高精度微震定位采場支承壓力分布特征

叢森 程建遠 李新虎

摘 要：為定量分析煤礦采場支承壓力分布特征，采用微地震監測技術對采場支承壓力進行了研究。提出了一種能夠顯著提高震源定位精度的速度模型反演方法，構建了求解分層速度模型的目標函數。在陜西省境內某礦布置井地聯合微震監測系統，并采用標定炮的方式驗證了水平分層速度模型井地聯合監測方案的定位精度明顯高于近水平單一速度模型監測方案。采用水平分層速度模型對監測區域內微震事件進行高精度定位，并結合礦山壓力理論，對采場支承壓力分布規律與微震事件頻次、能量之間的特征進行了研究。結果表明：正常回采過程中受采動影響的超前支承壓力范圍是工作面前方0～90 m，工作面前方40～70 m范圍內為高應力集中區，上、下順槽的側向支承壓力影響范圍分別為0～70 m和0～80 m;研究結果為微地震監測技術在礦山工程領域的應用提供了一定的參考依據。

關鍵詞：支承壓力;微地震監測;微震定位

中圖分類號：TD 323 ? 文獻標志碼：A

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0409 ? 文章編號：1672-9315（2019）04-0619-07

Abstract：In order to quantitatively analyze the characteristics of abutment pressure distribution in coal stope，a study is made of the abutment pressure of stope using microseismic monitoring techniques.A new inversion method of velocity model is proposed in order to improve the accuracy of microseismic location，and the objective function for solving stratified velocity model is constructed as well.Mine ground joint microseismic monitoring system is arranged in a certain mine in Shaanxi Province.By using the method of calibration blasting，it is verified that the positioning accuracy of the horizontal stratified velocity model is obviously higher than that of the near horizontal single velocity model.Horizontal stratified velocity model is adopted to locate microseismic events with higher accuracy in the monitored area.With the theory of mine pressure in view，the characteristics of the distribution of abutment pressure in stope and the frequency and the energy of microseismic events are examined.The results show that：in normal mining process，the range of lead abutment pressure affected by mining movement is 0～90 m in front of the working face，and the range of 40～70 m ahead of the working face is a high stress concentration area with the influenced range of the lateral abutment pressure on the upper and lower roadways being 0～70 m and 0～80 m respectively.The results provide a reference to the application of microseismic monitoring technology in the field of mine engineering.

Key words：abutment pressure;microseismic monitoring;microseismic source location

0 引 言

采場支承壓力是地下煤層開采后原巖應力重新分布的結果。采場支承壓力的分布規律一直是礦山壓力控制的重要研究內容之一，采場支承壓力分布特征可為回采巷道煤柱寬度的確定、工作面順槽超前支護距離和支護強度、防止沖擊地壓和煤與瓦斯突出等動力災害的發生提供依據[1]。目前，對采場支承壓力分布特征及計算方法進行了大量的理論研究，對解決采場來壓等問題起到了重大作用[2-4]。一些學者采用數值模擬和相似材料模擬等技術對開采過程中采場支承壓力的動態變化規律進行了研究[5-10]。微地震監測技術在礦山開展了廣泛應用[11-17]，通過定量的分析微震事件頻次、能量與采場支承壓力分布之間的關系，可為確定回采過程中超前支護距離等參數提供重要的參考依據。

采用微地震監測技術研究采場支承壓力，均以工作面附近微震事件的分布特征為主要出發點，微震事件的分布特征嚴重依賴震源定位精度，但對震源定位精度問題一直缺乏深入的討論與分析。

地層速度是影響微地震震源定位精度的重要因素，建立滿足震源精確定位要求的監測區彈性波速度模型一直是礦山微地震監測面臨的技術難題。目前，常用的速度模型為單一速度模型，即假定監測區域為均勻介質。對于監測區域較小、巖性較單一的區域而言，單一速度模型具有一定的合理性，它既能保證震源定位精度，又利于震源定位算法的快速穩定實現[18-20]。但在眾多工程實踐中，監測區域巖體多具有層狀速度分區特征，巖體的波速并非單一，此時如果采用單一速度模型定位將會產生較大的誤差。一些專家學者在非均勻模型上做出了不同的探索。Collins等比較了勻速模型與變速模型，并考慮了不同巖性和帶洞穴的巖體，發現可變速度模型能夠有效減小定位誤差[21]。鞏思園等針對采煤工作面頂板巖層的層狀賦存和離層帶的特點，構建了礦井尺度的微震監測系統“異向波速模型”，經爆破信號驗證定位精度明顯優于統一簡化波速模型[22]。賈寶新等基于惠更斯原理建立了礦震波在層狀非均勻介質中的三維傳播模型，對經典線性定位方法進行了改進使其適合于非均勻分層介質，提高了定位精度[23]。戴峰等針對波速分層的區域巖體，在異向波速模型的基礎上，建立分層速度定位目標函數，提出由3個模塊組成分層速度定位模型，經驗證比單一速度定位模型更加合理[24]。這些算法在一定程度上都提高了震源定位的精度，但是復雜巖體速度模型的建立及射線追蹤的實現需耗費較長的計算時間且不利于算法的穩定。

