1、：收稿日期：作者简介：金 峰（），男，安徽合肥人，硕士，主要从事矿山压力与岩层控制方面的研究工作，：。引用格式：金 峰，李岩，杨国强，等 大采高综采工作面初采期间顶板活动规律监测分析研究 煤炭工程，（）：大采高综采工作面初采期间顶板活动规律监测分析研究金 峰，李 岩，杨国强，王宾昌，王元杰，陈法兵，（中国中煤能源集团有限公司，北京；中煤科工开采研究院有限公司，北京；煤炭科学研究总院 开采研究分院，北京；天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京；中煤陕西榆林能源化工有限公司，陕西 榆林）摘 要：为了研究榆横矿区特大型矿井大采高综采工作面顶板活动规律，基于微震监测技术构建井上下微震联合监测台网，
2、对大海则煤矿首采工作面初采期间初次来压、周期来压、“单面见方”以及推采速度四个影响因素影响条件下的顶板活动规律进行了研究，研究结果表明：顶板破裂峰值一般超前初次来压 天；顶板破裂频度（频次）与周期来压具有持续的相关性；当来压强度小于 时，顶板破裂强度（能量）与周期来压相关性较弱；工作面“单面见方”前 时出现顶板破裂频度峰值，顶板活动在“单面见方”后逐渐趋于稳定，单面见方时顶板破裂高度达到最大值；当工作面推采速度 时，顶板破裂强度（微震能量、频次）始终处于极低的水平；当工作面推采速度为 时，顶板破裂逐渐增强，破裂强度（微震能量、频次）上限增加明显；当工作面推采速度 时，顶板破裂强度（微震能量、频
3、次）的下限具有明显增加。关键词：初采期间；微震监测；初次来压；周期来压；推采速度 中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，；，；，）：，“”；（）；“”，；，；，：；第卷第期 煤 炭 工 程 ，根据国家煤炭基地建设的规划，近年来在陕北、鄂尔多斯地区规划建设了多个大型矿区，如新街矿区、呼吉尔特矿区、榆神矿区、纳林河矿区和榆横矿区。不同矿区的矿井在进行煤炭开采时的顶板活动规律均存在一定的差异性，顶板活动规律的研究是解决采矿系列问题、保证工作面安全开采的重要基础。国内学者对上述矿区的顶板活动规律也进行了相关研究。杨俊哲研究了浅埋煤层 超大采高工作面采场覆岩运移规律，解释了工作面远场顶板断
4、裂与垮落时空演化规律。鞠金峰等以红庆河煤矿为现场进行了深井特大采高开采条件下覆岩内部移动规律的实测与研究，发现覆岩呈现 阶段典型分区特征。冯龙飞等利用微震监测技术对回采速度对坚硬顶板运动释放能量的影响机制进行了研究，发现二者呈正相关关系；程关文等通过研究微震事件在垂直方向的突变性，确定煤矿顶板中对变形和破坏起控制作用的关键层。翁明月等对呼吉尔特矿区微震活动强度有推采速度的关系进行研究，通过微震监测合理调节工作面推采速度可降低煤岩体破裂的剧烈程度。王业征等使用多种监测手段对新街矿区深部厚煤层顶板大采高综采工作面的矿压显现规律进行了研究，建立了深部大采高采场覆岩活动立体模型。以往学者研究的特厚煤层
5、顶板活动规律主要集中在浅埋煤层，对于大海则煤矿这类埋深超过 的近水平特厚煤层（煤层厚度 ）的顶板活动规律研究较少。而周边矿井工作面回采期间面临顶板运动带来的压架、片帮等灾害，需要对回采期间顶板活动规律进行研究，从而为灾害治理提供依据。根据大海则煤矿开采实际情况，采用井上下联合微震监测系统对工作面回采期间顶板活动规律进行分析，以期增加对其顶板活动规律的认识。工程概况大海则煤矿 综采工作面位于矿井 号煤 盘区东部，为矿井首采工作面；工作面地表标高为 ，底板标高为 。工作面回风巷长 、运输巷长 ，工作面长度 ，推采长度 ，煤层倾角为 ，平均倾角 ，煤层平均厚度 ，采用综采大采高采煤法。煤层直接顶为
