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| 基于微震分析法的厚煤层导水裂缝带高度研究 |
摘要：针对某煤矿厚煤层、断层构造较多、开采条件复杂等特点，通过应用微震分析法对3号层首采面的导水裂缝带高度进行了研究。根据对微震事件分布规律，确定了3号层首采工作面导水裂缝带高度，并与工作面的涌水量变化情况进行了对比验证，结果基本一致。可以确定所得上覆岩体导水裂缝带范围和高度的合理性，为后续开采的设计和安全防护提供了指导。
关键词：微震分析法；厚煤层；导水裂缝带高度
0 前言
导水裂缝带是指岩体中裂缝相互连通，能使水流向采区的断裂带和冒落带的总称，是综合反映上覆岩体破坏范围及破坏后的导水性能的指标。研究复杂地质条件下的厚煤层综放开采诱发导水裂缝带的高度，无论是从理论角度或是从煤矿安全生产的角度来说都具有很高的价值。
1 矿井概况
某煤矿位于黑龙江省鹤岗市中心东部，某矿西北部与益新矿交界，西部与振兴矿相邻，西南部与南山矿相邻，地质条件复杂，矿井范围内分布着数十条断层，3#煤层厚度变化较大，平均厚度约为7m，同时，该矿3#煤层顶板覆有巨厚层段的砾岩离层含水层，一旦上覆岩层破坏产生的裂缝与砾岩含水层导通，将会导致严重的矿井透水事故。因此，十分有必要开展关于某煤矿回采工作面上覆岩层导水裂缝带高度的研究。
本文选取某煤矿3号层首采工作面作为具体研究对象。该工作面位于某煤矿井田南部边界，西北侧为F15号正断层，东北侧为F36号正断层，西南侧为井田境界，东侧为二分段。采区走向长度730.0m，倾斜宽130.0m，可采储量93万t，煤层赋存标高(矿区假定高程)-560.0m至-640.0m。
工作面采用走向长壁综采放顶煤采煤方法，放煤步距1.2 m，割煤高度2.5m，放煤高度3.5m，煤层开采厚度6m，煤层赋存稳定，工作面直接顶为细砂岩，基本顶为粗砂岩或砾岩，两者强度都较低。
3层煤属白垩系下统石头河子组含煤段，石头庙子组砾岩裂隙含水层分布区域内，根据地质、水文资料，由西向东厚度逐渐增大，埋深逐渐加深；含水层岩性主要以砾岩为主，砾径一般在3～15cm，磨圆度好，分选差；硅质胶结，质地坚硬；夹有薄层砂岩。据NS-3号孔抽水试验，水位标高+236.81m，单位涌水量2.633L/s～4.026L/s，渗透系数0.0281m/d，富水性弱。水化学类型主要为HCO3-Ca、HCO3-Na·Ca、HCO3-Ca·Mg·Na型水。南四上采区3层煤导一分段水裂隙带发育高度约为77.7m，可导通石头庙子组砾岩裂隙含水层，该含水层富水性弱，故该工作面主要水害为断层、钻孔、采动影响导通含水层。
2 导水裂缝带划分理论
在工作面回采过程中，虽然任何一种岩性的顶板都会向下运动，但并不是整体运动，而是分为若干分层由下而上依次向下运动。因此不同层位的岩层其破坏的形式也是不同的，导致煤体上方岩层依次形成垮落带、裂缝带和弯曲下沉带，即通常所说的“三带”：
(1)垮落带：
破断后的岩层呈不规则形态垮落，排列极不整齐，碎胀系数比较大，一般可达1.3-1.5，经重新压实后，碎胀系数可降到1.2左右。此区域与所开采的煤层相邻，一般情况下是由直接顶岩层冒落后形成的。
(2)裂缝带
岩层破断后，岩块仍然排列整齐的区域即为裂缝带，其位于冒落带之上，由于排列比较整齐，因此碎胀系数较小。垮落带与裂缝带合称导水裂缝带，意指上覆岩层含水层位于“两带”范围内，将会导致岩体水通过岩体断裂隙流人采空区和回采工作面。
