基于微震監測的厚松散層大采高工作面圍巖破壞規律研究

衡培國， 翟常治， 辛崇偉， 王延路， 陳洋

（1. 河南焦煤能源有限公司 古漢山礦，河南 焦作 454300；2. 北京安科興業科技股份有限公司，北京 102200；3. 山東能源集團有限公司，山東 濟南 250014）

0 引言

開發東部地區深埋厚松散層所覆蓋的煤炭資源對于緩解東部資源緊張具有重要的意義。在厚松散層薄基巖地質條件下，厚煤層一次采全高時，頂板潰水潰砂及底板承壓水突水的風險驟增。從礦井防治水和防治沖擊地壓角度出發，研究厚松散層薄基巖煤層開采過程中的圍巖破壞規律，是安全開采此類煤層的關鍵[1-2]。

眾多學者對厚松散層薄基巖條件下的圍巖運移規律進行了研究，取得了豐碩成果。文獻[3-4]通過數值分析研究了厚松散層薄基巖工作面開采覆巖的載荷傳遞效應和覆巖破壞特征，分析得出工作面兩端采動裂隙為突水潰砂的主要通道；文獻[5-6]研究了薄基巖厚松散層含水層下充填保水及綜放開采的安全性，揭示了覆巖裂隙高度變化規律；文獻[7]通過建立斷裂帶幾何模型，研究了薄基巖厚松散層深部采場斷裂帶幾何特征及礦壓分布的工作面效應；文獻[8-9]采用多種手段研究了厚松散層薄基巖綜放開采覆巖破斷機理；文獻[10]運用數字圖像處理技術對淮南礦區深埋薄基巖煤層采場頂板破斷特征及機制進行了研究，分析得出深埋薄基巖煤層頂板破斷存在大小來壓現象。現有研究大多采用建立力學模型、數值計算等理論研究手段，缺乏基于現場動態實測的研究。

微震監測技術作為一種巖體微破裂三維空間監測技術，近年來在礦業領域得到迅速發展，其具有無損、實時、連續監測等特點，在礦井動力災害監測預警方面得到了廣泛應用[11]。文獻[12-13]采用高精度微震監測技術對煤礦突水及其構造活化過程進行現場監測；文獻[14]采用微震監測技術監測高位主關鍵層破斷失穩狀態；文獻[15-16]基于背景應力場微震活動，對注漿帷幕突水危險性進行了評價；文獻[17]基于微震監測研究了采動情況下底板潛在導水通道的形成過程。目前針對厚松散層薄基巖這一地質類型，基于微震監測技術的圍巖破壞規律研究尚少。本文以焦煤集團有限責任公司趙固一礦16001工作面為工程背景，構建高精度微震監測系統，基于監測結果對厚松散層薄基巖條件下大采高工作面圍巖動態破壞規律進行研究，以期提高此類型礦井的水害防治水平。

1 工程背景

趙固礦區屬于典型的厚松散層薄基巖煤層，開采過程中面臨著頂板新近系底部含水層及底板承壓含水層突水威脅。16001工作面是趙固一礦第1個一次采全高工作面（采高約6 m），與之前分層開采的工作面相比，采高的增大必然加劇圍巖破壞程度。基于微震監測結果研究圍巖運移規律，對于保障礦井安全生產具有重要意義。

16001工作面所屬二1煤層頂板標高為-429.9～-499.0 m，對應地面位置標高為+85.9～+87.1 m，屬近水平煤層且賦存穩定，走向長901 m，傾向寬205 m，采用全部垮落法管理頂板。16001工作面東部為16011工作面采空區和實體煤，南部為大巷保護煤柱，西部和北部為實體煤，如圖1所示。

圖 1 16001工作面位置Fig. 1 Location of 16001 working face

16001工作面頂板基巖厚度約為82 m，對工作面存在威脅的頂板含水層主要包括新近系底部砂礫石含水層（流沙層）、基巖風化帶含水層和二1煤層頂板砂巖含水層。探查結果顯示，后兩者富水性弱，對工作面影響較小，前者是工作面頂板潰水潰砂事故的主要威脅。

