基于微震分布特征的覆巖結構演化規律研究

馬 祥 ，白賢棲 ，曹安業 ，曾海利 ，黃 銳 ，張德兵 ，秦續峰 ，張潤兵

（1.內蒙古伊泰集團 紅慶河煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017202；2.中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116）

鄰空側工作面回采受側向覆巖結構運動、區段煤柱寬度與工作面回采擾動等疊加影響，極易誘發煤巖動力災害[1-2]。同時，微震是煤巖體應力超過極限平衡狀態產生的破裂、頂板破斷、垮落等過程中產生的彈性波信號[3]，國內外學者將微震監測作為沖擊地壓預測預報及機理研究的手段開展了大量的研究[4-5]。根據微震監測結果判斷煤巖體應力分布狀態及覆巖運移規律，不僅可以預測礦山動力災害、評價巖層運動，還對解決工程實際問題具有重要的參考意義[6]。

夏永學等[7]基于微震監測數據定量分析了煤礦采場超前支承壓力的分布特征；孔令海[8]采用高密度微震監測系統分析了微震事件與上覆巖層運動、圍巖破裂及支承壓力分布等之間的關系；田水承等[9]通過分析工作面推進過程中的微震分布情況，確定了工作面的周期來壓步距及裂隙帶高度；CAI 等[10]將微震數據進一步處理，確定了工作面回采期間的靜載應力集中區與動載應力影響區。另外，國內外學者對臨空側區段煤柱寬度、覆巖結構運移特征等與沖擊地壓的關系也進行了大量的研究。柏建彪等[11]認為沿空巷道留設寬煤柱易積聚彈性能，對防沖不利；李學華等[12]認為沿空巷道留設小煤柱能有效降低圍巖應力，并提出了沖擊傾向性圍巖沿空巷道的防沖控制原理；竇林名等[13]指出堅硬頂板破斷對于臨空側巷道沖擊具有重大的影響；申艷軍等[14]通過分析不同條件下工作面回采期間的監測數據，發現無煤柱開采，工作面前方的應力集中系數最大，微震影響范圍更大；GUO 等[15]研究表明臨空寬煤柱工作面開采具有遠場、近場關鍵層失穩破斷特征。以上研究均表明微震監測可用來分析煤巖體應力分布特征及覆巖運移規律，但如何確定微震監測與煤巖體應力分布特征的內在關系，以及如何通過微震監測確定覆巖運移情況仍需進一步研究。

呼吉爾特礦區地質構造不發育、煤層較厚，諸多礦井建井初期未充分考慮沖擊地壓問題，留設了30～60 m 的區段煤柱，加之工作面鄰空回采增加了工作面的沖擊危險性[16]。紅慶河煤礦402工作面一側為401 采空區，中間留設有40 m 的區段煤柱，工作面回采過程中大能量微震事件頻發，偶有破壞性較小的動力顯現事件發生，尤其是臨空側巷道受影響較為明顯。因此，研究紅慶河煤礦鄰空工作面回采微震分布特征及覆巖運移規律對指導紅慶河煤礦及類似條件下工作面安全開采具有重要的指導價值。

1 工程概況

1.1 工程背景

紅慶河煤礦402 工作面為四采區第2 個工作面，其東南側為401 采空區，區段煤柱寬度為40 m；另一側為未開采的403 工作面。402 工作面走向長度3 616 m，面寬246 m，開切眼外錯401 采空區665 m，終采線外錯401 采空區435 m。工作面開采深度為690～710 m，主采3-1 煤層，煤層平均厚度6.3 m，煤層直接頂為砂質泥巖，基本頂為中砂巖或含礫粗砂巖，直接底砂質泥巖。經鑒定402工作面所采煤層具有強沖擊傾向性，頂底均具有弱沖擊傾向性；經評價402 工作面回采期間具有中等沖擊危險性。

1.2 微震監測系統布置方案

紅慶河煤礦安裝有ARAMIS M/E 微震監測系統，其中用于監測402 工作面的有3 個探頭、5 臺拾震器，探頭安裝在402 輔運巷內，間距為200～500 m；拾震器安裝在403 輔運巷內，間距為800～1 200 m，并隨工作面回采逐漸向前挪移。由于3-1 煤層為近水平煤層，且微震傳感器為單分量、速度型，微震事件的三維空間定位誤差較大，因此紅慶河煤礦引入了ARP2000 地面微震探頭，監測覆蓋半徑為1 600 m，保證了402 工作面微震事件平面、空間定位的準確性[17]。402 工作面微震臺站、探頭及ARP2000 探頭安裝示意圖如圖1。