文中提出一種新的速度模型反演方法，構建了求解速度模型的目標函數。以陜西省境內某礦為工程背景，采用標定炮的方式，驗證了分層速度模型井地聯合監測方案的震源定位精度，在高精度震源定位的基礎上對采場支承壓力分布特征進行分析。

1 高精度微震定位方法

1.1 分層速度模型目標函數

1.2 微震監測臺網布置方式

當前煤礦微震監測系統多為井下近似平面布置或地面近似平面布置，這種近似平面布置的監測系統對提高垂直方向的定位精度十分不利。為滿足三維高精度微震監測的需要，應在改進算法的同時，探索出更為合適的微震觀測系統。

采用地面與井下巷道同時布置微震檢波器，即“井-地”聯合微震監測，待監測區域處于井下與地面檢波器構成的監測網絡的中心，圖1為井地聯合微震監測系統示意圖。

2 震源定位精度測試

選取陜西省境內某礦首采面作為研究對象，該礦位于彬長礦區西北部，主采煤層為4#煤層，工作面煤層埋深1 000 m左右，其走向長360 m，寬130 m，煤層為近水平煤層，平均厚度10 m，采用綜放開采技術。

該礦安裝微震監測系統后，一直采用單一速度模型、井下布置檢波器的方式進行震源定位，應用過程中發現震源定位結果較為分散，無法為礦方制定安全措施提供參考依據。經分析發現，該礦井煤層埋藏深度較大，頂板巖性復雜多變，單一速度模型無法滿足定位需求。

為驗證所述分層速度模型、井-地聯合監測方案的定位效果，在該礦首采面順槽內和工作面上方地面分別布置微震監測分站，并采用在工作面順槽內放炮的方式進行分析驗證。井地聯合監測系統布置方案如圖3所示（圖中坐標均為相對坐標）。標定炮位置已知，共四炮，人工拾取P波初至到時。依據該礦鉆孔柱狀圖等資料，將井下至地表的地層劃分為3層，選取標定炮中任意一炮數據，采用本文方法反演該地區速度模型，波速反演結果見表1.圖4為反演速度所用標定炮的波形及初至拾取情況，前8道為地面波形數據，后6道為井下波形數據，地面數據與井下數據均信噪比良好。

為驗證反演結果準確性，應用反演得到的速度對另外三炮進行定位，層狀速度模型和單一速度模型的定位結果與標定炮真實位置的誤差分析見表2.從表2可以看出，層狀速度模型的定位結果與標定炮真實位置十分接近，定位精度明顯高于單一速度模型。

3 基于微震監測的采場支承壓力特征

采場圍巖支承壓力是上覆巖層運動的結果，上覆巖層破裂、失穩過程中，伴隨著微震事件的發生。大量研究及實踐表明：采動影響下煤巖體的破裂區域與高應力差區域具有高度的一致性，與應力集中區十分接近。因此，根據采場微震事件的時空分布特征，可以推斷圍巖破裂場的范圍和采動影響下采場支承壓力的分布情況。 ?采用文中所述震源定位方法，選取工作面正常回采過程中一段時期的微震數據進行震源定位。由于微震事件的發生區域隨著工作面的推進有規律的前移，因此假定工作面位置固定不變，根據震源定位結果及工作面回采進度，計算出每個微震事件相對于固定工作面的相對坐標[13]。微震事件定位結果平面圖如圖5所示，圖5中代表微震事件的小圓點直徑越大表示微震事件能量越強，圖5中黑色豎線表示固定工作面的位置。對監測區域內的定位結果進行綜合分析，由微震事件定位平面圖可將微震事件高發區域概括為4個區域：Ⅰ區為工作面推進位置前方0～90 m范圍內;Ⅱ區為工作面后方0～100 m范圍內;Ⅲ區為工作面回風順槽上方0～70 m范圍內;Ⅳ區為工作面運輸順槽下方0～80 m范圍內。結合礦山壓力理論綜合分析可知，Ⅰ區為受工作面采動影響的超前支承壓力區;Ⅱ區為受工作面采動影響的頂板冒裂區;Ⅲ，Ⅳ區為受工作面采動影響的側向支承壓力區。

