张小楼矿微震规律与冲击矿压关系研究专题报告

张小楼矿微震规律与冲击矿压关系研究刘建刚中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州，221116摘要：张小楼矿95206工作面自开始回采到止采一直进行监测，监测数据具有连贯性，便于进行分析研究。易于得出相应的矿震活动规律。95206工作面在回采过程中会遇到两个断层及上层煤的两个停采线，通过对微震规律活动分析我们可以了解断层及上层煤的停采煤柱对95206工作面矿压显现的影响。通过对95206工作面回采过程中冲击矿压危险性分析，我们可以及时预测冲击矿压发生的区域，并提前采区防护措施。关键词：冲击矿压，关键层，微震规律，危险性，回采过程Abstract：95206 workface of Zhangxiaolou mine since the beginning of the recovery to stop mining has been conducting monitored and the surveillance data are coherence, In order to facilitate the analysis and study. It is easy to draw the corresponding mine earthquake activity patterns. 95206 face encounter two faults and two of the upper coal Stop Line in the recovery process .by the analysis of microseismic law activities, we can understand the Influence of the fault and stop mining column of the upper coal on 95206 face mine pressure appearance. By the rockburst risk analysis in the recovery process of 95206 mining face, we can predict the region of rockburst occurred in a timely manner, and take protective measures in advance.Keywords: rockburst, key stratum, the microseismic law, risk, recovery process1 前言1.1 冲击矿压简介1.1.1 冲击矿压概念冲击矿压属于矿山动力现象，是矿山压力的一种特殊显现形式。冲击矿压可以定义为矿山井巷或采场周围矿体和围岩由于变形能的释放而产生的以突变、急剧、猛烈的破坏为特征的动力现象。简单的说，冲击矿压就是煤（岩）的突然破坏现象。冲击矿压是矿山开采中发生的煤（岩）动力现象之一，这种动力灾害通常是在煤（岩）力学系统达到强度极限时，聚积在煤（岩）体中的弹性能量以突然、急剧、猛烈的形式释放，在井巷发生爆炸性事故，造成煤（岩）体振动和破坏，动力将煤（岩）抛向井巷，同时发生强烈声响，造成支架与设备、井巷的破坏以及人员的伤亡等。冲击矿压还可能引发其他矿井灾害，尤其是瓦斯、煤尘爆炸、火灾以及水灾，干扰通风系统，强烈的冲击矿压还会造成地面建筑物的破坏和倒塌等。1.1.2 影响冲击矿压的主要因素及冲击矿压的显现特征冲击矿压发生的原因是多方面的, 但从总的来说可以分为三类, 即自然的、技术的和组织管理方面的。影响冲击矿压发生的因素主要有两大方面：一是矿山地质因素，二是开采技术条件。