力場(chǎng)區(qū)域和高應(yīng)力差區(qū)域,沖擊地壓的發(fā)生與這兩個(gè)區(qū)域密切相關(guān)。 圖 2-2 是巖石破裂與應(yīng)力的關(guān)系示意圖和該關(guān)系在長(zhǎng)壁工作面的位置示意圖.圖中,A 為應(yīng)力高峰點(diǎn)與破裂高發(fā)點(diǎn)之間的距離,B 為煤壁到破裂高發(fā)點(diǎn)之間的距離。
圖2-2 巖石“應(yīng)力-應(yīng)變”關(guān)系及其與采場(chǎng)附近巖層“破裂-高應(yīng)力”的對(duì)應(yīng)關(guān)系
3微震規(guī)律綜述
3.1 95206工作面附近及下山區(qū)域微震頻次統(tǒng)計(jì)分析
本次分析對(duì)象選用95206工作面是因?yàn)楸竟ぷ髅婊旧鲜菑奈⒄鸨O(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行到止采一直進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有連貫性，便于進(jìn)行分析研究，易于得出相應(yīng)的礦震活動(dòng)規(guī)律。同時(shí)，95206工作面在2011年11月27日9點(diǎn)20分14秒和9點(diǎn)20分57秒，張小樓井微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到95206皮帶機(jī)道三角門處（能量：1.13*105J）和-1025膠帶石門三角門處（能量：3.44*105J）發(fā)生兩起強(qiáng)礦震，其擾動(dòng)誘發(fā)-1166回風(fēng)石門15m范圍內(nèi)底板底鼓0.5m左右。故以95206工作面為分析對(duì)象，能較全面反映本階段礦震活動(dòng)的規(guī)律性。95206工作面采掘工程平面圖見(jiàn)圖3-1。有圖可看出95206工作面回采過(guò)程中不僅需過(guò)兩個(gè)斷層還要經(jīng)過(guò)7煤的兩個(gè)停采線，且95206工作面主體位于向斜左翼。
自95206工作面回采以來(lái)，工作面附近已出現(xiàn)多起強(qiáng)礦震活動(dòng)事件。而事實(shí)上，在這些大的震動(dòng)事件發(fā)生前，巖體已經(jīng)出現(xiàn)了大量的礦震活動(dòng)。這些礦震活動(dòng)所發(fā)生的頻次及能量的變化與沖擊礦壓的發(fā)生有非常明顯的關(guān)系。
本文取自礦震數(shù)據(jù)庫(kù)2011年5月01日至2012年3月12日的數(shù)據(jù)。95206工作面監(jiān)測(cè)區(qū)域共檢測(cè)到礦震8724次，其中最大能量為8.39E+05J，最小能量不到100.0J，震動(dòng)能量分級(jí)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3-1。由于95206的回采影響下山區(qū)域礦震活躍，在下山區(qū)檢測(cè)域內(nèi)共檢測(cè)到礦震22077，其中最大能量為5.33E+05J，最小能量不到100.0J，震動(dòng)能量分級(jí)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3-2。
表 3 1 95206工作面附近礦震統(tǒng)計(jì)表
能量分級(jí)（J）
震動(dòng)次數(shù)
所占比例/%
小于102
3138
35.97
102～103
3086
35.33
103～104
2106
24.14
104～105
363
4.16
105～106
35
0.40
表 3 2 下山區(qū)域礦震統(tǒng)計(jì)表
能量分級(jí)（J）
震動(dòng)次數(shù)
所占比例/%
小于102
7227
32.74
102～103
8374
37.90
103～104
5609
25.41
104～105
827
3.75
105～106
44
0.20
由表3-1,表3-2可看出，95206工作面回采過(guò)程中無(wú)論是工作面附近還是下山區(qū)域震動(dòng)能量大于104J的礦震占總礦震的比例很小，分別是4.56%和3.95%。說(shuō)明在工作面回采過(guò)程中無(wú)論是工作面附近還是下山區(qū)域礦震活動(dòng)比較緩和，工作面覆巖運(yùn)動(dòng)較為規(guī)律，不甚劇烈,工作面回采過(guò)程中應(yīng)該加強(qiáng)靜載卸壓措施。