2 鄰空寬煤柱工作面頂板結構特征

2.1 工作面頂板關鍵層確定

鄰空工作面回采過程中，區段煤柱的寬度決定了上覆巖層能否形成相互作用的空間結構，當工作面區段煤柱小于一定值時，工作面之間覆巖將會協同運動，形成相互作用的空間結構。紅慶河煤礦402 工作面與401 采空區之間留有40 m 的區段煤柱，402 工作面回采期間受側向采空區的影響，靠采空區側的頂板結構可能與側向采空區的覆巖產生協同運動，容易誘發大量的微震事件。因此，需對402 工作面的頂板結構進行分析。

對于不同厚度的頂板結構，可結合關鍵層理論確定鉆孔的關鍵層[18]。

式中： (qn)m為第n層頂板對第m層頂板的載荷，MPa；m、n、i分別為頂板巖層序號；Em、Ei分別為第m、i層覆巖的彈性模量，GPa；hm、hi分別為第m、i層覆巖的層厚，m；ρi為第i層覆巖的密度，t/m3；g為重力加速度，m/s2。

當第n層對第m層頂板的載荷(qn)m小于第n-1 層對第m層頂板的載荷(qn--1)m，可判定第n層覆巖層為關鍵層。

402 工作面綜合柱狀圖如圖2。結合關鍵層的判定公式，可得距煤層23.54 m、厚度為9.98 m 的中粒砂巖為亞關鍵層1，距煤層98.69 m、厚度為66.89 m 的粗粒砂巖為亞關鍵層2，距煤層229.14 m、厚度為122.92 m 的中、細粒砂巖層組為亞關鍵層3，距煤層438.99 m、厚度為100.46 m 的中粒砂巖為主關鍵層。

圖2 402 工作面綜合柱狀圖及關鍵層Fig.2 Working face comprehensive histogram and key layers

2.2 關鍵層導致支承壓力增量

關鍵層的存在會顯著影響工作面的支承壓力分布情況，并且不同層位的關鍵層對工作面支承壓力影響不同。彎曲下沉帶的巖層可看做無限長的彈性基礎梁，梁的撓曲在關鍵層下方形成支承壓力；裂隙帶巖體可看做半無限長的彈性基礎梁，斷裂帶巖體破斷后會在煤體上方相應位置處產生附加載荷和彎距作用，在附加載荷和彎矩的共同作用下產生支承壓力；同時，直接頂對煤體的支承壓力分布影響較小，基本頂的支承壓力可按斷裂帶巖體進行計算[19]。

根據關鍵層位置的斷裂帶高度算法[20]，結合紅慶河煤礦首采工作面覆巖“三帶”高度測試可知，402 工作面的冒采比大致為7.25，裂采比為17.7。因此，402 工作面實體煤段回采時，亞關鍵層1 處于垮落帶范圍，亞關鍵層2 處于斷裂帶范圍，亞關鍵層3、主關鍵層處于彎曲下沉帶范圍。

對于斷裂帶巖層，其下方支承壓力增量為：

針對402 工作面，不同巖層產生的支承壓力的增量情況如圖3。

圖3 頂板破斷影響下支承壓力分布情況Fig.3 Distribution of abutment pressure under roof fracture

綜上，402 工作面上方存在多層層厚較大的關鍵層，關鍵層的存在會使支承壓力的峰值以及影響范圍顯著增加。同時，微震是煤巖體產生裂隙、破斷、失穩等宏觀破壞的產物，與工作面采場周圍的高應力區及圍巖破裂密切相關。因此，通過分析工作面周圍微震空間分布和演化特征，可進一步確定工作面附近的高應力區及頂板破斷形態。

3 鄰空寬煤柱工作面回采微震分布特征

3.1 工作面回采微震空間可視化分析

微震監測信號是一個多維空間的監測信息，具有時間、空間、強度三要素，通過微震定位分析可直觀地表述震源發生的頻次、位置、能量等，但無法定量分析監測區域的沖擊危險程度。因此，定義沖擊變形能指數為單位面積、單位時間內的應變能量總和[21]，同時為了使結果更為精細化，對結果進行對數處理，沖擊變形能指數εE為：

