特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度的微地震监测.pdf

第 3 4卷第 7期 2 0 0 9年 7月 煤 炭 学 报 J O URNAL 0F C HI NA C0 AL S 0 CI E T Y Vo 1 ． 3 4 No ． 7 J u l y 2 0 0 9 文章编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 9 0 7 0 8 7 1 0 4 特厚煤 层综放工作面 区段煤柱合理 宽度 的微地震监测 孔 令海 ， 姜福 兴 ， 刘 杰 。 ， 叶 根 喜 ， 王 存文 ， 宋 广东 1 ．北京科技 大学 金属矿 山高效开采教育部重点实验室 ，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．北京科技 大学 土木与环境工程 学院 ，北京 1 0 0 0 8 3；3 ．大 同 煤矿集 团有 限责任公 司 大唐塔山煤矿 ，山西 大 同0 3 7 0 0 3 摘要采用高精度微地震监测 系统对塔 山煤矿采高 1 5 m以上特厚煤层 综放工作面岩层运动进 行 了监测 ，将监测结果与岩石力学计算和岩层运动分析相结合进行分析 ，得到 了区段煤柱支承压 力高峰 区距 离巷帮的距 离．将微地震监测与数值计算的结果进行对比，二者基本一致，证明了微 地震监测结果的正确性和可靠性．综合考虑多种 因素 ，确定区段煤柱的合理宽度为2 0～ 2 5 m． 关键词 特厚煤层 ；综放开采 ；煤柱宽度 ；高精度微地震监测 系统 ；矿山压力 中图分类号 P 6 3 1 ． 4 文献标识码 A Hi g h- p r e c i s i o n mi c r o s e i s mi c m o n i t o r i ng s y s t e m t o r e a s o n a b l e wi d t h o f s e g me nt c o a l pi l l a r i n e x t r a t h i c k c o a l s e a m f u l l y me c ha n i z e d t o p- - c o a l c a v i n g mi ning KONG L i n g h a i ， ，J I ANG F u x i n g ， ，L I U J i e 。 ，YE Ge n x i ， ，W ANG Cu n we n ， ，S ONG Gu a n g d o n g ， 1 ．S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f H i g h e3 i e n t Mi n i n g a n d S a f e ty of Me t a l Mi n e s ，Mi n t ry of E d u c a t io n ，U n i v e r s i t y of S c ie n c e a n d T e c h n o l o g y B e r i n g，B e i ri n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．S c h o o l ofC i v i l a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g，U n i v e r s i t y ofS c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B e ij i n g，B e l l i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；3 ． D a t a n g t a s h a n C o l l ie ry， D a to n g C o a l Mi ne G r o u p ，D a t o n g 0 3 7 0 0 3 ，C h i n a Abs t r a c t By u s i n g t h e u n de r g r o u n d h i g h pr e c i s i o n mi c r o s e i s mi c mo n i t o r i n g s y s t e m ，s t u d i e d t he s t r a t a mo v e me n t i n f u l l s e a m mi n i n g o v e r 1 5 m t h i c k i n f u l l y me c h a n i z e d t o p c o a l c a v i n g mi n i n g wo r k f a c e ． Di s t a n c e wa s o b t a i n e d be t we e n hi g h s t r e s s z o n e a n d t h e e n t r y r i b b y c o mb i n i n g r o c k me c ha ni c s c a l c u l a t i n g wi t h s t r a t a mo v e me n t c o n s e q u e n c e a n a l y s i s ．