圖 3 1 95206工作面平面圖
圖3 2 95206工作面附近礦震頻次按月統(tǒng)計(jì)圖
圖3 3下山附近礦震頻次按月統(tǒng)計(jì)圖
由圖3-2可看出隨著95206工作面的推進(jìn)每月發(fā)生礦震的頻次總體上呈增加狀態(tài)，折線在2012年3月突然下降是因?yàn)?5206工作面在此時(shí)間段內(nèi)停采造成的。
由圖3-3可看出隨著95206工作面的推進(jìn)下山每月發(fā)生礦震的頻次在11月份之前頻次相差不大，穩(wěn)定在1800次左右，但折線在2011年11月突然礦震頻次發(fā)生跳躍穩(wěn)定在2500次左右，2012年3月頻次下降是因?yàn)?5206工作面在此時(shí)間段內(nèi)停采造成的。
3.2 95206工作面附近及下山區(qū)域微震時(shí)序分析
在這里，主要分析礦震能量與頻次演化規(guī)律。95206工作面自2009-6-27回采至今（2011-5-1～2012-03-12），已經(jīng)發(fā)生了多次強(qiáng)礦震，而事實(shí)上，在這些大的震動(dòng)事件發(fā)生前，巖體已經(jīng)出現(xiàn)了大量的微震活動(dòng)。這些微震活動(dòng)所發(fā)生的頻次及能量的變化與強(qiáng)礦震的發(fā)生有非常明顯的關(guān)系。下面具體分析2011-5-1～2012-03-12期間每月工作面及下山附近微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列變化情況，如圖3-4～圖3-23所示。
圖3 4工作面（2011/5/1～2011/5/31）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖 3 5工作面（2011/6/1～2011/6/29）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖3 6工作面（2011/7/1～2011/7/31）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖3 7工作面（2011/8/1～2011/8/31）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖 3-8工作面（2011/9/1～2011/9/29）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖 3 9工作面（2011/10/1～2011/10/31）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖 3 10工作面（2011/11/1～2011/11/29）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖 3-11工作面（2011/12/1～2011/12/31）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖 圖 3 12工作面（2012/1/1～2012/1/31）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖 3 13工作面（2012/2/1～2012/3/12）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖 3 14下山附近（2011/5/1～2011/5/31）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖 3 15下山附近（2011/6/1～2011/6/29）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖 3 16下山附近（2011/7/1～2011/7/31）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖 3 17下山附近（2011/8/1～2011/8/31）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖 3 18下山附近（2011/9/1～2011/9/29）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖 3 19下山附近（2011/10/1～2011/10/31）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖 3 20下山附近（2011/11/1～2011/11/29）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖 3 21下山附近（2011/12/1～2011/12/31）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序圖