式中：Ei為落入統計區域內第i個微震的能量，J；S為統計區域面積，m2；t為統計時間，d。

標準化的沖擊變形能指數λε為：

式中：εE為指標序列值；εmax為指標序列最大值；εmin為指標序列最小值。

402 工作面回采期間（2018-04-15— 2020-10-31）的沖擊變形能及微震空間分布情況如圖4。

圖4 各能級微震事件空間分布及沖擊變形能云圖Fig.4 Spatial distribution of microseismic events and impact deformation energy diagrams of each energy level

402 工作面回采期間，工作面依次經歷了實體煤階段，一側鄰空階段，再次進入實體煤階段。由圖4（a）可知：震源集中的區域主要包括402 工作面內、靠401 采空區側、斷層區域、聯絡巷影響區域以及開切眼、終采線外錯影響區域；同時，這些影響區域沖擊變形能明顯高于其他正常推進階段。

402 工作面回采期間沿走向方向，砂巖層頂板厚度變化較大。由圖4（b）可知：402 工作面推進至砂巖層頂板厚度較厚區時（推進度1 250～2 000 m），大能量的微震事件主要集中在砂巖層下方的低位頂板附近；隨著工作面推進至砂巖層頂板較薄區域（推進度2 000～2 600 m），大能量微震事件逐漸向高位擴展，主要集中在砂巖層頂板內；并且工作面中部的沖擊變形能明顯高于工作面兩端的沖擊變形能，有向高位發展的趨勢。表明鄰空寬煤柱工作面回采過程中受頂板巖層結構影響較大，工作面中部受側向采空區的影響，頂板結構將再次發生運動，頂板垮落較為充分，有向高位發展的趨勢，高位頂板斷裂易誘發大能量微震事件。

3.2 工作面回采微震走向分布特征

通過分析鄰空寬煤柱工作面回采期間微震走向分布特征，可大致分析出工作面超前支承壓力影響區及覆巖活動情況等。對實體煤段工作面回采及臨空寬煤柱段工作面回采的微震事件的走向分布特征進行對比分析，402 工作面回采期間微震走向分布圖如圖5。

實體煤段工作面回采時，微震事件在402 工作面前后方均有分布，微震頻次較為集中的區域為工作面后方220 m 至工作面前方240 m 范圍，而微震能量較為集中的區域為工作面后方80 m 至工作面前方40 m 范圍，并且工作面后方的微震頻次、能量明顯多于工作面前方。表明實體煤段工作面回采時微震事件大部分由工作面后方采空區頂板垮落誘發。

鄰空段工作面回采時，微震頻次較為集中的區域為工作面后方200 m 至工作面前方240 m 范圍，而微震能量較為集中的區域為工作面后方100 m 至工作面前方160 m 范圍，但工作面前方的微震頻次、能量明顯多于工作面后方。表明鄰空寬煤柱工作面回采時，受采空區側向支承壓力與超前支承壓力疊加影響，工作面前方煤巖體更容易達到極限狀態，煤巖體的破裂、失穩容易誘發大量的微震事件；加之受側向采空區覆巖結構及運動的影響，402 工作面回采期間，靠采空區側的頂板結構將再次發生回轉、失穩，誘發較大能量的微震事件。

3.3 工作面回采微震傾向分布特征

選取402 工作面2018 年4、5 月實體煤段回采的微震數據及2019 年11、12 月鄰空段回采的微震數據，對比分析實體煤段工作面回采與鄰空寬煤柱工作面回采的微震傾向分布特征，402 工作面回采期間微震傾向分布圖如圖6。

實體煤段工作面回采時，微震事件基本沿工作面中線呈對稱分布，微震頻次除在402 工作面內部較為集中外，在工作面兩側180 m 左右的實體煤區域也分布較多；而微震總能量僅在402 工作面內部較為集中。表明實體煤段工作面回采時小能量的微震事件主要受開采擾動引起的應力集中誘發，且側向支承壓力的影響范圍為工作面側向180 m 左右；而大能量的微震事件主要分布在工作面內，受工作面后方采空區頂板破斷誘發。

