不等長工作面微震響應(yīng)特征分析

周金艷，桂二國，扈勇亮

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺 0540002.河北省礦井微震重點實驗室，河北 邢臺 054000；3.冀中能源峰峰集團 邯鄲寶峰礦業(yè)有限公司 九龍礦，河北 邯鄲 056200）

0 引言

為了提高煤炭資源采出率，許多煤礦將切眼布置在斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造附近，整個工作面呈現(xiàn)“刀把狀”不等長的情況，推進過程中需要加減支架。這就導(dǎo)致應(yīng)力場變化復(fù)雜，對工作面安全回采造成一定影響。很多學(xué)者對不等長工作面覆巖活動等進行了分析研究，王新豐[1]等采用有限差分軟件FLAC3D 對不等長工作面覆巖破壞及支承壓力的分布特征進行系統(tǒng)研究，并相應(yīng)模擬出工作面前方應(yīng)力場與位移場的演化規(guī)律。盧幫穩(wěn)[2]以冀中能源股份有限公司邢東礦2225 不等長工作面為例研究不等長工作面的覆巖活動規(guī)律及受采動影響回采巷道的變形規(guī)律。李楊楊[3]等人采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等方法，分析了臺階區(qū)域覆巖結(jié)構(gòu)運動特征和圍巖應(yīng)力演化規(guī)律。孫廣義[4]等人對平崗東三采區(qū)中部右一不等長工作面進行礦壓觀測，研究不等長工作面頂板的活動規(guī)律。武文清[5]通過分析九龍礦突水事故數(shù)據(jù)對大采深奧灰水上工作面底板裂隙突水量進行了預(yù)測，對類似條件下的涌水量預(yù)測具有指導(dǎo)意義。

當前的研究方法主要集中于數(shù)值模擬和現(xiàn)場觀測等，缺乏連續(xù)性，研究結(jié)果與實際相比有一定差距。而近年來迅速發(fā)展的微震監(jiān)測系統(tǒng)具有實時、連續(xù)、全空間動態(tài)監(jiān)測、主動擾動探測特點，因此對不等長工作面開展微震監(jiān)測，對于研究其頂?shù)装迨录l(fā)育規(guī)律、保障安全回采具有重要的意義。

1 工作面概況

15240 工作面位于礦區(qū)南三采區(qū)東部，東部為NF27斷層，東南部為F1-1斷層，西部為正在回采的152下36 工作面，北部為15238 工作面和152下38工作面采空區(qū)。該工作面走向長度1063～1072 m，傾斜長度57～93 m，工作面煤層平均厚度為2.7 m，煤層傾角9°～15°。該面外切眼上方存在多條斷層，2 條較大斷層其中一條傾角為60°，落差為5 m，另一條傾角為65°，落差為6.5 m。結(jié)合多方面因素分析設(shè)計，最終將工作面布置成傾斜長度由57～93 m 的不等長工作面（圖1）。

圖1 15240 工作面布置Fig.1 No.15240 face layout

15240 工作面煤層頂板綜合柱狀圖如圖2 所示，直接頂板為2.2 m 厚砂質(zhì)泥巖，直接底板為2.5 m 厚砂質(zhì)巖層。

圖2 15240 工作面頂?shù)装寰C合柱狀圖Fig.2 No.15240 face roof and floor comprehensive histogram

在15240 工作面布置范圍進行了地面區(qū)域治理，治理層段奧灰頂面以下11.4～40 m。經(jīng)區(qū)域治理后水文地質(zhì)條件相對簡單，影響該工作面主要含水層有大煤頂板砂巖含水層、底板野青灰?guī)r巖溶裂隙含水層、山伏青灰?guī)r巖溶裂隙含水層、大青灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。奧灰含水層與2 號煤層的間距為160～173 m，由于其分布面積廣、厚度大，具有巨大的動、靜儲水量，是威脅工作面安全生產(chǎn)的主要因素。

2 微震系統(tǒng)簡介及布置

煤礦水害防治微震預(yù)測預(yù)報技術(shù)，是利用高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)，通過感知導(dǎo)水通道形成過程中的巖石破裂，精細定位處理解釋，對導(dǎo)水通道形成過程進行監(jiān)測。張黨育[6]等基于微震監(jiān)測系統(tǒng)研究工作面過老巷時期微震時空演化規(guī)律，掌握頂板巖層的損傷程度與運移特征，為其頂板支護管理以及進行針對性的災(zāi)害防治提供依據(jù)和參考。左建平[7]等針對邢東礦2222 工作面深部帶壓開采接近臨界值且局部受隱伏斷層等構(gòu)造影響，可能出現(xiàn)底板突水的問題，采用微震監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測導(dǎo)水裂隙帶形成過程，為針對性注漿治理和安全開采提供了重要指導(dǎo)。