By c o mp a r i n g wi t h n ume ric a l s i mu l a t i o n r e s u l t s，t h e i n f e r r e d r e s u l t b y MS wa s p r o v e d r i g h t ．Re s u l t s ho ws t h e r e a s o n a b l e wi d t h o f s e g me n t c o a l pi l l a r i s 2 0 ～2 5 m ，c o n s i d e r i ng ma n y f a c t o r s ． Ke y wo r d s e x t r a t h i c k c o a l s e a m ；f u l l y me c h a ni z e d t o p c o a l c a v i n g mi n i n g；c o a x p i l l a r wi d t h； h i g h p r e c i s i o n mi c r o s e i s mi c mo n i t o r i n g s y s t e m ；mi n e pr e s s u r e 特厚煤层的综合机械化放顶煤开采技术是 国际上近年来发展起来的一项新的开采技术 ，尤其是 中国众 多科技工作者的研究 ，大大推进了特厚煤层综放开采技术的进步．但是 ，对特厚煤层综放工作面的开采设 计 、区段煤柱宽度的留设等一直未进行过系统的研究 ，类似大同矿区塔 山煤矿 留设 3 8 m的煤柱 ，也只是 仅凭经验和理论得出，没有经过实践的检验．因此 ，如何合理确定特厚煤层综放工作面区段煤柱宽度 ，实 现沿空巷道的安全正常使用 ，同时尽可能减小煤柱宽度 ，提高资源回收率 ，是我国今后一段时间特厚煤层 综放开采需要解决的关键问题之一．对一次采出厚度大于 1 5 m的煤柱附近覆岩层的运动规律 、现场观测 、 理论研究 以及实践经验等方面的文献很少 ，文献 [ 1 3 ]分别对特厚煤层综放工作 面的矿压显现规律进 行了研究．近年来微地震监测技术在多个领域的研究与实践证 明 I 9 J ，微地震监测技术是用于监测扰动岩 收稿 日期 2 0 0 8 0 8 1 4 责任编辑 常琛 基金项 目国家 自然科学基金 资助项 目 4 0 6 7 4 0 1 7，5 0 7 7 4 0 1 2 ；“ 十一五” 国家科技支撑计划项 目 2 0 0 7 B A K 2 4 B 0 4 作者简介 孔令海 1 9 7 9 一 ，男 ，山东济宁人 ，博 士研究 生．Em a i l k o n g l h 0 1 1 6 3 ． c o rn 8 7 2 煤 炭 学 报 2 0 0 9 年 第3 4 卷 层的活动的有效手段．本文基于高精度微地震监测技术， 对 1 5 m以上特厚煤层综放工作面区段煤柱合理 宽度进行了研究． 1 高精度微地震监测方案的确定 塔山煤矿主采煤层平均厚 1 5 m， 为特厚近水平煤层 ，首采工作面 为 低位综放开采一次采 全厚．三分 量 检波器为区域内集中式布置 图 1 ． 在 回风巷距切眼 2 5 0～ 6 8 0 m范围内 布设 2 0组检波器 ，顶底板岩层 内每 组检波器间距如 图 1所示 ，每 组检 波器距巷道底板垂深 3 0～5 0 m 其 F i 昏 1 中，顶板 钻孔 分为深孔 1 ，5 ，7 ， 地而峪控 _ { 】 一 袭 。号 弓 丌 弓 T 。号 丌 T 弓 丌 号 卜 巷 信 号 II - 上 ⋯ 底板钻孔 深 1 5 m 一顶板钻孔 深4 O m -二分量检波器 一 顶饭钻孔 深6 Om 圆瞌测 } 机 一 光 电转换器 图 1 高精度微地震监测系统组成及检波器 C o mp o s i t i o n o f h i g h p r e e i s i o n mi c r o s e i s mi c s y s t e m a n d d e t e c t o r s] a y o n t 1 1 ，1 3 ，1 7 ，1 9号 和一般深度钻孔 2 ，4 ，8 ，1 O ，1 4，1 6 ，2 0号 ，钻孔 口部位于巷帮上角 ，垂直于 巷帮打设 ，与水平面成 6 0 。 ，深度 6 0 检波器与巷道底板垂直距离3 0 m 和 4 0／ I 1 检波器与巷道底板垂直距 离 2 0 m ； 底板钻孔 3 ，6 ，9 ，1 2 ，1 5 ，1 8号为浅钻孔 ，深 1 5 m 检波器与巷道底板垂直距 离 1 0 ． 6 m ， 钻孔 口部位于巷帮下角 ，垂直于巷帮打设 ，与水平面呈 4 5 。 ． 所谓高精度微地震监测技术 ，指利用三维高密度检波器测区布置、数据高速采集和实时高精度定位软 件于一体的微地震监测技术．定位结果的高准确性是高精度微地震监测技术与普通微地震监测技术的根本 区别．本次微地震监测控制区域可以覆盖走向 8 0 0 m、巷道两侧各 3 0 0 m的区域 ，包括监测工作面正常推 进期间的前方岩层的破裂．