圖 3 22下山附近（2012/1/1～2012/1/31）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
圖 3 23下山附近（2012/2/1～2012/3/12）微震事件震動(dòng)頻次、能量時(shí)間序列圖
通過(guò)觀測(cè)某個(gè)巷道和開(kāi)采區(qū)域中由微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確定的參數(shù)在到目前為止所發(fā)生的變化，并確定由此引起的沖擊礦壓危險(xiǎn)相對(duì)于目前為止的沖擊危險(xiǎn)的上升或下降的程度。積極找出強(qiáng)礦震發(fā)生的前兆規(guī)律。
根據(jù)以上對(duì)張小樓煤礦95206工作面沖擊危險(xiǎn)狀況的分析，基于微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確定了單日微震累計(jì)能量、震動(dòng)頻次兩個(gè)參量進(jìn)行危險(xiǎn)程度的分析和評(píng)價(jià)。根據(jù)以上震源時(shí)空演化規(guī)律的分析，確定以下特征為強(qiáng)礦震和強(qiáng)沖擊發(fā)生的前兆規(guī)律：
（1）日震動(dòng)頻次連續(xù)處于高位或在高位的基礎(chǔ)上持續(xù)上升，而日釋放能量較長(zhǎng)時(shí)間維持低水平或在低位的基礎(chǔ)上下降再或者上升不大時(shí)，說(shuō)明強(qiáng)礦壓即將到來(lái)。
（2）在活躍期后，若出現(xiàn)以日震動(dòng)能量和日震動(dòng)頻次雙下降為特征的沉寂區(qū)間，則說(shuō)明下一步要釋放大量能量。
（3）在發(fā)生較強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)之后，若日震動(dòng)頻次降低，而日震動(dòng)能量不但沒(méi)有降低反而走高；或者震動(dòng)頻次升高而能量降低，則預(yù)示強(qiáng)沖擊的到來(lái)。只有在大能量釋放后能量與頻次都下降才安全。
（4）震動(dòng)次數(shù)高表明巖體破裂活動(dòng)頻繁，是應(yīng)力集中下巖體失穩(wěn)的征兆，之后出現(xiàn)的沉寂現(xiàn)象則是預(yù)示巖層中強(qiáng)礦震能量蓄積的征兆，應(yīng)格外注意。
（5）強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)發(fā)生前，礦震次數(shù)和礦震能量迅速增加，維持在較高水平，直到發(fā)生大的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)后，礦震次數(shù)和礦震能量明顯降低；
（6）巖體中能量的釋放總是處于一種波動(dòng)狀態(tài)，對(duì)應(yīng)積聚和能量釋放的頻繁轉(zhuǎn)換中，而在具有沖擊危險(xiǎn)的情況時(shí)，這種波動(dòng)狀態(tài)開(kāi)始加劇，震源總能量變化趨勢(shì)首先經(jīng)歷一個(gè)震動(dòng)活躍期，之后出現(xiàn)較明顯的下降階段，當(dāng)震動(dòng)活躍期中出現(xiàn)震動(dòng)頻次較高時(shí)，開(kāi)始具有沖擊危險(xiǎn)性，而在下降階段再回升或下降階段中出現(xiàn)比較長(zhǎng)時(shí)間的沉寂現(xiàn)象后，并且震動(dòng)頻次維持在較高水平時(shí)，此時(shí)具有強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性。
（7）微震活動(dòng)與采掘活動(dòng)有密切的關(guān)系，當(dāng)出現(xiàn)較大的微震活動(dòng)時(shí)，都應(yīng)從時(shí)間序列分析與采掘的關(guān)系，逐次遠(yuǎn)離回采工作面時(shí)危險(xiǎn)性較小，逐次向回采工作面靠近時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)防范。