結(jié)合工作面監(jiān)測范圍和地質(zhì)條件等布設(shè)檢波器，通過檢波器采集井下產(chǎn)生的震動信號，然后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛妗；诖宋⒄鹚ΡO(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)能夠感知極其微弱的破裂信號。通過對有效微震事件的定位與分析，同時結(jié)合微震多屬性參數(shù)成圖。微震系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 微震系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Microseismic system structure

結(jié)合該工作面巷道布置、地質(zhì)條件等情況，設(shè)計安裝了4 個監(jiān)測分站，共計20 個單軸檢波器，20 個通道。此次采用包圍式方式布置在工作面底板，檢波器間距80 ～100 m，如圖4 所示。

圖4 15240 工作面微震系統(tǒng)設(shè)計平面圖Fig.4 No.15240 face microseismic system design plane

3 不等長工作面微震響應(yīng)特征

15240 工作面為開采2 號煤工作面，于2021年2 月3 日正式回采。該次監(jiān)測分析是不同傾斜長在相同推采長度下微震事件響應(yīng)特征，結(jié)合工作面巷道布置情況（圖5），傾斜長為57 m 時，共推進110 m，因此在傾斜長為93 m 時，也選取了推進110 m，因此采用的數(shù)據(jù)周期為2021 年2 月3 日～3 月28 日，共54 d，共監(jiān)測到微震事件3394 個，日均63 個。

圖5 監(jiān)測區(qū)域范圍示意Fig.5 Monitoring area range

煤體周圍原巖在受到回采擾動情況下，應(yīng)力重新調(diào)整分布，巖體在這個過程中其內(nèi)部會產(chǎn)生大量微破裂，從而密集發(fā)育微震事件。根據(jù)工作面布置特點、微震事件響應(yīng)特征等將此次監(jiān)測周期分為窄面階段、由窄變寬階段、寬面階段3 個。整個監(jiān)測周期微震事件發(fā)生頻次柱狀圖如圖6 所示。

圖6 微震事件發(fā)生頻次柱狀圖Fig.6 Microseismic events occurrence frequency histogram

3.1 微震事件頻次特征

回采初期工作面寬度為57 m，2021 年2 月24日，工作面推進距離110 m，第一階段回采結(jié)束，推進平均速度為4.8 m。在2021 年2 月3 日～23日窄面階段內(nèi)，共監(jiān)測微震事件774 個，日均37個，如圖7 所示。2 月10 日數(shù)量上達到一個小高峰，較其他時間增幅明顯增大，微震事件頂板發(fā)育最大高度為61.2 m，此時工作面已推進30 m，整體能量值也有所上升。分析認為初次來壓，圍巖應(yīng)力釋放劇烈，微震事件響應(yīng)明顯。隨著工作面的推進，圍巖應(yīng)力逐漸由失穩(wěn)狀態(tài)進入動態(tài)平衡狀態(tài)，微震事件頻次有所降低。

圖7 各階段總數(shù)與平均數(shù)變化Fig.7 Each stage total number and average number chart

2 月24 日～3 月28 日，即第二、三階段內(nèi)，工作面共推進110 m，推進平均速度為3.4 m。2 月24 日～2 月28 日，工作面進入由窄變寬階段，微震事件數(shù)量為403 個，日均81 個。2 月26 日微震事件驟增，平面分布如圖8 所示，主要分布在巷道由窄變寬處，多為近煤層事件，且當日頂板事件較多。分析為窄寬工作面對接過程中應(yīng)力場變化波動大，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，微震事件響應(yīng)靈敏，事件密度增大。

圖8 2 月26 日微震事件平面分布Fig.8 Microseismic events plane distribution on February 26

2021 年3 月1 日～28 日為寬面階段，工作面傾斜長由57 m 增加至93 m，微震事件總數(shù)2218個，日均79 個，比窄面階段要高，比由窄變寬階段要低（圖7）。受到過渡階段巖層結(jié)構(gòu)變化和能量釋放的沖擊影響，在回采過程中，微震事件發(fā)育密度較窄面明顯增大。

