王广露 曹建波 崔猛
淮北矿业股份有限公司海孜煤矿安徽淮北235000
摘要：在海孜煤矿Ⅲ1012 综采工作面回采过程中，以SOS 微震监测系统监测到的矿震数据为基础，对工作面回采期间矿震分布规律进行了研究，结果表明：Ⅲ1012 工作面采空区微震活动强度较低，能量均在105J 以下，且频次较低；而其上区段采空区遗留煤柱附近微震活动较为强烈，最大能量达4.52伊107J，且频次较高，分布异常集中。分析认为，上区段采空区覆岩运动处于极限平衡状态，受采动影响引发煤柱失稳，释放大量能量。分析区段遗留煤柱对矿震分布规律的影响，为工作面安全回采提供重要依据。
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关键词 ：遗留煤柱；微震监测；煤柱失稳；分布规律
海孜煤矿Ⅲ1012 工作面开采深度达730m，加之煤层上覆岩层含坚硬厚层砂岩组影响，矿震显现日益明显，已成为必须要防治的灾害之一。基于SOS 微震监测系统数据，分析区段遗留煤柱对矿震分布规律的影响，以便更好的掌握矿震分布规律，为工作面安全回采提供重要依据。
1 开采技术条件
Ⅲ1012 综采工作面为Ⅲ101 采区首工作面，其上区段为Ⅱ101采区。受地质构造等因素的影响，Ⅱ101 采区各工作面在回采期间遗留部分不规则煤柱，如图1 所示，阴影部分为遗留煤柱。
工作面设计走向长745m，实际回采550m，倾斜长175m，平均煤厚3.05m，平均煤层倾角23毅。伪顶为炭质泥岩，厚0-0.3m；直接顶为泥岩或粉砂岩，厚1.9-4.7m；基本顶为中砂岩，厚9.9-19.7m。上覆岩层多为砂岩、粉砂岩互层，Ⅲ1012-1、Ⅲ1012-2、Ⅲ1012-3 钻孔显示，砂岩、粉砂岩分别占基岩的85.2%、72.1%、56.3%。
2 SOS 微震监测布置
SOS 微震监测系统主要由井下安装的检波测量探头，地面安装的信号采集站和信号记录器等组成，它们相互配合形成一个整体系统。该系统能够即时、连续、自动采集矿山岩体震动信号，实现微震信号的可视化，并可对其进行分析、波群分离和筛选，还能完成三维空间定位，震动能量推演及其他煤岩体震动参数的物理计算等[1]。基于SOS 微震监测系统的监测原理，将Ⅲ101 采区作为重点监测区Ⅱ，合理优化台网布置后，共设置了9 个探头进行监控[2]。对Ⅲ1012 工作面回采期间发生的100 J 以上微震事件进行统计分析，包括震源分布位置、能量和频次等。
3 微震分布规律及分析
3.1 微震分布规律
自2014 年9 月至2015 年6 月5 日，对Ⅲ1012 工作面回采期间的微震分布情况进行平面定位分析，如图2-4 所示。结果表明，能量>103J 的微震震源分布范围较广，遍布于Ⅲ1012 工作面采空区至Ⅱ1015 采空区内，其中有2 处分布较为集中，即Ⅱ10111 采空区煤柱和Ⅱ101 上山保护煤柱附近，其余震源较均匀出现在老采空区内，说明老采空区上覆顶板受周围遗留煤柱的支撑作用，达到极限平衡状态，在受采动工作面顶板断裂扰动后应力重新分布，较大范围顶板活动较为频繁，但能量并不大。
能量在104-105J 之间和大于105J 的微震分别为62 次和15次，其中分布于Ⅱ101 采空区分别为37 次和12 次，分别占59.7%和80%，且集中在Ⅱ1019 和Ⅱ10111 采空区遗留煤柱附近。能量在104-105J 之间的震动出现在Ⅲ1012 采空区5 次，占8%，而大于105J 的震动未出现在Ⅲ1012 工作面。
分析结果表明，微震能量越大，震源分布集中程度越高。分布于Ⅱ101 采空区、大于105J 的微震均在Ⅲ1012 工作面沿上区段采空区回采之后出现，说明回采工作面采空区与上区段采空区连通之后，形成协同运动，覆岩活动更加剧烈。随着采空区悬露面积不断扩大，应力在遗留煤柱位置不断集中，煤岩体中静载荷与矿震形成的动载叠加之和大于诱发煤岩体强矿震显现的最小载荷，就会诱发大能量矿震，释放较大能量[3]。
3.2 原因分析
当采深达到一定程度时，采空区覆岩是否充分运动的判别标准为其宽度是否达到临界开采宽度（采深的0.4 倍）。Ⅱ101 采区采深620m，覆岩充分运动的临界开采宽度为250m，而采区遗留煤柱之间采空区的宽度之和为254m，说明上覆岩层运动处于极限平衡状态。
Ⅲ1012 工作面采深730m，覆岩充分运动临界开采宽度280m，而Ⅲ1012 工作面和邻近采空区宽度之和为285m，说明Ⅲ1012 覆岩运动也处于极限平衡状态。
随着Ⅲ1012 工作面不断向前推进，采空区内发生的矿震最大能量在105J 以下，且频次很低，而采动面对上区段采空区产生扰动时，覆岩的极限平衡状态被打破，引发遗留煤柱应力进一步集中，造成失稳，特别是不规则煤柱的尖端部位，释放更大能量，其中监测到的最大一次能量为4.52伊107J，地面有震感，井下有较大闷响，但并未造成巷道明显变形和瓦斯异常涌出。
4 结论
①Ⅲ1012 工作面回采期间，采空区微震活动强度较低，能量均在105J 以下，且频次较低；而其上区段采空区遗留煤柱附近微震活动较为强烈，最大能量达4.52伊107J，且频次较高，分布异常集中。
②Ⅲ1012 工作面采空区与上区段采空区连通之后，形成协同运动，使覆岩活动更加剧烈，随着采空区悬露面积不断扩大，应力在遗留煤柱位置不断集中，煤岩体中静载荷与矿震形成的动载叠加之和大于诱发煤岩体强矿震显现的最小载荷，就会诱发大能量矿震。
③上区段采空区覆岩运动处于极限平衡状态，受采动影响时，覆岩的极限平衡状态被打破，引发遗留煤柱应力进一步集中，造成失稳，特别是不规则煤柱的尖端部位，释放大量能量。
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参考文献院
[1]张明伟，窦林名，王占成，等援深井SOS 微震监测系统建设与应用[J]援煤矿开采，2010，15(2)：16-20.
[2]巩思园，窦林名，曹安业等援煤矿微震监测台网优化布设研究援地球物理学报，2010，53(2)：457-465.
[3]窦林名，何学秋援冲击地压防治理论与技术[M]援徐州：中国矿业大学出版社，2001.