经标定 ，定位精度达到 1 0 m以内，适合采掘工程尺度． 2 高精度微地震监测揭示的煤柱附近覆岩层结构及支承压力分布 为说明正常推进阶段特厚煤层综放工作面区段煤柱附近覆岩运动规律 ，选取 2 0 0 71 1一l 8 1 1 2 9 的监测结果作为研究 区段煤柱附近覆岩运动规律的基础数据 ，期问工作面共推进 8 3 ． 0 8 m． ． ‘ 位 接 譬 ’ ； ． 位 孝 顶 图 2 煤 柱 附 近 覆 岩 层 破 裂 动 态 发 展 规 律 和 煤 柱 支 承 压 力 分 布 规 律 破 裂 阶 段 随工作面的推进 ，距离工作面 F i g ．2 i e d e v e l o p i g。 -n f 。 。 rb t h 。 p i l 较远的低位岩层持续破裂并逐渐压实 ，区 d 。 p p 。 r t p 。 。 d i t r i b t i 。 Ⅲ 1 。 。 f c 。 l p i 1 1 段煤柱支承压力逐渐向煤柱深部转移 ，微 震事件持续密集发生．此过程中岩体破裂主要集中在高度 7 5 m、倾 向4 0 m的范围内，称为 “ 低位老顶破 裂区” ；③ 高位岩层破裂阶段．低位岩层沉降趋于稳定 ，煤柱支承压力继续向煤柱深部转移 ，老顶上方的 高位岩层发生沉降 ，微震事件主要分 布在高度 7 5 m 以上 、倾 向 8 5 m的范围内，称为 “ 高位岩层破裂 ” ． 第 7期 孔令海等特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度的微地震监测 按采高 1 5 m计算 ，特厚煤层综放工作面的直接顶实际厚度 2～3倍采高 约为 5 0 m；老顶岩层厚 度 2～3倍采高为 3 0～ 4 5 m．结合煤柱附近覆岩层微震事件分布规律 、工作面综合地质柱状 图和岩层 运动理论进行分析可知 ，煤柱附近覆岩层微震事件 的分布具有明显的分区性 ，直接顶岩层厚度约为 5 0 m， 0～ 5 0 1 13 层位的微震事件密集发生 ；老顶岩层的厚度为 2 5 m左右 ，5 0～7 5 m层位的老顶岩层微震事件 比 较密集．根据微震事件数量分布曲线可推断区段煤柱上 的支承压力分布规律 ，推断的支承压力 曲线如 图2 所示． 由图 2可知 ，在水平方 向上 ，煤柱支承压力峰值区距离巷帮约 3 5 m． 3 区段煤柱 合理宽度 的确定 3 ． 1 高精度微地震监测得到的区段煤柱合理宽度 随工作面的推进 ，煤柱附近覆岩层沉降断裂并趋于稳定 ，低位破裂 区、高位破裂 区范 围的微震事件逐 渐减少 ，直至稳定．岩体进入塑性阶段后 ，区段煤柱应满足 巷道处于弹塑性低应力 区，周围煤岩体相对 完整 ，避免临空区残煤 自燃及杜绝瓦斯溢出通道与巷道联通 ，保证巷道支护能够满足矿压控制要求．根据 煤柱支承压力分布规律 图 2 ，煤柱宽度的确定有 3种选择 ① 大煤柱 ，处于低应力区 ，距离巷帮 5 0～ 6 0 m；② 小煤柱 ，处于低应力区；③ 煤柱处于高应力区，即支承压力峰值区 ，距离巷帮 3 5 m．考虑到煤 柱的安全性和经济性 ，合理 区段煤柱宽度 的确定既要保证煤柱的安全正常使用 ，又要提高资源回收率．因 此，合理区段煤柱的宽度应为 2 0～ 2 5 m，而实际留设的 3 8 m煤柱正处于支承压力峰值 区域． 3 ． 2 支承压力峰值区煤体受力估算 煤层厚度大，煤体结构复杂 ，单 轴抗压强度 为 1 0～2 6 MP a ．应力 峰值 区煤体实际支承压力 为 Q k y g h 22 ． 51 0 1 04 5 02 2 ． 5 M P a ，其 中，k为应 力集 中系数 ，取 2 ； 为 覆岩 层平 均密 度 ， k g ／ m ，取 2 ． 51 0 ；g为重力加速度 ，m ／ s ，取 1 0 ；h为煤层埋深 ，取 4 5 0 13 3 ．煤体强度与支承压力基本 接近 ，实际留设 的 3 8 m煤柱处 于煤体 的弹塑 性极限平 衡状态．在采动初期 ，煤柱完整 性较好 ，变 形量较小． 但当沿空 留设 时，将受 下一工 作面超前 支承 压力 的作 用 ，煤柱可能出现大变形和动压． 3 ． 3 数值计算与高精度微地震监测结果的对 比 采用 F L A C二维有限差分软件进行数值模 拟计算得 到的区段煤柱支承压力分布如图 3所示 ，从 图 3可知 ， 受工作面采动影响，区段煤柱支承压力分布可分为 3个 区域 ① 距离巷帮约 3 6 m范围的应力峰值 区，压力 为 2 0 M P a ，应力集 中系数为 1 ． 6 ；② 距离巷帮约 5 6 m范 围的低应 力 区，压 力 为 1 7 ． 5 MP a ，应 力集 中 系数 为 1 ． 4；③ 距离工作面巷道约 9 7 m范围的支承压力影响 区，压力为 1 5 MP a ，应力集中系数为 1 ． 2 ．其 中原岩应 力为 1 2 ． 5 M P a ．因此可确定煤柱支承压力峰值区距离巷 帮约 3 6 m，靠 近 采 空 区一 侧 的低 应力 区距 离巷 帮 约 1 8 m，远离采空 区一侧的低应力区距离巷帮约 5 6 m，采 动影响范围约 9 7 m． 3 ． 4 区段煤柱合理宽度的确定 数值计算结果表 明，二者所得 区段煤柱支承压力分 布规律基本上是一致 的 图 4 ，区段煤柱应力峰值 区 距离巷帮约 3 5 微地震监测结果 和 3 6 m 数值计算 结果 ．