16001工作面底板承壓含水層主要為L8，L2，O2灰巖含水層。其中L8灰巖含水層為直接充水水源，平均厚度為8.0 m，上部與煤層底板的平均距離為32.5 m，水壓為5.0～5.3 MPa，突水系數為0.16，存在突水危險；L2，O2灰巖含水層上部與煤層底板的平均距離分別為93.5 m和137.5 m，距離較遠，在沒有補給通道溝通L8灰巖含水層的情況下，對工作面安全生產影響較小。

2 微震監測系統搭建

搭建高精度微震監測系統，對16001工作面回采期間圍巖受擾動產生的微震事件進行實時監測，根據監測結果分析上覆巖層活動情況及底板隔水層采動破壞情況。

2.1 臺網布置方案

根據16001工作面地質特點及監測目的，選用KJ551高精度微震監測系統，傳感器響應頻率范圍為0.1～600 Hz，靈敏度為110 V·s/m。初步設計2種臺網布置方案。方案1圍繞工作面在兩巷（進風巷、回風巷）內布置8個傳感器，通過頂底板穩定巖層中的錨桿進行安裝，傳感器間距約為100 m，如圖2（a）所示。方案1中臺網呈近水平布置，無法對空間震源形成有效包絡，根據經驗分析，這種情況下監測結果中垂向定位誤差較大。因此，制定方案2，采用孔-巷聯合布置方式，即兩巷內布置4個傳感器，頂板深孔（與煤層垂直距離約為45 m）布置2個傳感器，底板深孔（與煤層垂直距離約為45 m）布置2個傳感器，巷道內與深孔內傳感器間隔分布，沿巷道軸向間距約為100 m，如圖2（b）所示。

圖 2 微震監測系統臺網布置方案Fig. 2 Network layout schemes of microseismic monitoring system

2.2 基于D值最優理論的垂向定位誤差分析

基于D值最優理論[18]對2種臺網布置方案下的垂向定位誤差進行計算。經計算，-430，-450，-470 m 3個水平（基本涵蓋煤層、頂板和底板）的垂向定位誤差如圖3所示，其中等值線代表誤差，單位為m。由圖3可知：方案1的垂向定位誤差較大，-470 m水平核心監測區域垂向定位誤差大于60 m，其他2個水平垂向定位誤差基本在30 m以上；方案2核心監測區域垂向定位誤差較方案1大幅度降低，3個水平的核心監測區域垂向定位誤差基本在15 m以內，且各個水平的誤差分布較一致，可以滿足監測需求，因此采用第2種臺網布置方案。

圖 3 2種方案在不同水平的垂向定位誤差Fig. 3 Vertical positioning errors of two schemes in different horizontals

2.3 定位精度標定

16001工作面微震監測系統安裝完成后，分別在工作面兩巷道煤層內坐標（x,y,z）（采用1954年北京坐標系和1956年黃海高程系）處各實施1次標定炮，定位精度標定結果見表1。可見2次精度標定得出的平面定位誤差均在5 m以內，垂向定位誤差均在10 m以內，定位精度滿足監測需求。

表 1 定位精度標定結果Table 1 Calibration results of positioning accuracy m

3 基于微震監測的圍巖破壞規律分析

3.1 核密度分析法

微震事件的發生預示著距震源位置一定范圍內產生了圍巖破壞，裂隙發育程度可以通過微震監測系統接收到的事件頻次和能量等指標進行評估，但單純以微震事件指標預測圍巖裂隙發育程度及范圍不夠直觀。本文采用核密度分析法[19]分析微震事件能量密度，以達到研究圍巖裂隙發育狀況的目的。

對工程平面圖進行正方形網格劃分，網格尺寸可自主設置，尺寸越小，最終云圖結果越精細。選擇一個空間坐標為（x，y，z）、能量為E1的微震事件，根據能量所對應的震源尺寸確定搜索范圍半徑為r1；以坐標（x，y）為圓心、r1為半徑圈定圓形區域，基于二次核函數算法將能量E1分配到圓形區域內的每個網格，圓心處能量為最大值Kmax，邊緣處能量為0，設網格中心到圓心的距離為s，則每個網格的能量為

采用核密度分析法得出各網格的能量密度疊加值，繪制成能量密度云圖，結合現場實際情況及工程經驗對能量密度進行判別，即認定裂隙已連通的能量密度值范圍，根據密度等值線，在層位平面圖或剖面圖上對裂隙連通位置和范圍進行圈定，以確定頂底板破裂的位置和深度。

