基于微震監測的煤巖破壞與瓦斯涌出關系研究

侯 俊

(山西焦煤集團有限責任公司 安全生產管理中心，山西 太原 030024)

隨著礦井開采深度的不斷增加，礦井瓦斯含量和瓦斯壓力逐步增大，瓦斯涌出量也逐漸增大，增加了瓦斯治理難度。探究瓦斯涌出來源及規律對做好瓦斯治理工作有著重大意義[1].目前，微震監測技術被廣泛用于煤礦安全管理中[2-5].在煤層開采中，可以根據微震事件能量變化間接反映工作面煤體應力變化和瓦斯涌出情況[5].李文福等現場試驗結果表明，采用微震監測技術探測瓦斯富集區是可靠的[6].本文將結合前人的研究成果，利用微震監測技術對高瓦斯綜放面煤巖破壞影響瓦斯涌出的情況進行研究。

1 工作面概況

東瑞煤礦3號煤層賦存穩定，煤厚約為5.99 m，頂板以泥巖、粉砂質泥巖為主，底板以黑色泥巖、粉砂巖為主，基本底主要是中細粒砂巖。S2205工作面可采走向長度為1 204 m，傾斜長度為265 m，采高為3.8 m，綜放開采，共安設支架176臺。

2 監測工作面煤巖破壞

采煤工作面因掘進和回采的影響，破壞了原巖應力的平衡狀態，重新分布應力，若一部分巖層所受的應力大于自身的強度，巖體會開始斷裂甚至垮落下沉同時形成微震(應力波)。微震監測系統可以定義為借助在采場周圍布置傳感器(主要為拾震器或檢波器)，連續不間斷24 h采集微震信息，另外基于震動定位機理，判斷巖體發生破裂的三維空間區域，也可利用震源機理研究巖體破裂性質和尺寸，為分析采場裂隙演化規律及上覆巖體空間破壞冒落形態提供有效的方法[7-8].將ARAMIS M/E微震監測系統應用于東瑞煤礦S2205工作面，當工作面推進165.8 m時，微震事件分布情況見圖1.

巖體發生煤巖破壞與微震之間的關系是必要非充分條件，就是煤巖體發生微震現象不一定意味著煤巖體發生破壞，但是煤巖發生破壞一定會伴隨微震現象。

根據微震事件頻數、能量及距離的1～4階差分變化規律可準確預測預報煤巖破壞。如果發生微震事件密集度增大、連續貫通的現象，意味著煤巖發生破壞，如果僅發生單一的微震事件，并不表示煤巖體已經發生破壞。

由圖1a)發現，根據微震事件的分布規律得到，煤巖體發生失穩破壞的區域主要位于工作面前方煤體10～50 m，沿著工作面走向，較大能量的微震事件主要集中在工作面前方煤體10～30 m.同時，在工作面采空區也存在一部分微震事件，可得到在工作面回采階段，煤層頂底板開始失穩斷裂或破壞，最終垮落形成采空區。從圖1b)發現，在煤層頂底板巖體分布著大量的微震事件，且在煤層頂板中出現微震事件的數量明顯大于底板，然而微震事件相對較少發生在煤層中。結合微震事件分布的規律，能大致獲得工作面頂底板失穩破壞范圍，頂板的破壞高度在10～60 m，頂板以上30 m微震事件分布最為集中；底板的破壞高度在0～30 m，底板以下10 m內微震事件較為集中。

圖1 微震事件在工作面分布情況圖

通過微震事件的統計數據得到，在煤層頂板的基本頂破壞斷裂之前發生少量的微震事件，當基本頂開始破壞，微震事件突然增加，伴隨事件頻數多、密集度增大、能量高，基本頂破壞結束，微震事件突然減少，伴隨著事件頻數減小、能量降低；工作面不斷向前回采，微震事件的發生頻數、密集度及能量高低發生周期性變化規律。利用微震監測方法，可大致獲得基本頂發生周期性失穩破裂的時間及區域。

3 煤巖破壞與瓦斯涌出關系

因為發生微震事件的數量和釋放的能量表示了工作面煤巖破壞情況，所以通過研究微震事件和瓦斯涌出的關系，能掌握煤巖破壞對瓦斯涌出的影響。將監測微震期間的統計數據與工作面的最大瓦斯涌出量和平均瓦斯涌出量進行對比分析，4月10日—4月24日微震事件數量、微震事件發生能量、最大瓦斯涌出量和平均瓦斯涌出量變化情況見圖2，圖3.

圖2 微震事件數量與瓦斯涌出之間關系圖

圖3 微震事件發生能量與瓦斯涌出之間關系圖

從圖2，3發現，工作面的瓦斯涌出量與微震事件的數量及能量大小的分布都具備一定的周期性。瓦斯涌出量隨著微震事件發生數量的升高而相應增大，當發生微震事件數量達到最大值階段，瓦斯涌出量繼續升高，但2天后迅速減少，微震事件發生數量的最大值要超前于瓦斯涌出量的最大值。伴隨煤巖體破壞不斷加強，瓦斯涌出量在逐步升高，但瓦斯的大量涌出要滯后于煤巖的完全破壞1個班，所以借助微震監測手段能間接預估瓦斯涌出情況。

4 結 論

1)根據研究結果得到工作面周期來壓的到來一般比微震事件峰值出現時間略晚，比瓦斯涌出量峰值出現時間略早。根據微震事件的能量、個數及頻數來判斷工作面來壓規律和瓦斯涌出規律。

2)在東瑞煤礦S2205工作面來壓之前，微震事件的能量和數量發生明顯升高；微震事件的數量和能量在周期來壓完成之后開始下降，并逐步趨于正常；隨著煤巖破壞的增加，工作面瓦斯涌出量在不斷升高，且瓦斯大量涌出比煤巖的充分破壞要推遲1個班。