6、厚的中粒砂岩。工作面煤层顶底板岩性如图 所示。图 工作面煤层顶底板岩性 井上下微震联合监测系统近水平煤层仅靠井下微震系统难以实现顶板破裂在垂直方向的精确监测，为实现对 工作面近水平煤层顶板活动的准确监测，构建由 微震监测系统和 地面微震监测系统共同组成的井上下微震监测联合监测系统。两套系统采用绝对时间同步和 数据传输技术进行监测数据的深度融合，确保监测数据的一致性和实效性。该系统以 微震监测系统为基础，将 地面微震监测系统各监测台站监测到的震动事件波形通过 网络传输至监控中心，监控中心主机将监测数据并入 微震监测系统监测软件，从而在定位分析采用井上下两套系统波形进行综合分析，井上下微震联合监测
7、系统如图 所示。图 井上下微震联合监测系统 微震监测系统由地面中心站、记录服务器、井下传感器三大部分构成，监测系统地面台站由 集中器和传感器二大部分构成。地面监测台站采用频带宽度 、灵敏度 的高灵敏度低频传感器，可实现对空间生产技术 煤 炭 工 程 年第 期距离 范围内的 以上微震事件的有效监测，从而捕捉到井下顶板破裂产生的微小震动。为同时实现对 工作面超前区域重点监测及全工作面回采范围广域覆盖监测的需求，设计监测方案如图 所示，井下共安装 个传感器，其中探头式和拾震器式传感器各 个（探头式传感器标识为，布置间距为 ；拾震器式传感器标识为，布置间距为）。在 工作面地表安装 个 传感器（编号为）
8、。图 工作面井上下微震联合监测方案使用井上下微震联合监测台网与单独使用井下微震台网分别定位的 工作面初采期间微震事件分布如图 所示。由图中可见井下微震监测台网单独定位时，微震事件均集中在距离煤层顶底板约 范围内，微震事件层位信息不丰富，进而影响对煤层顶板破裂及运动规律的分析；在使用井上下微震联合监测台网进行微震事件定位分析时，微震事件在垂直方向的层位分布更加清晰，具有明显的分层分布特征。图 微震事件分布剖面 初采期间顶板活动规律研究为方便表述，本文通过分析微震事件与工作面初次来压、周期来压、单工作面见方及推采速度之间的关系以反映不同推采阶段和影响因素条件下的顶板活动规律，。初次来压期间顶板活动
9、规律基于工作面支架工作阻力监测，在 月 日（工作面推采 ），工作面 号支架出现 个循环内的急增阻，最大压力达到 ，表明工作面小范围直接顶突然垮落产生了动载。工作面于 月 日 月 日（工作面推采 ）出现初次来压，主要发生在 号支架之间，尤其是 号支架来压更剧烈。初采期间微震活动时序如图 所示，通过与初采期间煤岩体破裂情况对比发现，在工作面支架急增阻前的 月 日工作面顶板破裂已超前发生，在顶板内裂隙发育至足够大小时，顶板发生宏观整体性破裂并运动引起工作面支架压力的急增阻。同时，在工作面初次来压前的 月 日，工作面煤岩体破裂的频次和强度均达到一定时期的峰值，相较于工作面支架工作阻力的变化具有超前特性
10、。图 初采期间微震活动时序分布顶板最大破裂高度时序分布如图 所示，图中每日最大破裂高度为每日发生的微震事件距离煤层的最 大 高 度，。在 初 次 来 压 时（工 作 面 推 采），顶板最大破裂高度上升至顶板上部的粉砂岩内（距离煤层顶板 ）。图 最大破裂高度时序分布 周期来压期间顶板活动规律以 年 月 日 月 日期间（工作面推采 ）的矿压数据进行周期来压分析，在此期间共出现 次周期来压（见表），周期来压步距约，其中 月 日和 日的周期来压，来压 年第 期 煤 炭 工 程 生产技术 阻力低于其余 次。表 周期来压统计表（矿压监测）来压日期持续长度 来压阻力值 推采进尺 由于微震活动的变化既受到顶板
11、周期性破裂的影响，也受到工作面推采速度变化的影响，为了准确分析微震活动与顶板周期性破裂的关系，对微震数据进行均一化，得出每日单位进尺状态下微震能量、频次时序如图 所示；由图 中可知，自 月 日初次来压结束后至 月 日，微震频次峰值共出现 次，分别为：月 日、月 日、月 日、月 日和 月 日，其中 月 日、月 日和 月 日微震能量也达到相对峰值。微震频次峰值与矿压监测周期来压具有较高的吻合度，微震能量吻合度低于频次吻合度，对比表 可知，微震能量吻合度较低的 月 日和 日两次周期来压在来压时的来压强度低于吻合度较高的其他 次周期来压。表明顶板破裂的频度（微震频次）对顶板的周期性破裂存在较高的敏感性