3.2 微震監測結果分析

16001工作面自切眼位置推進到回采進尺320 m處歷經5個月，期間工作面推進速度保持在1.6～2.4 m/d，微震監測系統共分析出微震事件3 367個，釋放總能量4 425.85 kJ。工作面自切眼位置每推進10 m統計1次微震事件頻次及累計能量，結果如圖4所示。可見，在整個監測期間，微震事件頻次及累計能量變化趨勢基本一致，表明單事件的平均能量變化范圍較小，結合地質鉆孔資料，進一步推測出開采區域圍巖的賦存較穩定。

圖 4 微震事件頻次及累計能量變化曲線Fig. 4 Curves of microseismic event frequency and cumulative energy

0～160 m進尺段回采過程中微震事件頻次及累計能量指標呈波動遞增狀態，但增長幅度較小，表明該階段采動影響下圍巖活躍尺度（范圍和程度）呈遞增趨勢，指標的波動情況也間接反映出采動影響下圍巖活動呈周期性變化的規律。170～260 m進尺段回采過程中微震事件的頻次和累計能量指標達到工作面自回采以來的峰值狀態，與0～160 m進尺段相比，微震事件累計頻次增加58.7%，累計能量增加101.2%，表明該階段采動影響下圍巖的活躍尺度大幅度增加，頂底板破壞范圍達到回采以來的峰值。

將工作面0～320 m進尺段劃分為4個階段，即0～80，80～160，160～240，240～320 m，并根據圍巖累計釋放能量進行能量密度計算。

（1） 0～80 m進尺段。該階段回采過程中微震事件及其能量密度分布如圖5所示。

圖 5 0～80 m進尺段微震事件及其能量密度分布Fig. 5 Microseismic events and energy density distribution in the 0-80 m full-scale section

該階段微震事件中能量小于1 000 J的事件占比達到61.4%，表明該階段以近場圍巖破壞為主，巖體破壞尺度較小。小能量事件在直接頂（砂質泥巖）和煤層中占比較大，這2層巖體強度較低，破壞過程中釋放的能量較小。由圖5（a）可知，該階段產生了5個能量大于5 000 J的大能量事件，主要分布在距煤層約10 m的頂板處，在回采進尺40 m附近產生了2次大能量事件，計算出的能量密度達400 J/m2，推斷此處可能出現巖層斷裂，即為工作面初次來壓位置。由圖5（b）可知，頂板受影響的最大高度為47.1 m，頂部大致位于7.5 m厚的上覆細粒砂巖層內，推測該處為頂板導水裂隙帶的上邊界，與新近系底板的砂礫巖含水層之間還有19.4 m厚的砂質泥巖層未受采動影響，其隔水性能較好，可有效阻止頂板出現潰水潰砂事故，定義該巖層為隔水關鍵層（圖6）。底板受影響的最大深度為13.6 m，位于工作面回采進尺約40 m處（與預測的初次來壓位置較一致），間接表明采動影響下頂底板的破壞尺度具有正關聯性。從能量密度分布來看，0～40 m進尺段底板事件能量密度小于100 J/m2，40～80 m進尺段底板事件能量密度范圍為100～300 J/m2，表明隨著工作面的推進，底板受破壞程度增大。

圖 6 各關鍵層位置Fig. 6 The location of each key layer

該階段底板受采動影響的巖層主要為直接底（12.7 m厚粉砂巖），下伏多層砂質泥巖未受采動影響，起到隔水層的作用，總體認為該階段發生底板突水的可能性較小。

（2） 80～160 m進尺段。該階段回采過程中微震事件及其能量密度分布如圖7所示。

圖 7 80～160 m進尺段微震事件及其能量密度分布Fig. 7 Microseismic events and energy density distribution in the 80-160 m full-scale section

該階段微震事件中能量小于1 000 J的事件占比為59.9%，與上一階段基本一致。由圖7（a）可知，該階段能量大于5 000 J的大能量事件達到19個，多分布在距煤層超過20 m的頂板巖層中，間接表明高位巖層的破斷尺度較上一階段增加。由圖7（b）可知，頂板巖層受采動影響的最大高度達到64.3 m（只有在回采進尺130 m附近區域達到該高度，其他區域仍在50 m以內），頂部位于19.4 m厚的砂質泥巖中，表明該階段頂板關鍵隔水層已產生破壞，其14.3 m厚的上覆粉砂巖層未受到采動影響，仍具有一定的隔水性能，能隔絕新近系的砂礫巖含水層與采動造成的導水裂隙帶。由于粉砂巖層強度較大，對上覆松散層的移動起控制作用，定義該巖層為擊穿控制層。