鄰空寬煤柱段工作面回采時，大部分微震都集中在402 工作面內及402 工作面兩側寬煤柱內，其中靠401 采空區側微震頻次、能量明顯高于靠實體煤側的微震事件，主要集中在401 采空區0～120 m 區域。表明靠采空區側頂板結構的穩定性較差，特別是采空區0～120 m 區域，在402 工作面回采過程中，采空區側頂板結構再次調整，產生較多的微震事件，并且容易誘發大能量的微震事件（采空區0～120 m 區域微震總能量大幅度增加）；同時，在402 工作面兩側煤柱區微震頻次、能量存在較高的峰值，表明402 鄰空寬煤柱工作面回采期間，兩側煤柱寬度較大，煤柱內存在較大的支承壓力，當煤柱內的支承壓力超過了煤巖體的承載極限，煤柱區積聚的能量就以產生微震的形式釋放出來。

4 鄰空寬煤柱工作面回采頂板結構演化規律

402 工作面回采期間微震傾向分布情況如圖7，工作面傾向方向覆巖結構演化圖如圖8。

圖7 微震傾向分布特征Fig.7 Distribution of abutment pressure under roof fracture

圖8 工作面傾向方向覆巖結構演化圖Fig.8 Structure diagrams of overlying strata during solid coal mining

紅慶河煤礦402 工作面低位亞關鍵層1 處于垮落帶范圍，隨工作面推采冒落較為及時，因此低位亞關鍵層1 處微震活動較為頻繁；亞關鍵層2 處于斷裂帶范圍，實體煤段回采開始產生裂隙，出現少量微震事件。而較高位的亞關鍵層3 處于彎曲下沉帶范圍，實體煤段工作面回采時微震事件較少，僅有個別能量小于1.0×103J 的微震事件；鄰空段工作面回采時，微震事件逐漸向高位發展，并且401 采空區側高位頂板處微震事件也明顯增加，亞關鍵層3 開始產生大能量微震事件。表明鄰空工作面回采時，受側向采空區影響，靠采空區側的頂板將再次回轉、失穩，增加了覆巖的破裂高度，亞關鍵層3 開始產生裂隙。

402 工作面開始回采時，兩側均為實體煤，采空區面積較小，距離工作面較近的亞關鍵層1（23.54 m）、亞關鍵層2（98.69 m），隨著工作面的推進逐漸發生破斷；而亞關鍵層3、主關鍵層距離工作面較遠，并且402 工作面采空區面積較小，因此還沒有發生破斷，在剖面上具有彎曲下沉的趨勢，此時由于低層位關鍵層隨工作面周期破斷（亞關鍵層1、亞關鍵層2），主要表現為周期來壓。

工作面處于一側鄰空階段，距離工作面較近的亞關鍵層1、亞關鍵層2 逐漸發生斷裂，且區段煤柱處于壓縮變形的趨勢，因此402 采空區與401 采空區連接成片形成較大面積的采空區，402工作面上覆頂板結構與相鄰的401 采空區上方巖層產生協同作用，使采空區上覆巖層再次發生運動與失穩，增加了覆巖破壞高度；亞關鍵層3、主關鍵層由于距離工作面較遠，當402、401 采空區面積增加時，亞關鍵層3 部分破斷具有彎曲下沉的趨勢。此時，隨著402 工作面回采至單側臨空階段，采空區后方區段煤柱受兩側采空區的影響，具有發生壓縮變形的趨勢，整體表現出煤柱破壞誘發失穩的特征，將對402 工作面開采造成較大影響。

5 結 語

1）紅慶河煤礦鄰空寬煤柱402 工作面上方存在多層層厚較大的關鍵層，關鍵層的存在會使支承壓力的峰值以及影響范圍顯著增加。

2）工作面鄰空回采時，工作面前方煤巖體更容易達到極限狀態，煤巖體的破裂、失穩容易誘發大量的微震事件；并且受相鄰采空區影響，采空區0～120 m 區域頂板結構的穩定性較差，容易誘發大能量微震事件。

3）鄰空寬煤柱工作面回采受頂板巖層結構影響較大，工作面之間覆巖產生協同運動后，采空區上覆巖層再次發生運動與失穩，增加了覆巖破壞高度；并且區段煤柱具有發生壓縮變形的趨勢，整體表現出煤柱破壞誘發失穩的特征。