12、，在来压强度超过 后顶板破裂的强度（微震事件能量）也具有较高的周期性。图 单位进尺微震活动时序分布 单面见方时顶板活动规律分析通常认为，工作面“见方”时顶板运动剧烈，易导致采掘巷道矿压显现异常，甚至诱发动力灾害，分析初采阶段工作面“单面见方”时顶板活动规律能够为工作面后续“见方”前超前采取预防措施提供重要依据。图 为单位进尺微震活动时序图，由图 可见，在 月 日工作面初次来压后，工作面微震活动呈现波动性上升特性至 年 月 日达到峰值，随后微震活动逐渐下降，至 月 日后微震活动趋于平稳变化阶段（年 月 日至 月 日工作面未停采）。工作面在 月 日时开采距离达到，月 日时达到 ，上述数据表明工作面
13、距见方位置 时，工作面顶板出现“见方破断”，开采过见方位置 后，见方影响消失，见方影响范围可划定为见方位置前后 范围。图 单位进尺微震活动时序同时由图 可知：在单面见方时，顶板破裂高度达到最大值（顶板上 ），在单面见方后顶板最大破裂高度显著高于单面见方前。推采速度与顶板活动规律分析工作面在不同推采速度条件下微震活动的变化体现了井下采掘活动对工作面顶板扰动的大小，确定合理的推采速度可以在确保工作面安全的情况下，最大程度实现工作面的高产高效，。工作面在实际开采时难以匀速推采，为了准确分析推采速度与微震活动的关系，对不同推采速度时对应的微震能量或频次进行标准化处理，折算为标准推采速度（标准推采速度定
14、义为：的整倍数）时的微震能量或频次。折算后同一推采速度将对应多个能量或能量值，为准确反映工作面推采速度与微震能量、频次之间的关系，利用箱型图相关数据分析进行如图 所示。图中均值表示在该推采速度下微震能量或频次的平均值；中位数表示在该推采速度下居于中间位置的的微震能量或频次。由图 可知：工作面推采速度小于等于 时微震频次和能量较为微弱，表明低开采强度对顶板扰动较低，顶板岩体破裂不显著；当工作面推采速度大于等于 后，微震频次和能量显著增加、表明在此开采强度下，工作面的开采对顶板的影响增强；在推采速度达到 时，微震频次和能量达到最大值，随后强度开始降低。当工作面推采速度处于 至 时，微震频次和能量变
15、化不剧烈，表明在此推采速度范围内推采速度的变化对顶板破裂的影响不显著。当工作面开采速度达到 时，微震能量与前阶段相对未见明显增强，但生产技术 煤 炭 工 程 年第 期图 推采速度与微震能量、频次关系箱型分布微震频次增加显著，表明在此开采强度下，顶板内的破裂频度增加，但是破裂强度增加较少。同时，由图 可知：当工作面推采速度大于等于 后，微震能量均值并未出现显著增加，但是微震能量的下限明显高于小于 时，表明推采速度的增加提升了微震活动的底线能量。结 论）工作面顶板破裂与初次来压、周期来压存在明显的相关性；顶板破裂频度（微震频次）的峰值一般超前初次来压；工作面来压周期在 ，来压平均步距为 ；顶板破裂
16、频度与周期来压具有持续的相关性；当来压强度小于 时，顶板破裂强度（能量）与周期来压相关性较弱。）工作面“单面见方”前 时出现顶板破裂最剧烈，顶板活动在“单面见方”后逐渐趋于稳定。在单面见方时，顶板破裂高度达到最大值（顶板上 ），在单面见方后顶板最大破裂高度显著高于单面见方前。）当工作面推采速度小于等于 时，顶板破裂强度（微震能量、频次）始终处于极低的水平；当工作面推采速度为 时，顶板破裂逐渐增强，破裂强度（微震能量、频次）上限增加明显；当工作面推采速度大于等于 时，顶板破裂强度（微震能量、频次）的下限具有明显增加。参考文献：钱鸣高，许家林 煤炭开采与岩层运动 煤炭学报，（）：钱鸣高，石平五，许家林 矿山压力与岩层控制 徐州：中国矿业大学出版社，钱鸣高，缪协兴，许家林，等 岩层控制的关键层理论 徐州：中国矿业大学出版社，钱鸣高，李鸿昌 采场上覆岩层活动规律及其对矿山压力的影响 煤炭学报，（）：杨俊哲 超大采高综采工作面覆岩活动规律研究 煤炭工程，（）：鞠金峰，许家林，刘阳军，等 关键层运动监测及岩移五阶段规律研究以红庆河煤矿为例 煤炭学报，冯龙飞，窦林名，王晓东，等 回采速度对坚硬顶板运