3.3 礦震空間演化規(guī)律
在這里，主要具體分析95206工作面每月礦震震源的空間分布情況以及工作面下山附近震動(dòng)平面圖
圖 3 24 95206全礦井工作面震源分布圖
（ 103 J-104 J 104J-105 J 105J-106J）
圖 3 25 工作面附近威震分布平面圖（圓圈代表能量>104J）
從震源空間的月分布和平面分布演化趨勢(shì)可見(jiàn)，震源集中區(qū)域隨著工作面的推進(jìn)，逐步往前移動(dòng)；強(qiáng)度較高的震動(dòng)并不是突然的出現(xiàn)，而是有一個(gè)向上的發(fā)展過(guò)程；采空區(qū)底板中出現(xiàn)的震動(dòng)隨開(kāi)采進(jìn)行也逐漸增多；工作面上方發(fā)生的震動(dòng)多在工作面后方，且分布上呈現(xiàn)一條斜線帶，這與頂板分層垮落是一致的；工作面超前應(yīng)力集中區(qū)在開(kāi)采初期震動(dòng)較少，能量也較小，隨著開(kāi)采范圍的擴(kuò)大，前方也出現(xiàn)較多震動(dòng)，并出現(xiàn)幾次能量較高的強(qiáng)礦震事件，表明煤巖層在超前支承壓力作用下已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn)大范圍斷裂或破壞。
從整個(gè)回采過(guò)程中看，礦震大多分布在褶曲一翼、斷層附近。
圖 3 26下山附近微震分布平面圖（圓圈代表能量>104J ）
如圖3-26所示，95206工作面回采過(guò)程中對(duì)下山巷道影響很大，尤其95206工作面下山附近，微震活動(dòng)劇烈，高能量的微震發(fā)生頻率高，對(duì)于沖擊礦壓的預(yù)測(cè)有重要意義。
4 工作面及下山附近危險(xiǎn)性分析
4.1褶曲影響
研究表明，如圖4-1所示，一般情況下，對(duì)于回采工作 面來(lái)說(shuō)，在褶曲的各個(gè)部位，出現(xiàn)的危險(xiǎn)性是不一樣的， 褶曲向斜部分，其應(yīng)力垂直為壓力，水平為拉力，最容易 出現(xiàn)冒頂和沖擊礦壓；褶曲兩翼，這部分的應(yīng)力，垂直和 水平均是壓力，最容易出現(xiàn)沖擊礦壓；褶曲背斜，其應(yīng)力 狀態(tài)為垂直拉力，水平拉力，這部分也是最大礦山壓力區(qū) 域。數(shù)值模擬結(jié)果 也表明，最大水平應(yīng)力是壓應(yīng)力，主 要集中在褶曲向斜、背斜內(nèi)弧的波谷和波峰部位。 因此，在褶曲部分開(kāi)采煤層時(shí)，褶曲這種應(yīng)力場(chǎng)初始 狀態(tài)的變化必將對(duì)巷道開(kāi)挖或工作面開(kāi)采引起的應(yīng)力場(chǎng)變 化產(chǎn)生影響，發(fā)生沖擊礦壓的危險(xiǎn)性就極大。
圖 4 1褶曲部分的受力狀態(tài)及危險(xiǎn)性
4.2 斷層影響
95206工作面在推進(jìn)過(guò)程中還要受到兩個(gè)斷層的影響，斷層附近煤層傾角變化大，構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜多變，極易產(chǎn)生微震并引發(fā)沖擊礦壓。95206工作面推進(jìn)到最后時(shí)，在工作面附近礦震運(yùn)動(dòng)尤為激烈，且能量比較集中，應(yīng)對(duì)周圍巷道加強(qiáng)支護(hù)。并及時(shí)泄壓，一方?jīng)_擊礦壓的發(fā)生。
4.2.1 斷層圍巖聚能誘沖分析
目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)斷層圍巖誘沖機(jī)理及斷層區(qū)域沖擊前兆的微震活動(dòng)規(guī)律做了大量研究,相關(guān)文獻(xiàn)分別從斷層上下盤、頂?shù)装濉⑷趺嫫扑閹Ъ懊旱牧W(xué)性質(zhì)等角度揭示了區(qū)域圍巖黏滑失穩(wěn)特征、應(yīng)力分布變化規(guī)律及誘沖機(jī)制,對(duì)深部巷道在高應(yīng)力影響下的微震演化規(guī)律與監(jiān)測(cè)控制進(jìn)行了研究。