3.2 微震事件平面分布特征

結(jié)合微震事件平面分布圖可以直觀、深入的了解事件發(fā)育規(guī)律。從圖9 可以看出，回采初期，采線附近頂板事件密度大于底板事件密度，分析認為采動活動的進行導(dǎo)致煤層上覆巖體的缺失導(dǎo)致其內(nèi)部受力不均衡，采場圍巖應(yīng)力重新分布，圍巖發(fā)生塑性變形、垮落、破碎等，頂板事件發(fā)育頻次較大，且主要分布在15240 工作面范圍內(nèi)，而底板事件分布在上下巷85 m 范圍內(nèi)，應(yīng)力傳導(dǎo)影響范圍較大。另外一部分事件發(fā)育在斷層附近及巷道拐彎處，分析認為該區(qū)域地質(zhì)薄弱區(qū)，且應(yīng)力較為集中，微震事件優(yōu)勢發(fā)育。隨著回采的推進，巖石微破裂發(fā)生位置隨之前移，形成超前擾動區(qū)域。

圖9 窄面階段頂、底板事件分布平面圖Fig.9 Roof and floor event plane distribution on narrow plane stage

結(jié)合日報分析（圖10），此階段內(nèi)微震事件超前擾動范圍為40 m。

圖10 2 月15 日微震日報平面圖Fig.10 Microseismic daily report plane on February 15

從圖11 可以看出，在由窄變寬后采線周圍微震事件分布密集程度明顯增大。2 號煤底～野青下層段事件偏向上巷分布，說明工作面上部、中部壓力較大。分析認為，工作面變寬后，圍巖垮落、變形等范圍隨之變大，工作面北部為15238 和152 下38 工作面采空區(qū)，在采動應(yīng)力影響下，覆巖易失穩(wěn)破斷形成裂隙，易發(fā)育微震事件。同時隨著回采推進，采線后方采空區(qū)頂板懸露面積增大，且頂板覆巖受到剪切破壞和拉伸破壞雙重作用，微震事件發(fā)生頻次增大。

圖11 由窄變寬后頂、底板事件分布平面圖Fig.11 Roof and floor event plane distribution after narrow to wide

結(jié)合日報分析（圖12），此階段內(nèi)微震事件超前擾動范圍為55 m，較窄面階段擾動范圍增大，且采線后方事件頻次增大。

圖12 3 月12 日微震日報平面圖Fig.12 Microseismic daily report plane on March 12

3.3 微震事件垂向分布特征

3.3.1 微震事件發(fā)育層段分析

此次監(jiān)測周期內(nèi)各層段發(fā)育趨勢如圖13 所示，主要發(fā)育在2 號煤以上、2 號煤底～野青下兩個層段，僅在3 月8 日日報中出現(xiàn)一個野青底～山伏青層位事件。在工作面由窄變寬后，頂板、底板事件數(shù)量均有增加，且底板事件增幅明顯大于頂板事件增幅。分析認為一方面原因是工作面寬度增大時，采動應(yīng)力增大，微震事件響應(yīng)隨之明顯，頂板圍巖移動變形量增大，底板破壞范圍增大，尤其在工作面來壓時更為明顯。另一方面原因是工作面由窄變寬區(qū)域，同時為物探坑透異常區(qū)疊加處，為斷層向工作面延伸的地質(zhì)異常區(qū)，在采動應(yīng)力影響下，應(yīng)力集中區(qū)隨之向下擴展延伸，底板事件發(fā)生頻次增大。

圖13 各層段事件趨勢變化圖Fig.13 Each layer events trend

在本文的監(jiān)測周期內(nèi)，僅在3 月8 日日報中出現(xiàn)一個野青底～山伏青層段事件，此時工作面進入寬面推進了28 m，當日日報中微震事件數(shù)量較前期增加64%，達到一個新的小高峰，頂板最大發(fā)育高度為51.83 m，底板最深擾動為64.85 m。分析為進入寬面后的初次來壓，采動壓力釋放劇烈，應(yīng)力集中使得微震事件數(shù)量增加，擾動深度增加，但未波及到山伏青強含水層，未影響正常回采。

15240 工作面野青灰?guī)r含水層與山伏青、大青灰?guī)r含水層之間無水力聯(lián)系或水力聯(lián)系微弱。微震事件在此層段內(nèi)呈聚集狀分布，形成導(dǎo)水通道的可能性極低，如圖14 所示。

圖14 微震事件沿順巷方向剖面圖Fig.14 Microseismic events profile along the roadway direction

3.3.2 底板破壞深度分析

在充分認識采動過程的應(yīng)力特征和變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過微震監(jiān)測技術(shù)對其擾動產(chǎn)生的微震事件進行監(jiān)測解釋，分析微震事件垂向發(fā)育層段及分布特征，實時獲取底板釆動破壞深度，為底板防治水工作提供指導(dǎo)意見。15240 工作面在回采前對煤層底板薄弱地段進行加固改造，使工作面奧灰含水層富水性進一步減弱，改造為相對隔水層，確保工作面安全開采。