矿山地质因素主要是:开采深度越大,煤体的应力越高，在开挖空间周围煤体内应力集中系数越大，煤体变形和积聚的弹性潜能也越大；顶底板岩层比较坚硬，煤层具有脆性，易形成较大的集中压力和积聚较多的弹性能；其次由于地质构造的存在，破坏了顶板完整性，使顶板压力在构造处重新分布形成构造应力集中，特别是在断层带附近更容易发生冲击矿压。地质构造因素，在地质构造带中一般由地壳运动的残余应力形成构造应力场。在煤矿中常有断层、褶曲和局部异常(如底凸起、顶板下陷、煤层分岔、变薄和变厚等构造带)，冲击矿压就常常发生在这些构造应力集中的区域。开采技术条件可以促使冲击矿压的发生,它主要体现在两个方面，一是人为地形形成应力集中，增大发生冲击矿压的危险性；二是改变应力状态和产生震动，可以引发冲击矿压发生。具体表现如下:（1）不同采煤方法的巷道布置及顶板管理方法不同，所产生的矿山压力分布规律也不相同，一般短壁较长壁开采易发生冲击矿压。（2）煤柱是发生应力集中的地点。孤岛形和半岛形煤柱可能受几个方向集中应力的叠加作用，形成很大的应力集中，因而在煤柱附近易形成冲击矿压。另外，煤柱上的集中应力不仅对本煤层产生影响，而且向下传递对下部煤层形成冲击条件。（3）采掘顺序对形成矿山压力的大小和分布有很大关系。巷道和回采工作面相向推进以及在回采工作面或煤柱中的支承压力带内掘进巷道，都会使集中应力叠加，而导致冲击矿压发生。另外在采空区附近掘进巷道时，未压实的采空区会对掘进巷道产生动力冲击作用，诱发冲击矿压。（4）在放炮、打钻或采掘工作时能局部改变煤体的应力状态，一方面使煤层中应力迅速重新分布而增加煤体应力；另一方面能迅速解除煤层边缘侧向约束阻力改变煤体的应力状态，由三向压缩变为二向压缩，使其抗压强度下降，导致迅速破坏。因此这些活动具有诱发冲击矿压作用1。1.1.3 冲击矿压现象具有以下显现特征:1、突发性：冲击矿压一般没有明显的宏观前兆而突然发生，难于事先准确确定发生的时间、地点和强度。2、瞬时震动性：冲击矿压发生过程急剧而短暂，像爆炸一样伴有巨大的声响和强烈的震动，电机车等重型设备被移走，人员被弹起摔倒，震动波及范围可达几公里甚至几十公里，地面有地震感觉，但一般震动时间不会超过几十秒。3、巨大的破坏性：冲击矿压发生时，顶板可能有瞬时明显下沉，但一般并不冒落；有时底板突然开裂鼓起甚至接顶；常常有大量煤块甚至上百立方米的煤体突然破碎并从煤壁抛出，堵塞巷道，破坏支架；从后果来看冲击矿压常常造成惨重的人员伤亡和巨大的生产损失。1.1.4 国内外冲击矿压概况1、国内冲击矿压历史及现状我国最早记录的冲击矿压现象于1933年发生在抚顺胜利煤矿，当时的开采深度为200米左右。从1949年以来，已发生破坏性冲击矿压4000次，震级0.53.8级，造成大量巷道破坏和惨重的人员伤亡。近年来，我国一些金属矿山、水电与铁路隧道工程也出现了岩爆现象。我国煤矿发生冲击矿压有如下特征：(1)突然性。冲击矿压发生前没有明显的征兆， 突然、猛烈。(2)多样性。煤层冲击、顶板冲击、底板冲击等两三种冲击的组合。(3)破坏性。片帮和煤炭抛出，顶板突然下沉、底鼓、破坏巷道支护，造成人员伤亡等。(4)在各种采矿和地质条件下均发生过冲击矿压。然而具体分析起来，我国冲击矿压发生的条件极为复杂。从自然地质条件来看，除褐煤以外的各煤种都记录到了冲击现象，采深从200800米，地质构造从极简单至极复杂，煤层从薄到特厚，倾角从水平到急倾斜，顶板包括砂岩、灰岩、油母页岩都发生过；从生产技术条件看，水采、水砂充填、综采、炮采、机采、手采等各种工艺，长壁、短壁、巷柱、倾斜分层、水平分层、倒台阶、房柱式等各种方法都出现了冲击现象。1949年以前我国发生冲击矿压的矿井只有12个，50年代增加为7个，60年代为12个，70年代为22个，到21世纪初已达到50多个。而随着开采深度的增加、开采范围的扩大，今年来虽然采取了不少措施，但全国矿井数和总的冲击数并未减少。可见，我国冲击矿压的防治工作任务甚为艰巨，具有现实的迫切性和长远的重大意义。2、国外冲击矿压概况冲击矿压是世界采矿业面临的共同问题。1738年英国在世界上首先报道了冲击矿压现象。