深部煤層巷道掘進(jìn)至斷層附近時(shí),煤巖體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)的初始平衡狀態(tài)會(huì)被破壞。對(duì)于斷層各個(gè)斷塊而言,在圍巖不平衡力作用下,一旦斷層面上力的作用超過(guò)其臨界失穩(wěn)條件,每一斷塊都將具有微距離錯(cuò)位滑移的可能。由于斷層上、下兩盤接觸面受力不同、接觸點(diǎn)的摩擦作用不同,每一斷面的滑移結(jié)果將有所差異, 微距滑移將從最先達(dá)到失穩(wěn)臨界條件的斷面開(kāi)始。受圍巖作用力與自由空間約束影響,其滑移結(jié)果一方面可能導(dǎo)致失穩(wěn)面滑移距離增大,另一方面亦可能使得其他斷面繼續(xù)發(fā)生微距離移動(dòng),嚴(yán)重時(shí)甚至所有斷層斷塊都將具有發(fā)生微距離滑動(dòng)的可能。這種滑移趨勢(shì)與不平衡狀態(tài)直接相關(guān),不平衡狀態(tài)越明顯,產(chǎn)生的初始動(dòng)力就越大,相應(yīng)的初始滑移加速度就愈大,聚集的彈性能量就高。一旦聚集的彈性能瞬間釋放,造成的沖擊危險(xiǎn)就越大。實(shí)踐同時(shí)證明, 斷層附具有發(fā)生沖擊礦壓的較高可能性。
受斷層錯(cuò)動(dòng)移位的影響,自斷層斷面往上、下兩盤各一定距離的范圍內(nèi),將形成一個(gè)裂隙較為發(fā)育的煤巖體破裂松動(dòng)區(qū) (圖 4-2), 在該部分區(qū)域內(nèi)掘進(jìn)施工時(shí),煤巖體結(jié)構(gòu)破壞較大,地應(yīng)力平衡態(tài)被打破并重新分布,人為撓動(dòng)造成頂煤的控制難度相對(duì)加大,一旦出現(xiàn)較大能級(jí)的微震活動(dòng),釋放的能量將會(huì)進(jìn)一步助推煤巖體的破裂進(jìn)程。特別是在巷道起坡位置,頂板巖體內(nèi)應(yīng)力容易集中,起坡點(diǎn)是巷道力傳輸?shù)年P(guān)鍵破斷點(diǎn)。另外,巷道掘進(jìn)期間受斷層影響發(fā)生煤巖體轉(zhuǎn)換繼而轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙骄蜻M(jìn)的區(qū)域,多數(shù)情況下屬于挑頂方式施工。此時(shí),巷道由原先的煤體內(nèi)掘進(jìn)轉(zhuǎn)變?yōu)槊簬r組合體內(nèi)掘進(jìn),頂板由煤體漸變?yōu)檩^堅(jiān)硬的巖石,挑頂區(qū)域頂板的完整性被破壞,地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了改變,彈性能在該區(qū)域積聚的可能性加大, 被破壞了的巖石頂板結(jié)構(gòu)受集中應(yīng)力影響而不再穩(wěn)定,斷層裂隙發(fā)育區(qū)域邊緣聚集能量并發(fā)生沖擊的概率增大。在斷層群區(qū)域進(jìn)行的微震監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示, 隨著新的巷道空間被掘出,斷層群圍巖由于受人為撓動(dòng)影響易在巷道頂板區(qū)域出現(xiàn)能量大小不一的震動(dòng),直接體現(xiàn)在區(qū)域內(nèi)微震活動(dòng)烈度方面,這與挑頂區(qū)域頂板應(yīng)力集中有關(guān)。這種類型的微震活動(dòng),易將過(guò)斷層之前巷道區(qū)段頂板上方的煤巖體震裂而發(fā)生松動(dòng)冒落,在高地應(yīng)力作用下,較為嚴(yán)重的礦震就有可能導(dǎo)致大量破碎煤巖體噴出而演變?yōu)闆_擊礦壓災(zāi)害事故。
圖4-2 斷層斷面周圍的破裂松動(dòng)區(qū)域
鑒于斷層區(qū)域誘發(fā)沖擊危險(xiǎn)的較大概率,做好巷道過(guò)斷層期間的微震監(jiān)測(cè)工作極為必要,針對(duì)性地減沖解危治理對(duì)于斷層群區(qū)域沖擊礦壓危險(xiǎn)控制大有裨益。
4.2.2 過(guò)斷層群前期微震活動(dòng)分析
深部煤巖實(shí)體因高地應(yīng)力的疊加集中而積聚大量彈性能量,每一次較大能量的震動(dòng)活動(dòng),既是聚集在煤巖體內(nèi)彈性能量的釋放過(guò)程,又是對(duì)震源周圍硬煤巖松散破碎的過(guò)程,起到了能量釋放、松散巖體及轉(zhuǎn)移高地應(yīng)力的作用。從巷道向斷層推進(jìn)期間的微震活動(dòng)分布特點(diǎn)來(lái)看 掘進(jìn)面距離斷層較遠(yuǎn)時(shí), 震動(dòng)位置距離斷層也較遠(yuǎn); 隨著巷道不斷向斷層掘進(jìn),人為掘進(jìn)活動(dòng)將逐漸對(duì)斷層構(gòu)造產(chǎn)生影響,微震震源分布逐漸向斷層靠攏,這與掘進(jìn)面超前應(yīng)力與斷層圍巖原始構(gòu)造應(yīng)力相互疊加影響有關(guān)。根據(jù)巷道掘進(jìn)前期的微震分布,繪制每日震動(dòng)總能量與總次數(shù)的變化情況如圖 4-3所示。