合理的巷道位置有 2种方案可供选择 ，即大煤 2 0 ． O 1 7 5 1 5 O 1 2 ． 5 l O ． O 7 ． 5 5 ． O 2 5 图 3 F I A C 。 揭示 的峰值应力位 置 F i g ． 3 Pe a k s t r e s s po s i t i o n b y FI AC 。 图4 微震监测结果与数值计算结果的对比 F i g ． 4 Co mpa r i s o n o f r e s ul t s be t we e n MS a n d FL AC 。 如 一 一 一 0导 戈 盟 ■ 圜 阐 嘲 豳 龋 圈 嗣 豳 置 辫 8 7 4 煤 炭 学 报 2 0 0 9 年 第3 4 卷 柱方案和小煤柱方案．根据高精度微地震监测结果和力学理论计算结果 ，考虑经济因素 ，采取小煤柱的方 案是合适的．综合上述研究结果 ，考虑到煤柱的完整性和巷道的支护要求，避免临空区残煤 自燃 、瓦斯溢 出通道与巷道联通 ，区段煤柱的宽度可取 2 0～ 2 5 m．至于小煤柱时的巷道支护 ，需另做详细研究． 4结 论 一 次采出 1 5 m以上特厚煤层综放工作面区段煤柱附近覆岩层破裂动态发展分 3个 阶段 低位直接顶 覆岩破裂 阶段 、低位老顶覆岩破裂阶段和高位岩层 的破裂阶段 ；将微地震监测结果结合岩石力学和岩层运 动理论 ，推断得到煤柱支承压力分布规律和支承压力高峰区距离巷帮的距离 ；数值计算结果表明，微地震 监测结果是正确可靠的；综合多种因素 ，确定区段煤柱的合理宽度为 2 0～ 2 5 m 在现场监测期间，得到了大同煤矿集 团有限责任公司于斌副总工程师、周建峰高级工程师及塔山煤矿 徐振茂副总工程师 、宋金旺副总工程师和技术部高润平部长 、胡岗、崔俊峰副部长的全力协助，还得到了 同煤集团及塔山煤矿多个部门的关心和帮助 ，在此一并表示感谢 参考文献 [ 1 ] 康天合，柴肇云，李义宝，等．底层大采高综放开采 2 0 m特厚中硬煤层的物理模拟研究 [ J ] ．岩石力学与工程学 报 ，2 0 0 7 ，2 6 5 1 0 6 51 0 7 2 ． Ka n g T i a n h e ，C h a i Z h a o y u n， L i Yi b a o， e t a1．S t u d y o n p h y s i c a l s i mu l a t i o n o f f u l l s e a m mi n i n g f o r a 2 0 m v e r y t h i c k a n d me d i - u m h a r d s e a m b y s u b l e v e l c a v i n g m i n i n g w i t h h i g h b o t t o m c u t t i n g h e i g h t[ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g ，2 0 0 7 ，2 6 5 1 0 6 51 0 7 2 ． [ 2 ] 王吉生 ，柴肇云，康天合，等．综放全厚开采 2 0 m特厚中硬煤层数值模拟研究 [ J ] ．太原理工大学学报，2 0 0 7 ， 3 8 2 1 7 51 7 9 ． Wa n g J i s h e n g ，C h a i Z h a o y u n ，Ka n g T i a n b e ，e t a 1 ．Nu me ri c a l s i mu l a t i o n o f f u l l s e a m mi n i n g f o r a 2 0 m v e r y t h i c k a n d me d i u m h a r d s e a m b y f u l l y m e c h a n i z e d s u b l e v e l c a v i n g[ J ] ．J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，2 0 0 7 ，3 8 2 1 7 5 1 7 9． [ 3 ] 吴永平．大同矿区特厚煤层综放采场矿压显现规律研究 [ J ] ．煤炭科学技术 ，2 0 0 8 ，3 6 1 81 0 ． Wu Yo n g p i n g ．Re s e a r c h o n s t r a t a b e h a v i o u r l a w o f f u l l y me c h a n i z e d l o n g wa l l c a v i n g mi n i n g f a c e i n e x t r a t h i c k s e a m i n D a t o n g Mi n e A r e a[ J ] ．C o a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，2 0 0 8 ，3 6 1 81 0 ． [ 4 ] 姜福兴 ，杨淑华，成云海，等．煤矿冲击地压的微地震监测研究[ J ] ．