之后，前苏联、南非、德国、波兰、美国、加拿大、日本、法国、印度、捷克、匈牙利、保加利亚、奥地利、新西兰和安哥拉等都记录了冲击矿压。目前，有包括我国在内的20多个国家和地区都有冲击矿压，这一事实表明，世界上几乎所有采矿国家都不同程度地受到冲击矿压的威胁。因此应准确、有效的预测冲击矿压及其危害性，为采取相应防治措施提供依据，从根本上消除或缓解冲击矿压的危害是非常重要的。1.2 微震检测系统微震监测系统主要由中心计算机、中心数据收集器、远程数据采集器、拾震传感器、打印机、GPS时间服务器、软件等部分组成。中心计算机通过数据线与数据收集器相连,计算机上安装控制分析软件,软件运行在WINDOWS环境下,接收来自远程数据采集器的原始数据、在计算机屏幕上显示原始数据的波形,计算机储存、回放每一个震动事件,便于人工和自动读取处理。微震监测能够较为准确地获得已发生微震事件的震源位置、发生时间和释放能量,进而统计微震活动强弱和频率并判断潜在的矿山动力灾害活动规律。2 张小楼矿概况2.1 矿井概况庞庄煤矿张小楼井位于徐州市西北铜山县柳新镇和刘集镇境内，距徐州市区13km。南部（浅部）以F1断层与庞庄井田为界，北部（深部）至京福高速公路保护煤柱线；东部以西1、西2和西3三个坐标点的连线及其延长线与柳新井田为界【苏煤司基（87）第252号文】，西部以点连线与夹河井田深部为邻【苏煤司基（84）第579号文】。整个井田东西长约4.80km、南北宽约3.53km，井田面积16.94km2。开采深度为-280m-1250m。庞庄煤矿张小楼井于1973年建成投产，矿井原设计生产能力45万t/a。1989年由徐州矿务局设计处对其进行改扩建初步设计，设计生产能力为105万t/a。2005年3月改扩建完成，并于2005年4月通过了江苏煤矿安全监察局的“矿井改扩建安全设施竣工验收”。2006年通过江苏省经济贸易委员会组织的竣工验收，并于当年核定矿井生产能力为120万t /a。张小楼井采用立井多水平开拓，新主井落底-1025m水平，直径为5.7m；新副井落底-1025m水平，直径为7.0m；风井落底-400m，直径为5.0m。采用中央并列机械抽出式通风方法。张小楼井现在生产水平为-1025m水平，-1025m水平划分为4个采区，即西一上、下山采区和西二上、下山采区。目前，张小楼井基础储量为9861.1万t（-1300m水平以上），设计可采储量为6601.1万t。可采煤层自上而下为：1、2、7、9。各煤层特征见表2-1。表2-1 庞庄煤矿张小楼井可采煤层情况一览表煤层号穿过点数可采点数不可采点数缺失点数两极厚度平均值(m)可采指数变异系数煤层稳定程度717160139.556.001.007%稳定91414002.204.623.001.003%稳定张小楼矿现在主要是在对7煤和9煤进行开采，在开采的过程中由于设备的安装日期的限制，在对9煤监测的时间和数据相对来说是比较准确的，主要是对95202和95206两个面进行分析。1）7煤层7煤层为本矿区主采煤层之一。厚度02.55m，平均厚度1.79m，局部有0.2m左右的夹矸1层，夹矸岩性主要为页岩，偶尔也可见砂页岩；煤层倾角025；7煤上距分界砂岩43.9660.46m，平均间距52.27m左右；7煤下距9煤间距24.1740.85m，平均间距29.33m；煤层可采性指数Km0.94，变异系数27。直接顶为灰白色砂质页岩或中细粒砂岩，厚度0.2029.77m，平均厚5.81m老顶多为砂质页岩或中细粒砂岩；直接底为深灰色砂质页岩，偶见中细粒砂岩或粉砂岩，厚度0.5525.23m，平均厚度7.58m。综合评价7煤为较稳定的中厚煤层。2）9煤层9煤层为本矿区主采煤层之一。9煤上距7煤间距24.1740.85m，平均间距29.33m左右；9煤下距太原组一灰间距24.128.9m，平均间距25.3m左右；煤层厚度02.62m，平均厚度1.47m；煤层倾角025；煤层可采性指数Km1，变异系数13。