該階段底板受回采影響的最大深度為15 m，位于底板6.1 m厚的砂質泥巖層內，底板能量密度為0～300 J/m2，表明底板破壞程度并未增加，因下伏巖層仍有一定厚度的隔水層，該階段發生底板突水的可能性仍較小。

（3） 160～240 m進尺段。該階段回采過程中微震事件及其能量密度分布如圖8所示。該階段微震事件的頻次和能量處于整個分析階段的峰值。從工作面回采位置來看，該階段處于見方（工作面推進長度與斜長基本相等）階段。李東等[20]認為，在深井、厚表土長壁工作面見方階段，上覆巖層在垂直方向上“三帶”的運動達到最大值，對厚表土起支撐作用的巖梁厚度大幅減小，當承載巖梁達到極限跨度時，厚表土由靜載轉化為動載加載至工作面前方煤體，稱為見方應力擊穿效應。

圖 8 160～240 m進尺段微震事件及其能量密度分布Fig. 8 Microseismic events and energy density distribution in the 160-240 m full-scale section

160～240 m進尺段回采過程中能量小于1 000 J的微震事件占比降低到50.5%。由圖8（a）可知，與之前階段相比，在圍巖條件相同的情況下，能量大于1 000 J的微震事件占比增大，表明圍巖的采動破壞由近場巖層向遠場巖層發展，圍巖由小尺度破壞向大尺度破壞發展。能量大于5 000 J的大能量事件在距煤層頂板大于40 m的范圍內分布較多，同樣驗證了上述觀點。由圖8（b）可知，頂板巖層受影響的最大高度達到87.8 m，已超過基巖的厚度，其中頂板以上20 m范圍內能量密度為300～700 J/m2，破壞程度較高，可認為是頂板“三帶”中的垮落帶。由于整個基巖層發生采動破壞，基本喪失了對上覆表土層的承載能力，厚表土由靜載轉化為動載加載至工作面前方煤體，超前工作面20～30 m內煤層及直接頂能量密度達到800 J/m2。經現場觀測，該階段回采過程中多次出現工作面煤壁片幫、冒頂等事故，進一步表明工作面超前區域受集中應力影響的程度大幅增加，驗證了見方應力擊穿效應。微震監測結果表明，該階段頂板導水斷裂帶高度已溝通新近系的砂礫巖含水層，因此，在該階段回采過程中發出頂板突水預警，現場組織實施物探、鉆探等一系列探放水工程。確定該階段回采區域上覆巖層無富水區后，解除預警。

該階段底板受采動影響的最大深度達到22.1 m，較之前階段大幅增加，再次表明底板的破壞尺度與頂板的破壞尺度具有正關聯性。受采動影響的底板巖層觸及L9灰巖下的粉砂巖，粉砂巖與L8灰巖含水層之間有一層5.9 m厚的砂質泥巖未受采動影響，為底板隔水關鍵層，在無構造影響情況下發生底板突水的可能性較小。

（4） 240～320 m進尺段。該階段回采過程中微震事件及其能量密度分布如圖9所示。該階段為工作面見方后階段，從微震指標角度分析，在經歷見方階段劇烈活動之后，工作面圍巖活躍程度逐漸趨于平緩。

圖 9 240～320 m進尺段微震事件及其能量密度分布Fig. 9 Microseismic events and energy density distribution in the 240-320 m full-scale section

該階段能量小于1 000 J的微震事件占比進一步降低到46.6%，表明與工作面回采初期相比，圍巖的破壞尺度增大，再次說明采動破壞區域由近場圍巖向遠場發展。由圖9（b）可知，頂板巖層受采動影響的最大高度為53.6 m，底板受影響的最大深度為17.2 m，較見方階段大幅降低，表明應力擊穿效應具有空間位置特性，基本說明見方階段是整個工作面回采期間圍巖受影響程度最大的階段，也是最有可能發生頂板突水事故的階段。工作面頂板距煤層10～15 m位置處，周期性出現能量密度較大（500～700 J/m2）的區域，推測是基本頂周期性斷裂造成的，工作面見方后上覆巖層形成規律性周期來壓。

