微地震技术在特厚煤层开采中的应用

杨国华

微地震技术在特厚煤层开采中的应用

杨国华

为研究大同煤矿集团公司塔山矿特厚煤层综放面围岩运动规律，科学进行开采设计，并为矿山压力控制提供科学依据，根据综采放顶煤工作面的实际情况，按高精度微地震监测技术的要求，确定测区布置的原则，分析了影响监测定位精度的主要因素，对采集数据进行了研究分析、对比，初步得出了塔山矿特厚煤层综放工作面围岩运动参数。

微地震监测；特厚煤层；综采放顶煤；岩层破裂

同煤大唐塔山煤矿有限公司塔山矿井是大同地区第一个大规模开采石炭二叠纪煤层的特大型矿井，设计年生产能力1 500万t。矿井于2003年2月开工建设，2006年7月投入试生产。首采工作面开采石炭二叠纪3～5#合并层，走向长度1 490 m，倾向长度230 m，平均煤厚15.1 m，储量724.7万t，采用单一走向长壁综合机械化低位放顶煤采煤法开采。

鉴于目前塔山煤矿是该地区第一个大规模开采石炭二叠系的矿井，对特厚煤层放顶煤开采的矿压显现规律掌握不够，放煤基本参数不全。为全面了解和掌握特厚煤层的顶板垮落和放煤规律，有效地预防周期来压和采空区的大范围冒顶，我们运用微地震监测技术对首采工作面的矿压显现进行了监测分析。

微地震技术是利用传感器在远处测量岩体瞬间破裂激发的弹性波，根据弹性波携带的破裂源信息，然后利用所测量的信号特征来确定破裂的发生时间、空间位置、尺度、强度及性质 (如压张性、剪切或者两者同在)，预测预报井下掘进、回采工作面顶板煤岩层的断裂变化情况。

1 首采工作面微地震探测系统设计

针对首采综放工作面所采煤层厚度大，推进速度慢、采空区空间大、顶板坚硬、不易冒顶、瓦斯容易大规模积聚、煤层瓦斯分布不均匀等特点，本实施方案分别设计建立顶板岩石及煤层破坏监测、预测预报和数据管理系统。

2 实施方案

在工作面运输顺槽距工作面开切眼80 m～100 m，180 m～200 m，260 m～300 m和340 m～400 m处设4个监测钻孔（见图1）。每个钻孔内安装3～4个三分量微地震信号接收传感器（见图2）。

在距工作面250 m处设数据接收处理总站，实时监测煤层及顶板岩石的破裂、破坏和垮落情况。根据系统接收的煤层及顶板岩石破坏的历史数据预测围岩的破坏和顶板岩层的垮落，有效地预防周期来压和采空区的大范围冒顶。

利用检波器监测矿山微地震事件时，由于多种原因，三分量检波器的埋置可能存在一定的偏差，并且这些偏差的程度和方向各不相同，由此可能导致检测的微地震波形出现畸变，因此在钻孔过程中应当尽可能地使钻孔垂直。

3 现场应用

3.1 微地震揭示的8103工作面岩层超前破裂

图3、图4和图5是2007年11月2日至30日微震事件平剖面图。从图中可以看出，随工作面推进，岩层运动范围逐渐增大，8103工作面高位顶板超前煤壁75 m开始断裂，2条穿面断层在工作面前方227 m处开始活化。密集分布区破裂高度50 m（直接顶），正常破裂高度75 m（老顶），周期性最大破裂高度150 m，局部达到200 m（上位空间结构）。

3.2 微地震揭示的8103工作面走向超前支撑压力分布

图6是固定工作面微地震事件平面分布图，图7是固定工作面后的微地震事件走向剖面分布图。由图可知，8103工作面超前支撑压力范围为工作面前100 m左右。

由图7可知，工作面前方存在2个微震事件集中区：一是工作面前方0 m～100 m范围内的正常开采引起的岩层破裂区；二是工作面前方100 m～227 m范围内的断层影响区。

3.3 微地震揭示8103面侧向煤岩层破裂及侧向支撑压力分布

第10页图8是微地震事件在8103工作面回风巷侧的显现情况。图中，高位岩层的破裂范围比较大，8103工作面顶板在侧向35 m以内开始断裂，密集分布区破裂范围100 m，破裂高度75 m。

3.4 微地震揭示的8103工作面断层活化区域

随工作面开采，断层区域活化频繁，如第10页图9中椭圆区域，出现的微地震事件较集中，微地震揭示的断层活化区产生的微震事件均超前工作面较大距离，达227 m。一般，断层属不完整岩体，两侧岩体内应力向断层传递，在断层附近形成应力集中，导致此区域频繁出现微震事件。因此，当工作面推临至断层位置时（见图10），采取工作面与断层斜交快速推进的措施，同时加强两平巷的超前支护强度。

3.5 微地震揭示的8103工作面动压区域

图11中椭圆形区域内（见图11）是微地震事件分布盲区，说明此区域内的岩体完整性较好，没有断裂。当工作面进入图12中红色区域时（见图12），高位和低位顶板在短时间内几乎同时断裂，工作面支架将会受到很大动压，压力显现非常明显，甚至压死支架。

矿压观测规律表明，整个工作面支架静压相近，但靠近运输巷动压很大，与微震事件分区边界吻合。

4 主要结论

本次微地震监测是首采面两边实体煤的数据，随着监测的进行，将得到更加丰富和完整的结果。

本次监测得到的主要结论：

①高精度微地震监测能够为特厚综放工作面的矿压控制提供科学依据。

②首采面顶板和底板都发生了超前破裂现象，在平面上，顶板超前煤壁75 m开始断裂，由此可见，超前支撑压力峰值的位置在距离工作面75 m以内。

③煤层上方岩层低位破裂范围破裂高度一般在75 m以内，相当于直接顶和老顶的范围；高位破裂范围在煤层上方75 m～150 m左右，这是由上位覆岩空间结构周期性运动引起的。

④特厚煤层首采面岩层侧向破裂位置在35 m以内，这是合理确定特厚煤层综放工作面护巷煤柱宽度的重要依据。

⑤特厚煤层首采面断层提前活化的距离为227 m左右。

⑥特厚煤层首采面底板的破裂深度为40 m左右。

Application of Microseismic Technology in Thick Coal Seam Mining

Yang Guohua

Microseismic monitoring technology is used on fully mechanized coal caving face of extra-thick coal seams in Tashan coal mine,Datong coal mine group to study the movement law of the surrounding rock mass in order to provide a scientific basis for the coal minig design and the mining pressure control.According to the practical situation of long wall mining with caving coalface and the request of the high precision micro earthquake monitoring technology,the author determines the principle of surrey area's arrangement,analyzes the influence of monitoring positioning accuracy,and studies the collected data.At last we gets the motion parameters of surrounding rock mass,coalface in thick coal seam of Tashan coal mining.

microseismic monitoring technology;thick coal seam;long wall mining with caving;rock burst

TD326

A

1000-4866（2011）01-0008-03

杨国华，男，1973年11月出生，大学本科学历，现在大同煤矿集团大唐塔山煤矿有限公司工作，工程师。

2010－10－27

2010－11－12