圖4-3 巷道過(guò)斷層前期震動(dòng)能量與次數(shù)變化曲線
從圖 4-3可看出,自12月 5日起, 隨著巷道不斷向斷層區(qū)域靠近,單日微震活動(dòng)的次數(shù)變化呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),推斷認(rèn)為這與區(qū)域內(nèi)掘進(jìn)面超前應(yīng)力與斷層構(gòu)造應(yīng)力初次疊加影響有關(guān);之后震動(dòng)次數(shù)有明顯下降的趨勢(shì),特別是自 12月 11日起 震動(dòng)總次數(shù)下降趨勢(shì)和幅度明顯。在這段時(shí)間內(nèi),單日震動(dòng)總能量變化逐漸不穩(wěn)定,呈現(xiàn)忽大忽小的變動(dòng)態(tài)勢(shì), 波動(dòng)幅度差距增大。將較小震動(dòng)能量與較大震動(dòng)能量分別單獨(dú)觀察比較發(fā)現(xiàn),低能量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),而高能量呈現(xiàn)逐漸攀升的趨勢(shì)。相關(guān)文獻(xiàn)[ 16]亦闡述了沖擊前兆微震總能量有上升的趨勢(shì)。特別是 12月 17日于巷道掘進(jìn)面左后方發(fā)生的一次較大能量的礦震,是在單日微震總次數(shù)與總能量都下降的前提下發(fā)生的, 該次微震活動(dòng)對(duì)巷道圍巖結(jié)構(gòu)及應(yīng)力平衡擾動(dòng)很大,礦壓顯現(xiàn)尤為強(qiáng)烈。從微震能量與次數(shù)的變動(dòng)趨勢(shì)來(lái)看,掘進(jìn)工作面愈靠近斷層,微震變化規(guī)律愈明顯,主要呈現(xiàn) 2大特點(diǎn):
1）微震能量在某一特定水平狀態(tài)波動(dòng),但波動(dòng)變化不穩(wěn)定性增強(qiáng), 能量小時(shí)漸小,而能量大時(shí)更大,最大與最小能量幅值差距會(huì)增加;
2） 強(qiáng)震活動(dòng)發(fā)生前,微震活動(dòng)在頻次與能級(jí)方面均呈下降趨勢(shì),強(qiáng)震活動(dòng)發(fā)生后,微震通常再次轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍芰空饎?dòng)活動(dòng),弱震活動(dòng)有為強(qiáng)震爆發(fā)“蓄能”的趨勢(shì)。
所研究區(qū)域由于煤層埋藏較深,煤質(zhì)較硬,煤體具有強(qiáng)沖擊傾向性。根據(jù)掘進(jìn)過(guò)程中微震活動(dòng)特點(diǎn)綜合推斷,斷層區(qū)域沖擊傾向性理論上較強(qiáng),預(yù)測(cè)在掘進(jìn)工作面及斷層區(qū)域圍巖內(nèi)有高能量潛伏,具備發(fā)生沖擊礦壓危險(xiǎn)的條件和可能性。
4.2.3 解危后微震活動(dòng)變化規(guī)律
針對(duì)斷層區(qū)域煤巖體微震顯現(xiàn)強(qiáng)烈至有可能發(fā)生沖擊礦壓的潛在危險(xiǎn)性, 及時(shí)采取鉆屑法監(jiān)測(cè)配合鉆孔卸壓爆破技術(shù)與大直徑鉆孔卸壓技術(shù)加以治理, 采取解危措施之后,由 SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)過(guò)斷層中期與后期全程實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),獲得該段時(shí)間內(nèi)震動(dòng)能量及次數(shù)變化趨勢(shì)如圖 4-4所示。
圖4-4 防沖措施實(shí)施后震動(dòng)能量及變化次數(shù)