3.1 沿走向圍巖破裂與超前支承壓力分布特征

從圖5可知，可將區域Ⅰ內微震事件分為2個部分：一部分為工作面前方0～40 m，該范圍內分布的微震事件數目及高能量微震事件均相對較少;另一部分為工作面前方40～90 m，該范圍內微震事件數目明顯增多，并且高能量微震事件分布比較密集。

圖6為工作面前方區域Ⅰ內微震事件頻次和能量累積的分布特征圖，工作面前方0～40 m范圍內微震事件頻次和能量曲線均較為平穩，在煤壁前方40～70 m范圍內微震事件頻次和能量均達到峰值，說明該段區域內上覆巖層活動頻繁，煤巖體應力集中程度較高。煤壁前方超過70 m以后微震事件的頻次和能量急劇下降。區域Ⅱ處于采空區內，隨著工作面的推進采空區上方頂板一定時間內持續發生斷裂，因此該區域內微震事件較為密集，且高能量微震事件較多。

圖7為微震事件沿工作面走向投影圖，圖7中每個小圓點代表一個微震事件。從圖7可知，工作面前方實體煤區域內的微震事件主要集中于距煤層一定距離的頂板，且該區域內微震事件的發育高度明顯低于采空區上方微震事件的發育高度，即工作面前方圍巖的破裂高度明顯低于工作面后方。隨著采空區上方巖層的斷裂，采空區上部高位巖體懸空面積不斷增大，彈性能急劇增加，工作面前方低位巖體在后方高位巖體影響發生變形，在工作面前方形成超前支承應力。

結合礦山壓力理論并綜合以上分析可知，該工作面在采動影響下前方0～40 m內處于應力降低區，煤巖體受超前應力影響已發生破壞，煤巖體內裂隙較為發育;支承壓力峰值位于工作面前方40～70 m范圍內，該區域內應力集中程度高，巷道變形量較大，回采過程中應加強巷道的檢修和支護，同時應盡量減少井下工作人員在該區域的滯留。

3.2 沿傾向圍巖破裂與側向支承壓力分布特征

從圖5可知，受工作面回采影響，采空區兩側煤柱內分布著一定數量的微震事件。由于該工作面為首采面，采空區兩側均為實體煤，因此采空區兩側微震事件分布范圍相對較小，微震事件數目也相對較少。受煤層傾角影響，運輸順槽一側微震事件的分布范圍略大于回風順槽一側。

圖5中區域Ⅲ，Ⅳ的微震事件頻次和能量累積分布特征如圖8所示，運輸順槽下方微震事件的頻次和能量在0～60 m范圍內過渡較為平穩，在距運輸順槽50～60 m的煤柱內微震事件的頻次和能量均達到峰值，之后開始急劇下降，運輸順槽一側高能量微震事件分布比較均勻，應力集中程度相對較低;回風順槽下方微震事件頻次和能量曲線的形態與運輸順槽一側基本相同，在距回風順槽40～50 m的煤柱內微震事件的頻次和能量均達到峰值，該范圍內高能量微震事件較密集，說明該區域上覆巖層活動十分劇烈，但回采工作面臨近的準備工作面順槽設計在該區域內，為減少該順槽維護的工程量及費用，以及安全生產的需要，應對其的位置進行優化設計，以保證該順槽處于開采應力降區內。

4 結 論

1）提出了一種新的速度模型反演方法，構建了求解速度模型的目標函數;并基于水平層狀地層的假設，給出了采用新的速度模型反演水平地層分層速度的基本流程。

2）針對提出的分層速度模型井地聯合監測方案，采用標定炮的方式與單一速度模型井下近水平監測方案的定位精度進行了對比驗證，結果顯示分層速度模型井地聯合監測方案定位精度更高，滿足高精度震源定位需求。

3）基于高精度微震定位結果，對陜西省境內某礦首采工作面采場支承壓力分布規律進行了研究，據此劃定了工作面超前支承壓力與側向支承壓力的影響范圍，指出了工作面回采過程中順槽超前支護距離及下一工作面順槽的位置應重新進行優化設計，為礦山超前支承壓力實時監測提供了一種更加有效的間接方法。

參考文獻（References）：

[1] 康紅普.煤礦井下應力場類型及相互作用分析[J].煤炭學報，2008，33（12）：1329-1335.

