龍家堡煤礦礦震機制反演研究

盧 闖 任合歡 許海亮

（1.吉林省龍家堡礦業有限責任公司；2.北方工業大學土木工程學院）

礦震是煤巖變形破裂動態演化導致的突發性動力顯現，其誘發因素主要是有厚頂板、斷層等存在［1］。礦震成因及其發生的部位多種多樣［2-6］，不同類型礦震對應的防治方法也不同。在對礦震的預測預報技術中，微震監測是較為先進和有效的手段之一。微震監測系統接收到的每一個微震信號都包含著豐富且重要的巖體內部狀態信息，采用微震技術判斷礦震類型并提出針對性的防治措施具有重要意義。國內外采用微震技術對礦震機制做了大量研究［7-8］，但對破壞類型的判別還存在判別指標單一等問題，需要開展更深入的研究工作。

本研究以龍家堡煤礦為工程背景，利用微震技術構建礦震過程中的物理信息監測系統，根據矩張量反演方法計算礦震過程中的微震指標，對513外段工作面回采過程中發生的3 次微震事件破壞類型進行分析，并提出相應的防治措施。

1 工程背景

1.1 工作面開采條件

龍家堡煤礦現開采513外段工作面，礦床西翼為515外段工作面（未發展）；東翼為411工作面（開采時間：2015 年9 月—2017 年9 月），綜放開采后形成411采空區，留設保安煤柱6 m；南翼為S4斷層，留設斷層保護煤柱50 m，工作面保護煤柱40～99 m，513外段工作面相對位置關系如圖1所示。

513 外段工作面煤層為穩定的主采煤層，工作面開采深度為1 082～1 212 m，工作面走向長度600 m，傾向回采長度182 m，煤層厚度為8～12 m，平均厚度10 m，傾角為10～20°，平均傾角15°。煤層含2～6層夾矸，夾石厚0.2～0.5 m（局部1.5 m），巖性為灰、灰黑色泥巖和灰白色粗砂巖，泥巖遇水易泥化。采用綜采放頂煤開采，采放高度比不大于1∶3。煤層偽頂為炭質泥巖，厚0.5 m，較軟易冒落。直接頂為黑色、灰色泥巖，層理較發育，塊狀構造，夾薄層白色砂巖，性脆較易冒落。老頂為灰綠色凝灰巖及灰綠色礫巖，堅硬較脆。煤層老底為角礫巖，灰至灰白色，以凝灰巖礫為主，灰黑色泥巖次之，較硬。直接底為炭質泥巖，其中夾有薄層砂巖，厚0.5 m。圖2 為513 外段工作面頂底板巖性圖。

1.2 微震監測方案

龍家堡煤礦513 外段工作面微震監測臺站布置11臺拾震器，在回采過程中利用513外段工作面兩側順槽安設拾震器。具體位置分別在513 外段工作面運輸順槽距開切160、380 m 處和回風順槽距開切210、410 m 處，如圖1 所示。回采過程中保證運輸順槽、回風順槽內2臺拾震器間隔不小于200 m，并隨著工作面不斷推進，逐步往外挪動拾震器，保證300 m范圍內有拾震器包圍回采工作面。

1.3 微震監測結果

微震監測系統先后監測到3次高能微震事件（如圖1），除運輸順槽超前工作面50 m 范圍內有零星噴漿碎屑掉落，局部卸壓鉆孔金屬網破損處漏貨外，無支護異常、無底鼓現象。

2 矩張量反演分析方法

根據彈性波動力學理論，由裂紋擴展在x位置處t時刻產生的位移可表示成［9］

式中，Gij,k(x,x0,t)為彈性動力學格林函數的空間導數；s(t)為震源時間函數，并假設其是一個脈沖函數；Mjk為聲發射源矩張量，是對聲發射源力學性質的描述。

Ohstu［10］引入脈沖函數而忽略了時間函數s(t) ，得到半無限空間條件下根據SiGMA 法簡化的P 波在聲發射探頭處的初到振幅A(x)

其中，Cs為聲發射傳感器探頭的校正系數；R為破裂點到檢出點（探頭）的距離，m；r1、r2、r3表示破裂點到探頭間的方向余弦；Ref(t,r)為傳感器反射系數，可以表示為

其中，k=vp/vs；vp為彈性縱波波速，m/s；vs為橫波波速，m/s；a=r?t；t為傳感器方位矢量。當信號波由垂直方向到達試樣表面時，a= 1，Re(t,r)= 2。