根據(jù)監(jiān)測周期內(nèi)微震底板事件發(fā)育深度統(tǒng)計，在回采初期，底板發(fā)育深度平均值為11.1 m，由窄變寬之后，底板發(fā)育深度平均值是13.6 m。

根據(jù)施龍青[8]教授針對煤礦開采底板破壞問題，得到的非線性回歸修正公式。

通過式（1） 分別計算底板破壞深度回采初期為10.7 m，由窄變寬后為13.8 m，見表1。

表1 微震監(jiān)測底板破壞深度分析Table 1 Floor damage depth analysis under microseismic monitoring

3.3.3 頂板破裂發(fā)育高度分析

在采動活動進行過程中，圍巖受到采動應(yīng)力、地應(yīng)力和靜水壓力等多方面的作用，出現(xiàn)不同程度的破壞。隨著回采推進，形成采空區(qū)后，采場圍巖的原巖應(yīng)力場被破壞，使得圍巖應(yīng)力場會不斷變化趨向再次平衡。采空區(qū)上覆巖層在失去支撐的情況下，受自身重力和地應(yīng)力共同作用下向采空區(qū)移動，直到巖層內(nèi)的應(yīng)力場達到平衡[9]。研究微震頂板事件分布和破裂高度，對于工作面進行頂板水害防治工作、保障工作面安全有序開采，具有重要的指導(dǎo)意義。

根據(jù)回采過程中工作面內(nèi)2 號煤以上事件發(fā)育高度進行3 個階段統(tǒng)計，繪制成折線如圖15 所示。3 個階段內(nèi)占比最大的均為0～10 m，且隨著破裂發(fā)育高度的增大，呈現(xiàn)占比逐漸減小的倒梯形分布趨勢。但在由窄變寬階段明顯頂板破裂發(fā)育高度增大，分析認為此階段在采動影響下應(yīng)力變化劇烈，覆巖結(jié)構(gòu)瞬時突變集中破斷，微震事件破裂發(fā)育高度10～20 m、30～40 m 所占比例明顯增加。

圖15 15240 頂板破裂高度變化折線圖Fig.15 No.15240 face roof fracture height range line chart

3.4 微震事件能量分布特征

結(jié)合微震事件能量所做的趨勢變化如圖16 折線所示，窄面階段能量較小。由窄變寬階段，能量值大幅增大，結(jié)合大能量事件平面分布如圖17所示，大能量事件主要分布在由窄變寬處（圖中包絡(luò)線范圍內(nèi)），占大能量事件總數(shù)的65.3%，分析認為原因是窄寬對接區(qū)域內(nèi)應(yīng)力場波動大、微震事件觸發(fā)頻次變高，圍巖破碎活動頻繁。結(jié)合監(jiān)測周期內(nèi)微震事件能量變化折線圖與頻次散點圖（圖17），呈現(xiàn)出“低頻次、小能量”—“高頻次、大能量”—“高頻次、小能量”的變化趨勢，這與圍巖應(yīng)力場被破壞—積聚—平衡這一過程是相吻合的。如圖17 所示，隨著工作面的正常推采，大能量事件密度由低變高，而后又逐漸降低。在“高頻次、大能量”階段礦方應(yīng)注意加強水文地質(zhì)觀測。

圖16 每日事件能量變化與頻次示意Fig.16 Daily event energy range and frequency indication

圖17 大能量事件（>10000 J） 平面分布圖Fig.17 Large energy events plane distribution（＞10000 J）

整體分析認為，工作面較寬時能量大于工作面較窄時，在由窄變寬處有一個能量值突增的過程。且工作面變寬后，初期是采動應(yīng)力增大，其能量值較高。在工作面變寬回采一段時間后，圍巖應(yīng)力重新進入動態(tài)平衡狀態(tài)，能量釋放變得舒緩，能量值有所下降。

4 結(jié) 論

（1） 不等長工作面的微震響應(yīng)，具有階段性特征。

（2） 不等長工作面由窄變寬階段微震事件頻次明顯增大，能量增幅大，應(yīng)力集中顯現(xiàn)，應(yīng)注意加強頂板支護，預(yù)防事故發(fā)生。

（3） 不等長工作面變寬之后，底板事件增幅大于頂板事件增幅，平均底板擾動深度增大。在由窄變寬階段要注意加強工作面水文地質(zhì)觀測。