KANG Hong pu.Analysis on types and interaction of stress fields in underground coal mines[J].Journal of China Coal Society，2008，33（12）：1329-1335.

[2]謝廣祥，楊 科，劉全明.綜放面傾向煤柱支承壓力分布規律研究[J].巖石力學與工程學報，2006，25（3）：545-549.

XIE Guang xiang，YANG Ke，LIU Quan ming.Study on distribution laws of stress in inclined coal pillar for fully-mechanized top-coal caving face[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006，25（3）：545-549.

[3]姜福興，馬其華.深部長壁工作面動態支承壓力極值點的求解[J].煤炭學報，2002，27（3）：273-275.

JIANG Fu xing，MA Qi hua.Mechanical solution of the maximum point of dynamic abutment pressure under deep long wall working face[J].Journal of China Coal Society，2002，27（3）：273-275.

[4]史 紅，姜福興.充分采動階段覆巖多層空間結構支承壓力研究[J].煤炭學報，2009，34（5）：605-609.

SHI Hong，JIANG Fu xing.The dynamic abutment pressure rule of overlying strata spatial structures at the phases sub critical mining[J].Journal of China Coal Society，2009，34（5）：605-609.

[5]司榮軍，王春秋，譚云亮.采場支承壓力分布規律的數值模擬研究[J].巖土力學，2007，28（2）：351-354.

SI Rong jun，WANG Chun qiu，TAN Yun liang.Numerical simulation of abutment pressure distribution laws of working faces[J].Rock and Soil Mechanics，2007，28（2）：351-354.

[6]趙 鵬，謝凌志，熊 倫.無煤柱開采條件下煤巖體支承壓力的數值模擬[J].煤炭學報，2011，36（12）：2029-2034.

ZHAO Peng，XIE Ling zhi，XIONG Lun.Numerical simulation of abutment pressure in coal for non pillar mining[J].Journal of China Coal Society，2011，36（12）：2029-2034.

[7]任艷芳，寧 宇.淺埋煤層長壁開采超前支承壓力變化特征[J].煤炭學報，2014，39（S1）：38-42.

REN Yan fang，NING Yu.Changing feature of advancing abutment pressure in shallow long wall working face[J].Journal of China Coal Society，2014，39（S1），38-42.

[8]柴 敬，袁 強，張丁丁，等.基于光纖Bragg光柵的采動支承壓力分布試驗研究[J].西安科技大學學報，2016，36（2）：163-170.

CHAI Jing，YUAN Qiang，ZHANG Ding ding，et al.Experimental study on mining induced abutment pressure distribution pattern based on FBG sensor[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2016，36（2）：163-170.

[9]柴 敬，王豐年，張丁丁，等.巨厚礫巖層下采場支承壓力分布的理論及試驗研究[J].西安科技大學學報，2018，38（1）：43-50.

CHAI Jing，WANG Feng nian，ZHANG Ding ding，et al.Theoretical and experimental study on inclined abutment pressure distribution of working face under the supper thick conglomerate layer[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2018，38（1）：43-50.

[10]李英強，袁瑞甫.復雜地質條件下炮采工作面超前支承壓力的研究[J].西安科技大學學報，2014，34（1）：16-19.

LI Ying qiang，YUAN Rui fu.Advancing abutment pressure in blasting mining face under complicated geological conditions[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2014，34（1）：16-19.

[11]夏永學，藍 航，毛德兵，等.基于微震監測的超前支承壓力分布特征研究[J].中國礦業大學報，2011，40（6）：868-873.

XIA Yong xue，LAN Hang，MAO De bing，et al.Study of the lead abutment pressure distribution base on microseismic monitoring[J].Journal of China University of Mining and Technology，2011，40（6）：868-873.

[12]孔令海.煤礦采場圍巖微震事件與支承壓力分布關系[J].采礦與安全工程學報，2014，31（4）：525-531.