地球物理学报， 2 0 0 6， 4 9 5 1 5 1 1 1 5 1 6 ． J i a n g F u x i n g ， Y a n g S h u h u a ，C h e n g Y u n h a i ， e t a 1 ．A s t u d y o n m i c r o s e i s m i c m o n i t o ri n g o f r o c k b u r s t i n c o a l m i n e[ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f G e o p h y s i c s ，2 0 0 6 ，4 9 5 1 5 1 1 1 5 1 6 ． [ 5 ] 姜福兴，X U N L u o ，杨淑华．采场覆岩空间破裂与采动应力场的微震探测研究 [ J ] ．岩土工程学报，2 0 0 3 ，2 5 1 2 32 5 ． J i a n g F u x i n g， Xu n L U N，Ya n g S h u h u a ．Mi c r o s e i s mi c mo n i t o rin g s t u d y o n s p a t i a l s t r u c t u r e o f o v e r l y i n g s t r a t a a n d mi n i n g p r e s ． s u r e fi e l d i n l o n g w a l l f a c e[ J ] ．C h i n e s e J o u r n a l o f G e o t e e h n i c a l E n g i n e e ri n g ，2 0 0 3 ，2 5 1 2 3 2 5 ． [ 6 ] 姜福兴，杨淑华，X U N L u o ．微地震监测揭示的采场围岩空间破裂形态 [ J ] ．煤炭学报，2 0 0 3 ，2 8 4 3 5 7 3 6 0 ． J i a n g F u x i n g ，Y a n g S h u h u a ，XU N L u o ．S p a t i a l ff a t u r i n g p r o g r e s s o f s u r r o u n d i n g r o c k ma s s e s i n l o n g wa l l f a c e mo n i t o r e d b y mi ． c r o s e i s m i c m o n i t o ri n g t e c h n i q u e s[ J ] ．J o u rna l o f C h i n a C o a l S o c i e t y ，2 0 0 3 ，2 8 4 3 5 7 3 6 0 ． [ 7 ]L u o x，H a t h e r l y P ．U n d e r s t a n d i n g o f h i g h g a s e m i s s i o n s a t A p p i n C o l l i e ry t h r o u g h m i c r o s e i s m i c m o n i t o ri n g[ A] ．P r o c ．I n t ． M i n i n g T e c h ．’ 9 8 S y m p ．C h i n g q i n g[ C] ．C h i n a ，1 9 9 8 7 4 7 9 ． [ 8 ] C a i M， K a i s e r P K，Ma r t i n C D，e t a 1 ．Q u a n t i f i c a t i o n o f r o c k ma s s d a ma g e i n u n d e r g r o u n d e x c a v a t i o n s f r o m mi c r o s e i s mi c e ． v e n t m o n i t o ri n g[ J ] ．I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f R o c k Me c h a n i c s a n d M i n i n g S c i e n c e s ，2 0 0 1 ，3 8 8 1 1 3 51 1 4 5 ． [ 9 ]L e C a l v e z J H， T a n n e r ．U s i n g i n d u c e d m i c r o s e i s m i c i t y t o mo n i t o r h y d r a u l i c f r a c t u r e t r e a t m e n t A t o o l t o i m p r o v e c o m p l e t i o n t e c h n i q u e s a n d r e s e r v o i r m a n a g e m e n t [ A] ．S P E E a s t e rn R e g i o n a l Me e t i n g[ C ] ．R e v i t a l i z i n g A p p a l a c h i a ，2 0 0 6 2 3 4 2 4 2 ．