綜合上述分析認為：在深井厚表土薄基巖大采高工作面采動影響下，隨著工作面的推進，由近場圍巖破壞為主逐漸向遠場圍巖破壞為主發展，且在每個回采階段頂底板破壞情況具有一致性；工作面在見方階段圍巖破壞程度達到峰值，16001工作面頂板導水裂隙帶貫穿基巖層，產生應力擊穿效應，底板受采動影響深度達到最大值22.1 m，該階段發生頂板突水的可能性最大。

4 微震監測分析結果驗證

4.1 窺視孔位置設計

為驗證微震監測分析結果，提高大采高工作面頂底板突水預警的可靠性，在16001工作面回采過程中采用鉆孔窺視儀對不同位置處的底板進行窺視，根據窺視結果分析底板破壞規律。為保證所窺視的底板巖層已達到充分采動破壞狀態，鉆孔應位于采空區且滯后于工作面50 m以上。因此，選取在工作面軌道巷（其為沿空留巷，具備施工空間）鄰近采空區側施工窺視孔，窺視孔以約70°傾角打向采空區下部巖層。為保證鉆孔能準確地鉆進至目標層位和深度，保證驗證結果的準確性，在鉆進過程中使用隨鉆監測與評價系統進行鉆進監測和數據分析。底板窺視孔參數見表2，窺視孔沿工作面走向剖面位置如圖10所示。

表 2 底板窺視孔參數Table 2 Parameters of bottom plate peepholes

圖 10 窺視孔沿工作面走向剖面位置Fig. 10 The section position of the peepholes along the working face

4.2 窺視結果分析

針對每個窺視孔，選取煤層底板下垂深6，12，18 m處的結果進行展示，如圖11所示。3個孔底板下垂深6 m處的巖層巖性皆為粉砂巖，可見該位置裂隙發育、巖體破碎，說明無論在哪個回采階段，該層位都受到嚴重的采動破壞，該深度處的巖層失去隔水性能。煤層底板下垂深12 m處，1號窺視孔有2條垂向裂隙，2號、3號窺視孔仍顯示巖體較破碎，破壞程度與垂深6 m處相比有一定降低，說明垂深12 m處的巖層采動破壞范圍仍是全層位的，該深度基本與直接底和基本底的交界面深度一致，在采動影響下直接底（12.7 m厚粉砂巖）基本失去隔水性能。垂深18 m處窺視結果顯示，1號、3號窺視孔孔壁巖體完整、無裂隙發育，未受采動破壞，2號窺視孔孔壁巖體存在2條小尺度垂向裂隙。

圖 11 底板窺視結果Fig. 11 Peep results of bottom plate

綜合分析認為，1號、3號窺視孔處的底板破壞深度為12～18 m，2號窺視孔處的底板破壞深度大于18 m，2號窺視孔位于進尺190 m處，即工作面的見方階段，與微震監測結果較吻合。

5 結論

（1） 通過搭建高精度微震監測系統，對16001工作面回采期間圍巖受擾動產生的微震事件進行實時監測。制定了孔-巷聯合臺網布置方案，基于D值最優理論對垂直定位誤差進行仿真計算，結果表明：孔-巷聯合臺網方案核心監測區域在-430，-450，-470 m 3個水平的垂向定位誤差在15 m以內，可滿足監測需求。

（2） 基于微震監測結果分析得出，工作面采動影響下頂板最大破壞高度達87.8 m，底板最大采動破壞深度達21.7 m，最大值均出現在工作面回采的見方階段（回采進尺為160～240 m），該階段頂板突水危險性最高。底板鉆孔窺視結果表明，見方區域的底板破壞深度大于18 m，其他區域的底板破壞深度為12～18 m，驗證了微震監測分析結果的準確性。

（3） 圍巖破壞時累計釋放的能量密度計算結果表明：距煤層頂板48.3 m處19.4 m厚的砂質泥巖為頂板隔水關鍵層，距煤層頂板67.7 m處14.3 m厚的粉砂巖為擊穿控制層，距煤層底板26.6 m處5.9 m厚的砂質泥巖為底板隔水關鍵層。

（4） 厚松散層薄基巖大采高工作面在見方階段頂板承載巖梁破壞，出現異常來壓情況，工作面頂底板及超前破壞程度加劇，證明了此類工作面存在應力擊穿效應。