导水裂缝带高度和岩性及煤层采高有关，覆岩岩性越坚硬，导水裂缝带高度越大。一般情况下，软弱岩层导水裂缝带高度为采高的9～12倍，中硬岩层为12～l8倍，坚硬岩层为18～28倍。准确地确定导水裂缝带高度，对解决水体下采煤问题及下解放层开采瓦斯突出煤层有重要的意义。
(3)弯曲下沉带
自裂缝带上部边界到地表的所有岩层称为弯曲下沉带。弯曲下沉带内岩层移动的显著特点是，岩层移动过程连续性、整体性较强，即裂缝带上部边界以上至地表的岩层移动是整层地、整体性发生的，在垂直剖面上，其上下各部分的下沉值很小。
3 微震分析法原理简介
煤矿水害防治微震预测预报技术，是利用高精度微震监测系统，通过感知导水通道形成过程中的岩石破裂，精细定位处理解释，以对导水通道形成过程进行监测。该技术具有实时、连续、全空间动态监测、主动扰动探测特点，可应用于工作面附近隐伏导水构造监测、工作面周边构造活化、监测注浆浆液扩散范围等方面，通过在线监测对工作面回采过程中突水危险地段进行探查、评价。受采动应力分布影响，工作面回采过程中应力失稳再平衡过程中产生大量微震事件，根据微震密集区的时空演化，监测回采过程中底板构造薄弱区，以及可能存在的导水通道，进行水害监测预警。
应用微震分析法研究导水裂缝带高度的基本原理是：在分析工作面上方不同高度区域内微震事件分布规律的基础上，结合现场煤岩体的结构特点，分析工作面不同层位上覆岩层的破坏特征，最终确定工作面导水裂缝带高度。分析认为，理论上工作面上方不同高度区域内岩体破坏产生的微震事件分布规律如下：
(1)垮落带作为离煤层最近的岩层，其岩性一般较软，厚度较小，承载能力也是最差的。在工作面推进过程中，随着煤体的采出，上部岩体的载荷瞬间加载到这部分岩体上，导致岩体完全破坏、垮落，堆积于采空区内。在这一过程中，一方面岩性较软，另一方面岩体破坏块度较小，其释放的能量也相对较小，但这种小能量事件频次较多。
(2)裂缝带内的裂缝主要来源于2个过程：一是岩体处于工作面前方超前支承压力作用区域时，在采动应力作用下，煤体发生破坏、形成采动裂缝；二是在垮落带随煤体垮落后，对其上部岩体有一定的承载作用，但该部分岩体仍然需要承载上覆岩层的大部分载荷，由于该部分岩层的承载能力相对较强，厚度较大，其破坏过程中释放的能量也相对较大。
(3)处于“三带”最上部的是弯曲下沉带，该部分岩体的承载能力最强，虽然破坏过程较慢，但岩体破坏过程中释放能量最大，裂缝数量最少。一般情况下首先会产生离层，随着离层空间的不断加大，空顶岩体体积逐渐增大，最终发生破断，在这一过程中会释放大量能量，完全可以与裂缝带内形成裂缝过程加以区分。
因此，在计算工作面导水裂缝带高度的过程中，主要是分析微震事件密集区域，确定其上部边界位置，同时参考大级别微震事件发生时间和发生位置，得出最终结论。
4 微震监测结果分析
在研究过程中，对2022年2月1至2022年5月30号3号层首采工作面附近发生的微震事件进行了统计分析，认为3号层首采工作面附近的微震事件主要分布在3个区域，即F13断层附近区域和3号层首采工作面煤层顶板上方和下方区域，在这三个区域内发生的微震事件都非常密集，见图4-1、4-2微震事件平剖面投影图。其中F13断层附近区域微震事件主要分布在断层与岩层、煤层之间“尖端”交界处，发育高度基本在煤层上方20m范围内，分布区域相对集中，微震事件能量级别大多在5×102J以上，属于中等级别微震事件，其发生的原因是断层受采动干扰活化后的剧烈活动，在具体的导水裂隙带高度计算过程中，排除断层等构造带的影响，只需分析一般地质条件下3号层首采工作面上方区域微震事件的分布规律。