直接顶板多为灰白色细粒砂岩或砂页岩互层，厚度6.4333.78m，局部有0.30.6m厚的页岩伪顶；直接底板多为页岩或砂页岩，偶见粉砂岩，厚度0.596.08m，1.49m，其下为92煤，直接底较厚的地方9煤与9-2煤合为一层。综合评价9煤为较稳定的中厚煤层。张小楼井田位于徐州煤田九里山向斜中段张小楼背斜北翼。该背斜仅在13-115线的露头部位有所显露，其轴部为奥陶系中统地层。F1号逆断层基本沿背斜轴部切割，因此形成一个不完整背斜，南翼仅残存很少山西组、太原组煤系地层。北翼保存相对较完整，但也被几条大中型断层纵横切割，略显破碎。该井田整体呈一走向北东、倾向北西上陡下缓的铲式单斜构造，浅部地层倾角一般在2440、深部地层倾角515。13-116-1勘探线间浅部露头部位的煤层分别被落差20.0m以上的F18、F15、F14、F0、K3、K1、K6等断层切割，破坏了浅部单斜构造形态。深部则表现为两个宽缓的向斜和两个宽缓的背斜，如图2-1所示。图 01张小楼井田构造纲要图2.2 冲击矿压显现徐州矿务集团的矿井大都进入深部采区，采深达到千米以上，冲击矿压动力现象十分严重，其中庞庄煤矿张小楼井等是冲击矿压显现比较典型的矿井。庞庄煤矿张小楼井9煤煤层采深1000 m，局部采深接近1200m，属于典型的深部开采煤层。深部开采所遇到的冲击矿压危害程度远比浅部开采严重的多，同时冲击矿压防治难度也随着采深的增加而大幅度提升。根据冲击倾向性鉴定结果，庞庄矿张小楼井9煤煤层的冲击能指数=5.05，弹性能指数=10.28，动态破坏时间=41ms，为典型的强冲击倾向煤层。加之张小楼井多煤层开采，上部煤层开采时留下的残采区、煤柱是构成下部煤层开采应力集中的一个主要原因。庞庄煤矿张小楼井在长期与冲击矿压的斗争中，从工作面整体布局至局部解危措施的应用等，都积累了丰富的预防和治理经验，取得了相当成效，并且已经建立了即时与局部预测的电磁辐射法和钻屑监测方法。但由于冲击矿压目前仍是世界性难题，其发生与否受众多因素影响和制约，特别是千变万化的煤层具体开采技术条件，分析和治理起来难度仍相当大，且随着张小楼井主采工作面向深部延伸，冲击矿压的威胁更加严重。故进一步分析现场矿震数据，具有重要的实践指导意义。2.3 95206工作面位置图02 95206工作面位置95206工作面位置如下图02：3 微震规律综述3.1 95206工作面附近及下山区域微震频次统计分析本次分析对象选用95206工作面是因为本工作面基本上是从微震监测系统开始运行到止采一直进行监测，监测数据具有连贯性，便于进行分析研究，易于得出相应的矿震活动规律。同时，95206工作面在2011年11月27日9点20分14秒和9点20分57秒，张小楼井微震监测系统监测到95206皮带机道三角门处（能量：1.13*105J）和-1025胶带石门三角门处（能量：3.44*105J）发生两起强矿震，其扰动诱发-1166回风石门15m范围内底板底鼓0.5m左右。故以95206工作面为分析对象，能较全面反映本阶段矿震活动的规律性。95206工作面采掘工程平面图见图3-1。有图可看出95206工作面回采过程中不仅需过两个断层还要经过7煤的两个停采线，且95206工作面主体位于向斜左翼。自95206工作面回采以来，工作面附近已出现多起强矿震活动事件。而事实上，在这些大的震动事件发生前，岩体已经出现了大量的矿震活动。这些矿震活动所发生的频次及能量的变化与冲击矿压的发生有非常明显的关系。本文取自矿震数据库2011年5月01日至2012年3月12日的数据。95206工作面监测区域共检测到矿震8724次，其中最大能量为8.39E+05J，最小能量不到100.0J，震动能量分级统计见表3-1。由于95206的回采影响下山区域矿震活跃，在下山区检测域内共检测到矿震22077，其中最大能量为5.33E+05J，最小能量不到100.0J，震动能量分级统计见表3-2。