KONG Ling hai.Relationship between microseismic events and abutment pressure distribution in coal mining[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2014，31（4）：525-531.

[13]王德超，王 琦，李術才，等.基于微震和應力在線監測的深井綜放采場支承壓力分布特征[J].采礦與安全工程學報，2015，32（3）：382-388.

WANG De chao，WANG Qi，LI Shu cai，et al.Stress distribution characteristics of deep mine in fully mechanized sublevel caving face based on microseismic and online stress monitoring system[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2015，32（3）：382-388.

[14]劉 超，李樹剛，薛俊華，等.基于微震監測的采空區覆巖高位裂隙體識別方法[J].中國礦業大學學報，2016，45（4）：709-716.

LIU Chao，LI Shu gang，XUE Jun hua，et al.Identification method of high fractured body for overlying strata in goaf based on microseismic monitoring technology[J].Journal of China University of Mining and Technology，2016，45（4）：709-716.

[15]李樹剛，成小雨，劉 超，等.低透煤層采空區覆巖高位瓦斯富集區微震探測及應用[J].煤炭科學技術，2017，45（6）：61-66.

LI Shu gang，CHENG Xiao yu，LIU Chao，et al.Microseisms detection and application of high level gas enrichment region in overlying strata of goaf under low permeability coal seam[J].Coal Science and Technology，2017，45（6）：61-66.

[16]李志梁，李樹剛，林海飛，等.基于聲發射特征的覆巖采動裂隙演化規律研究[J].西安科技大學學報，2017，37（2）：159-163.

LI Zhi liang，LI Shu gang，LIN Hai fei，et al.Study of the dynamic evolution rules of mining fracture based on acoustic emission technique[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2017，37（2）：159-163.

[17]何樹生，周宏偉，王超圣，等.北山花崗巖區微震事件的Fisher判別模型[J].西安科技大學學報，2017，37（4）：65-71.

HE Shu sheng，ZHOU Hong wei，WANG Chao sheng，et al.Fisher discriminant analysis model for microseismic events of Beishan granite area[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology，2017，37（4）：65-71.

[18]李會義，姜福興，楊淑華.基于Matlab的巖層微地震破裂定位求解及其應用[J].煤炭學報，2006，31（2）：154-158.

LI Hui yi，JIANG Fu xing，YANG Shu hua.Research and application of microseismic monitoring location of strata fracturing based on Matlab[J].Journal of China Coal Society 2006，31（2）：154 158.

[19]Niewiadomski J.Application of singular value decomposition method for location of seismic events in mines[J].Pure and Applied Geophysics Pageoph，1989，129（3-4）：553-570.

[20]郭 亮，戴 峰，徐奴文，等.基于MSFM的復雜速度巖體微震定位研究[J].巖石力學與工程學報，2017，36（2）：394-406.

GUO Liang，DAI Feng，XU Nu wen，et al.Research on MSFM based microseismic source location of rock mass with complex velocities[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2017，36（2）：394-406.

[21]Collins D S，Pettitt W S，Young R P.High resolution mechanics of a microearthquake sequence[J].Pure Applied Geophysics，2002，159（1-3）：197-219.

[22]鞏思園，竇林名，馬小平，等.煤礦礦震定位中異向波速模型的構建與求解[J].地球物理學報，2012，55（5）：1757-1763.

GONG Si yuan，DOU Lin ming，MA Xiao ping，et al.Study on the construction and solution technique of anisotropic velocity model in the location of coal mine tremor[J].Chinese J.Geophys，2012，55（5）：1757-1763.

[23]賈寶新，趙 培，姜 明，等.非均勻介質條件下礦震震波三維轉播模型構建及其應用[J].煤炭學報，2014，39（2）：365-369.

JIA Bao xin，ZHAO Pei，JIANG Ming，et al.Three dimensional propagation building in heterogeneous medium of mine earthquake shock wave and its application[J].Journal of China Coal Society，2014，39（2）：364-370.

[24]戴 峰，郭 亮，徐奴文，等.基于異向波速模型的微震定位改進[J].地球物理學報，2016，59（9）：3292-3301.

DAI Feng，GUO Liang，XU Nu wen，et al.Improvement of microseismic location based on an anisotropic velocity model[J].Chinese J.Geophys，2016，59（9）：3292-3301.