 图4-1 微震事件垂向地质剖面投影图  图4-2 微震事件平面投影图 通过对3号层首采工作面上方微震事件分布规律进行研究，认为3号层首采工作面导水裂缝带上部边界为工作面上方75m左右。具体划分原因如下：
(1)对厚度3.5-12m，顶板中硬、软弱，适用综采放顶煤工艺开采的煤层，采用《煤矿防治水手册》(7.2)公式进行计算。
 (7.2)
某矿首采区三号煤层一分段工作面开采期间实际煤层厚度平均为5.5m，采用7.2公式导水裂隙带发育高度77..7m左右。
(2)3号层首采工作面上方区域微震事件呈“层”状分布，在煤层上方的不同层位上，呈现出不同的分布形态，从下到上依次为“密集事件～相对密集事件一零星事件”，下图4-3为三号层首采面微震事件三维空间可视化展示图。
 图4-3 3号层首采面微震事件发育位置三维展示图
 图4-4 3号层首采面顶板微震事件不同层位震级对比图
5 对比验证分析
某煤矿3号层首采面自生产开始，在2021年10月10日试生产时，首采面平均涌水量130m³/h，矿井平均涌水量280m³/h；12月16日工作面推进度平均90m，首采面涌水量增涨至170m³/h，矿井涌水量320m³/h；2022年1月07日工作面见方(推进度127.5m)，1月9日首采面涌水量增涨至210m³/h，矿井涌水量350m³/h。
通过分析首采面涌水量变化情况，发现工作面涌水量随着时间呈阶梯式急增式的上升趋势，涌水量突变时间分别对应工作面开采90m时间段(此阶段前工作面采高2.5m)以及工作面开始放顶煤开采时段。通过工作面水文情况观察，初步推断应为工作面在以采高2.5m推进90m后，顶板岩层发生大规模垮落和应力释放，导致顶板裂隙开始大量发育，但由于采高较低，该阶段顶板裂隙发育高度范围主要分布在顶板40m范围内，基本导通顶板上方34-46m砾岩含水层段。当1月份工作面开始放顶煤开采时，顶板裂隙带高度由于采高增大的原因，进一步向煤层顶板上方蔓延，最终触及到煤层顶板上方70m以上的砾岩含水层段，导致工作面涌水量进一步急增。下图5-1为工作面涌水量与顶板微震事件主要发育高度相关曲线图。
 图5-1 工作面涌水量与顶板微震事件主要发育高度关系曲线图
6 结论
根据研究结果，可以得出以下结论：
(1)通过运用微震分析法可以对工作面上覆岩层导水裂缝带高度进行计算。
(2)本次研究所得导水裂缝带高度与工作面水文变化情况观测结果相吻合，说明微震分析法计算结果较为真实可靠，某煤矿3号层首采工作面上覆岩层导水裂缝带高度大致为工作面上方75m左右。
[参考文献]
[1]孙世国.特厚煤层综放开采上覆岩体移动特点与破坏范围的研究[D].北京:北京科技大学,2000.
[2]姜福兴,LuoXun.微震监测技术在矿井岩层破裂监测中的应用[J].岩土工程学报,2002,24(2):147-149.
[3]王炜,庄昆元,宋俊高等.测震学分析预报方法[M].北京:地震出版社,1997.
[4]窦林名,何学秋.冲击矿压防治理论与技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2001.
[5]杨贵.综放开采导水裂隙带高度及研究方法[D].青岛:山东科技大学,2004.87.
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