表 01 95206工作面附近矿震统计表能量分级（J）震动次数所占比例/%小于102313835.97102103308635.33103104210624.141041053634.16105106350.40表 02下山区域矿震统计表能量分级（J）震动次数所占比例/%小于102722732.74102103837437.90103104560925.411041058273.75105106440.20由表3-1,表3-2可看出，95206工作面回采过程中无论是工作面附近还是下山区域震动能量大于104J的矿震占总矿震的比例很小，分别是4.56%和3.95%。说明在工作面回采过程中无论是工作面附近还是下山区域矿震活动比较缓和，工作面覆岩运动较为规律，不甚剧烈，工作面回采过程中应该加强静载卸压措施。图 03 95206工作面附近矿震频次按月统计图由图3-1可看出随着95206工作面的推进每月发生矿震的频次总体上呈增加状态，折线在2012年3月突然下降是因为95206工作面在此时间段内挺停采造成的。由图3-2可看出随着95206工作面的推进下山每月发生矿震的频次在11月份之前频次相差不大，稳定在1800次左右，但折线在2011年11月突然矿震频次发生跳跃稳定在2500次左右，2012年3月频次下降是因为95206工作面在此时间段内挺停采造成的。3.2 95206工作面附近及下山区域微震时序分析图 04下山附近矿震频次按月统计图在这里，主要分析矿震能量与频次演化规律。95206工作面自2009-6-27回采至今（2011-5-12012-03-12），已经发生了多次强矿震，而事实上，在这些大的震动事件发生前，岩体已经出现了大量的微震活动。这些微震活动所发生的频次及能量的变化与强矿震的发生有非常明显的关系。下面具体分析2011-5-12012-03-12期间每月工作面及下山附近微震事件震动频次、能量时间序列变化情况，如图3-4图3-23所示。图 05工作面（2011/5/12011/5/31）微震事件震动频次、能量时间序列图图 06工作面（2011/6/12011/6/30）微震事件震动频次、能量时间序列图图 07工作面（2011/7/12011/7/31）微震事件震动频次、能量时间序列图图 08工作面（2011/8/12011/8/31）微震事件震动频次、能量时间序列图图 09工作面（2011/9/12011/9/30）微震事件震动频次、能量时间序列图图 010工作面（2011/10/12011/10/31）微震事件震动频次、能量时间序列图图 011工作面（2011/11/12011/11/30）微震事件震动频次、能量时间序列图图 012工作面（2011/12/12011/12/31）微震事件震动频次、能量时间序列图图 013工作面（2012/1/12012/1/31）微震事件震动频次、能量时间序列图图 014工作面（2012/2/12012/3/12）微震事件震动频次、能量时间序列图图 015下山附近（2011/5/12011/5/31）微震事件震动频次、能量时间序列图图 016下山附近（2011/6/12011/6/30）微震事件震动频次、能量时间序列图图 017下山附近（2011/7/12011/7/31）微震事件震动频次、能量时间序列图图 018下山附近（2011/8/12011/8/31）微震事件震动频次、能量时间序列图图 019下山附近（2011/9/12011/9/30）微震事件震动频次、能量时间序列图图 020下山附近（2011/10/12011/10/31）微震事件震动频次、能量时间序列图图 021下山附近（2011/11/12011/11/30）微震事件震动频次、能量时间序列图图 022下山附近（2011/12/12011/12/31）微震事件震动频次、能量时间序列图图 023下山附近（2012/1/12012/1/31）微震事件震动频次、能量时间序列图图 024下山附近（2012/2/12012/3/12）微震事件震动频次、能量时间序列图通过观测某个巷道和开采区域中由微震监测系统确定的参数在到目前为止所发生的变化，并确定由此引起的冲击矿压危险相对于目前为止的冲击危险的上升或下降的程度。