采用優勢分類方法判斷微裂紋類型，主要依據最大特征值對矩張量的3個特征值進行正則化

其中，X代表剪切部分比例；Y代表張拉偏量部分比例；Z代表靜水拉應力部分比例。若X≤40%，判斷為拉伸裂紋；X≥60%，判斷為剪切型裂紋；40%＜X＜60%則為混合型裂紋［11］。

3 微震事件類型分析

按照上述計算方法對龍家堡煤礦3 次微震事件進行矩張量反演，并結合微震頻譜圖分析其破裂類型。表1 為龍家堡煤礦3 次微震事件矩張量反演計算結果。圖3 為3 次微震事件典型頻譜曲線圖。3 月3 日微震事件的震源點位于S4 斷層附近。此次微震事件矩張量計算結果為X=72.52%，破裂類型為剪切破裂，結果表明S4斷層發生剪切破壞，由此認為此次微震事件是斷層錯動破壞。由圖3（a）可見，在頻譜曲線圖中，震動信號的頻帶較寬，主要在0～250 Hz，主頻較為明顯，震動能量主要集中在0～10 Hz，但高頻區域振幅也很豐富。

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6 月4 日微震事件的震源點位于S4 斷層附近及411 綜放采空區老頂巖層附近。此次事件矩張量計算結果為X=50.06%，破裂類型為混合破裂，表明在S4 斷層的切割作用下，工作面初采段頂板覆巖呈孤立的斷續巖體，形成彈性能積聚；經過移架、割煤、放煤活動，導致頂板覆巖活動發生彎曲破壞，誘發了S4斷層（走向）剪切滑移，由此認為此次微震事件為頂板斷裂和斷層錯動耦合破壞。由圖3（b）可見，在頻譜曲線圖中，震動信號的頻帶較寬，主要在0～200 Hz。主頻較不明顯，震動能量主要集中在0～150 Hz，既包含頂板斷裂頻譜曲線特征、又包含斷層錯動頻譜曲線特征。

8 月27 日微震事件的震源點位于采空區老頂巖層附近。此次事件的矩張量計算結果為X=10.98%，破裂類型為張拉破裂，表明工作面長時間停產，造成采空區老頂巖層彎曲下沉量不斷增加，彎曲彈性能逐漸積聚；復產后工作面開采擾動進一步加劇了頂板下沉，由此認為此次微震事件是頂板斷裂破壞。由圖3（c）可見，在頻譜曲線圖中，震動信號的頻帶較寬，主要在0～200 Hz。主頻較為明顯，震動能量主要集中在50～150 Hz，其他頻率振幅較少。

4 礦震防治措施

在前述微震事件破壞類型分析的基礎上，針對龍家堡煤礦具體情況提出沖擊地壓防治措施。

（1）做到生產服從防沖需要。回風順槽向下30 m 范圍、運輸順槽向上30 m 范圍嚴禁放頂煤，且初次見方前和見方后的50 m范圍采放高度不得超過8 m。

（2）確保超前支護強度和有效性。在工作面推采至60 m 前，兩巷逐步安裝圓弧頂梁巷道防沖液壓支架加強支護，且在兩巷圓弧頂梁巷道防沖液壓支架安裝完成前通過降低開采速度來減緩開采擾動。

（3）施工卸壓鉆孔孔深增加到30 m，S4斷層區域孔深增加到40 m，孔間距不得超過1 m，孔徑不小于153 mm。

（4）采取頂板切縫卸壓技術，對工作面上下順槽圍巖及頂板進一步補強卸壓，爆破施工前開切及兩順槽，與爆破無關作業人員全部撤離，躲炮半徑不小于300 m，躲炮時間不小于30 min。

5 結 論

（1）根據矩張量反演方法計算得出，龍家堡煤礦3 次微震事件分別為頂板斷裂破壞、斷層錯動破壞以及頂板斷裂和斷層錯動耦合破壞。

（2）斷層錯動破壞主頻主要集中在0～10 Hz，其次高頻區域振幅也很豐富；頂板斷裂破壞主頻主要集中在50～150 Hz，其他頻率振幅較少；頂板斷裂和斷層錯動耦合破壞，既包含頂板斷裂頻譜曲線特征、又包含斷層錯動頻譜曲線特征，主頻主要集中在0～150 Hz，主頻較不明顯。

（3）應在工作面推采至60 m 前，兩巷增設圓弧頂梁巷道防沖液壓支架加強支護；將卸壓鉆孔孔深增加到30m，并采取頂板切縫卸壓技術，對工作面上下順槽圍巖及頂板進一步補強卸壓。