監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示,防沖措施實(shí)施之后,斷層群周圍每日震動(dòng)總次數(shù)不斷減少, 每日震動(dòng)總能量逐漸降低,單次震動(dòng)的能量亦趨于弱化,絕大多數(shù)微震釋放能量均保持在 103J以下,發(fā)生沖擊的可能性大幅降低,偶爾發(fā)生較大能量的礦震, 符合巷道煤巖體微震活動(dòng)規(guī)律。微震源點(diǎn)分布變化及能量變動(dòng)趨勢(shì)表明,斷層周圍聚集的地應(yīng)力在人為預(yù)防措施干擾下發(fā)生轉(zhuǎn)移甚至削弱,復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域的高地應(yīng)力集中程度不再明顯,積聚的能量也相對(duì)減弱。這說(shuō)明人為改變地應(yīng)力的分布狀態(tài),在一定程度上可使斷層圍巖應(yīng)力集中程度消弱,經(jīng)弱化后的殘余能量一般不再具有突然釋放至發(fā)生較大沖擊的可能。
掘進(jìn)面通過(guò)斷層后,受掘進(jìn)活動(dòng)前移的影響,超前地應(yīng)力也跟隨巷道掘進(jìn)而轉(zhuǎn)移,斷層周圍煤巖體震動(dòng)活動(dòng)頻度降低,震動(dòng)總能量降低,說(shuō)明防沖措施的實(shí)施取得了明顯的卸壓效果,有效地抑制了沖擊礦壓發(fā)生的潛在威脅。
5 結(jié)論
（1）強(qiáng)烈微震活動(dòng)發(fā)生前有一段弱震活動(dòng)時(shí)期，為強(qiáng)震的發(fā)生積蓄了更多的能量。在原巖應(yīng)力場(chǎng)受人為撓動(dòng)影響明顯的區(qū)域，微震活動(dòng)有較強(qiáng)規(guī)律性: 在一定時(shí)間內(nèi)，能量在某一特定水平狀態(tài)波動(dòng)，之后波動(dòng)不穩(wěn)定性增強(qiáng)，最小能量漸小，最大能量上升快，能量幅值差距增大;強(qiáng)震活動(dòng)發(fā)生前，微震活動(dòng)在次數(shù)與能級(jí)方面都有下降趨勢(shì)，強(qiáng)震活動(dòng)發(fā)生后通常再次轉(zhuǎn)變?yōu)榈湍芰课⒄鸹顒?dòng)， 表明弱震活動(dòng)有為強(qiáng)震爆發(fā)“蓄能” 的趨勢(shì)。
（2）微震活動(dòng)向工作面發(fā)展，并靠近煤壁特別是出現(xiàn)在近于104焦耳震動(dòng)事件時(shí)又沖擊地壓危險(xiǎn)。微震出現(xiàn)在回采線前方或工作面任何隅角部位，則沖擊地壓危險(xiǎn)性增大。微震向遠(yuǎn)離工作面采空區(qū)發(fā)展，無(wú)論能量大小均對(duì)工作面構(gòu)成威脅，但存在著大面積或局部跨頂?shù)目赡苄浴?
（3）礦震主要發(fā)生在工作面、采空區(qū)。這充分體現(xiàn)了工作面超前支承壓力和后支承壓力的影響程度，同時(shí)也表明了在應(yīng)力集中區(qū)內(nèi)煤巖體發(fā)生破裂并釋放能量，與礦震震源的分布位置形成了很好的對(duì)應(yīng)，于是，可利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輔助鉆孔應(yīng)力計(jì)判斷超前應(yīng)力集中區(qū)域和破裂范圍。
（4）從平面定位結(jié)果還可看出，95206工作面回采過(guò)程中引起的震動(dòng)多集中在95206運(yùn)輸巷側(cè)，并偏向95206工作面，這和工作面的采掘布置以及是密切相關(guān)的。這時(shí)由于運(yùn)輸巷側(cè)為已經(jīng)回采完畢的95205工作面，臨空區(qū)壓力比較大，加上95206工作面超前支撐壓力的影響和區(qū)段小煤柱導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而覆巖活動(dòng)比較活躍，震動(dòng)頻次非常高。
（5）工作面從中部向工作面南部推進(jìn)，礦震的強(qiáng)度比較大，尤其在二月份，礦震能量大部分達(dá)到了強(qiáng)礦震（圖中紅色大圓標(biāo)志為大于105~106J的礦震），這與煤層底板起伏變化和工作面過(guò)褶曲引起應(yīng)力變化相對(duì)應(yīng)。工作面從中部向工作面南部推近，煤層底板起伏不平，傾角變化較大，容易造成應(yīng)力集中。而且工作面過(guò)褶曲時(shí)，當(dāng)?shù)竭_(dá)褶曲兩翼時(shí)，壓應(yīng)力比較大。巷道內(nèi)的底板壓力也比較大，容易發(fā)生底鼓。
（6）因此，通過(guò)震源的空間分布和演化特征，可以研究震動(dòng)發(fā)生的層位，從而分析覆巖的破斷形態(tài)和破斷步距，為研究采礦活動(dòng)引起的覆巖活動(dòng)規(guī)律打下基礎(chǔ)。
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