积极找出强矿震发生的前兆规律。根据以上对张小楼煤矿95206工作面冲击危险状况的分析，基于微震监测系统确定了单日微震累计能量、震动频次两个参量进行危险程度的分析和评价。根据以上震源时空演化规律的分析，确定以下特征为强矿震和强冲击发生的前兆规律：（1）日震动频次连续处于高位或在高位的基础上持续上升，而日释放能量较长时间维持低水平或在低位的基础上下降再或者上升不大时，说明强矿压即将到来。（2）在活跃期后，若出现以日震动能量和日震动频次双下降为特征的沉寂区间，则说明下一步要释放大量能量。（3）在发生较强矿压显现之后，若日震动频次降低，而日震动能量不但没有降低反而走高；或者震动频次升高而能量降低，则预示强冲击的到来。只有在大能量释放后能量与频次都下降才安全。（4）震动次数高表明岩体破裂活动频繁，是应力集中下岩体失稳的征兆，之后出现的沉寂现象则是预示岩层中强矿震能量蓄积的征兆，应格外注意。（5）强矿压显现发生前，矿震次数和矿震能量迅速增加，维持在较高水平，直到发生大的强矿压显现后，矿震次数和矿震能量明显降低；（6）岩体中能量的释放总是处于一种波动状态，对应积聚和能量释放的频繁转换中，而在具有冲击危险的情况时，这种波动状态开始加剧，震源总能量变化趋势首先经历一个震动活跃期，之后出现较明显的下降阶段，当震动活跃期中出现震动频次较高时，开始具有冲击危险性，而在下降阶段再回升或下降阶段中出现比较长时间的沉寂现象后，并且震动频次维持在较高水平时，此时具有强冲击危险性。（7）微震活动与采掘活动有密切的关系，当出现较大的微震活动时，都应从时间序列分析与采掘的关系，逐次远离回采工作面时危险性较小，逐次向回采工作面靠近时，应加强防范。3.3 矿震空间演化规律在这里，主要具体分析95206工作面每月矿震震源的空间分布情况以及工作面下山附近震动平面图。图 02595206全矿井工作面震源分布图（ 103 J-104 J 104J-105 J 105J-106J）图 026工作面附近威震分布平面图（圆圈代表能量104J）从震源空间的月分布和平面分布演化趋势可见，震源集中区域随着工作面的推进，逐步往前移动；强度较高的震动并不是突然的出现，而是有一个向上的发展过程；采空区底板中出现的震动随开采进行也逐渐增多；工作面上方发生的震动多在工作面后方，且分布上呈现一条斜线带，这与顶板分层垮落是一致的；工作面超前应力集中区在开采初期震动较少，能量也较小，随着开采范围的扩大，前方也出现较多震动，并出现几次能量较高的强矿震事件，表明煤岩层在超前支承压力作用下已经开始出现大范围断裂或破坏。从整个回采过程中看，矿震大多分布在褶曲一翼、断层附近。图 027下山附近微震分布平面图（圆圈代表能量104）如图3-26所示，95206工作面回采过程中对下山巷道影响很大，尤其95206工作面下山附近，微震活动剧烈，高能量的微震发生频率高，对于冲击矿压的预测有重要意义。4 工作面及下山附近危险性分析4.1 构造的影响4.1.1 褶曲研究表明，如图3-27所示，一般情况下，对于回采工作 面来说，在褶曲的各个部位，出现的危险性是不一样的， 褶曲向斜部分，其应力垂直为压力，水平为拉力，最容易 出现冒顶和冲击矿压；褶曲两翼，这部分的应力，垂直和 水平均是压力，最容易出现冲击矿压；褶曲背斜，其应力 状态为垂直拉力，水平拉力，这部分也是最大矿山压力区 域。数值模拟结果 也表明，最大水平应力是压应力，主 要集中在褶曲向斜、背斜内弧的波谷和波峰部位。 因此，在褶曲部分开采煤层时，褶曲这种应力场初始 状态的变化必将对巷道开挖或工作面开采引起的应力场变 化产生影响，发生冲击矿压的危险性就极大。图 028褶曲部分的受力状态及危险性4.1.2 断层95206工作面在推进过程中还要受到两个断层和7