湯國水，朱志潔，韓永亮，李 志

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710054；3.天地科技建井研究院，北京 100013)

基于微震監(jiān)測的雙系煤層開采覆巖運動與礦壓顯現(xiàn)關(guān)系

湯國水1，朱志潔1，韓永亮2，李 志3

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710054；3.天地科技建井研究院，北京 100013)

以大同礦區(qū)雙系煤層開采為研究背景，基于高精度微地震監(jiān)測技術(shù)，研究石炭系特厚煤層8104綜放工作面開采過程中上部侏羅系煤層群復(fù)雜采空區(qū)影響下微震事件時空演化特征，得到雙系煤層影響下覆巖運動與礦壓顯現(xiàn)的關(guān)系。結(jié)果表明：8104工作面接近和進(jìn)入上部侏羅系煤層采空區(qū)對應(yīng)區(qū)域，8104工作面覆巖運動加劇，侏羅系煤層的開采是工作面覆巖運動加劇的主要原因；侏羅系煤柱重疊區(qū)域微震事件密集分布，在工作面的開采擾動和重疊煤柱應(yīng)力傳遞的共同作用下，微震總能量和能量大于105J的震動次數(shù)均處于較高數(shù)值，覆巖運動更加劇烈。臨近采空區(qū)對8104工作面的強(qiáng)烈覆巖運動起到了關(guān)鍵作用，在臨近采空區(qū)和侏羅系覆巖共同作用下，工作面超前微震事件集中，礦壓顯現(xiàn)劇烈。工作面開采擾動、臨近采空區(qū)覆巖運動和侏羅系重疊煤柱的耦合作用，是石炭系綜放工作面礦壓顯現(xiàn)劇烈的根本原因。

雙系煤層；微震監(jiān)測；覆巖運動；特厚煤層；重疊煤柱

大同礦區(qū)主要賦存有侏羅系與石炭系雙系煤層。目前,侏羅系煤層開采已近完畢，石炭系厚及特厚煤層成為主要的開采煤層。石炭系特厚煤層開采后，覆巖發(fā)生運動和破壞，引起侏羅系已穩(wěn)定的覆巖再次移動。雙系煤層的覆巖的相互影響，使得石炭系煤層工作面礦壓顯現(xiàn)更為強(qiáng)烈。對雙系煤層的覆巖運動及影響機(jī)制進(jìn)行研究，為強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的防治提供理論指導(dǎo)。

微震監(jiān)測技術(shù)作為一種起源于地震行業(yè)的新技術(shù)，具有區(qū)域大范圍實時動態(tài)監(jiān)測等特點，可給出巖體發(fā)生破裂的空間位置、時間和能量大小，為監(jiān)測采動覆巖破壞和分析采動覆巖運動特征提供了可能，成為研究煤巖體采動破壞規(guī)律的新技術(shù)。近年來，一些學(xué)者采用微震監(jiān)測對圍巖應(yīng)力演化規(guī)律和覆巖運動規(guī)律進(jìn)行了大量研究。孔令海等[1-4]基于工作面采動覆巖裂隙分布的微震監(jiān)測，分析了煤礦采場上覆巖層運動與圍巖破裂、上覆巖層運動與支承壓力分布、微震事件數(shù)量與支承壓力分布等之間的關(guān)系。蔣金泉等[5-7]根據(jù)現(xiàn)場SOS微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了上、下煤層重復(fù)采動下高位主關(guān)鍵層破斷運移與微震活動之間的關(guān)系。成云海等[8-9]采用微地震定位監(jiān)測技術(shù),對覆巖空間運動結(jié)構(gòu)及應(yīng)力場分布的監(jiān)測,得到采場覆巖空間破裂與采動應(yīng)力場的關(guān)系。竇林名和賀虎[10]利用現(xiàn)場SOS微震監(jiān)測系統(tǒng),對OX、F與T覆巖結(jié)構(gòu)的開采過程中的震源分布規(guī)律進(jìn)行了研究。張鵬海[11]研究采礦活動中的應(yīng)力場、微震活動規(guī)律與圍巖穩(wěn)定性之間的關(guān)系。鄭超等[12]探尋微震監(jiān)測數(shù)據(jù)與應(yīng)力場變量之間對應(yīng)關(guān)系，分析深部礦山開挖條件下圍巖裂隙損傷演化機(jī)制。夏永學(xué)等[13]結(jié)合采煤工作面前方微震事件的分布特征,定量研究煤礦采場超前支承壓力的分布規(guī)律。何江等[14]分析綜放工作面沖擊礦壓的能量來源和力源,利用微震監(jiān)測技術(shù)對綜放工作面覆巖運動的礦震效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測。趙科等[15]通過對現(xiàn)場微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,驗證了礦震事件與上覆巖層運動間的相關(guān)性。綜上所述，目前我國學(xué)者主要基于微震監(jiān)測研究了覆巖運動規(guī)律和支承應(yīng)力分布規(guī)律。對多煤層開采特別是雙系煤層開采，上煤層采空區(qū)和煤柱覆巖影響下的巖層破斷特征及其微震能量傳播規(guī)律方面的研究相對較少。

本文以大同礦區(qū)雙系煤層開采為研究背景，基于微震監(jiān)測方法，對上部侏羅系煤層群煤柱影響下微震事件時空演化規(guī)律進(jìn)行研究，確定雙系煤層影響下的覆巖運動規(guī)律。

1 工程概況

同忻礦8104工作面埋深平均為439 m，工作面走向長度為1 932.6 m，傾向長度為207 m。煤層平均厚度為16.42 m，傾角2°，基本頂為粗礫砂巖，平均厚度為8.20 m，直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度0.78 m。8104工作面上部侏羅系永定莊煤礦的14號煤層、12號煤層、11號煤層和9號煤層，各煤層均已開采完畢，殘留了數(shù)個錯綜復(fù)雜的采空區(qū)。位于侏羅系煤層群下部的14號煤與同忻礦石炭系3-5號煤的距離為130～140 m。

圖1給出了8104工作面500～900 m范圍與侏羅系煤層群各煤柱的對應(yīng)關(guān)系。在8104工作面上覆巖層中存在兩個煤柱重疊區(qū)域：一個是對應(yīng)8104工作面590～650 m的開采位置，該區(qū)域上部4個煤層均有煤柱布置，14號煤層和12號煤為邊界煤柱，11號煤和9號煤為區(qū)段煤柱，暫定義該區(qū)域為邊界煤柱重疊區(qū)域；另一個是對應(yīng)8104工作面720～760 m的開采位置，14號煤、12號煤和11號煤3個區(qū)段煤柱相互重疊，暫定義該區(qū)域為區(qū)段煤柱重疊區(qū)域。

圖1 8104工作面部分區(qū)域與侏羅系煤柱對應(yīng)關(guān)系

臨空巷道底臌和片幫嚴(yán)重、頂板下沉量大、臨空巷道超前底臌1.5～1.7 m，頂板下沉1.3～1.4 m；錨桿(索)斷裂、煤炮響聲頻繁；超前壓力影響范圍大，臨空巷道在超前工作面約100 m范圍內(nèi)巷道變形明顯，在超前工作面30～50 m 范圍巷道變形嚴(yán)重，嚴(yán)重時易引發(fā)沖擊性來壓顯現(xiàn)。

2 雙系煤層開采微震事件時空分布特征

微震監(jiān)測是通過監(jiān)測巖體破裂產(chǎn)生的震動或其他物體的震動，對監(jiān)測對象的破壞狀況、安全狀況等作出評價，從而為預(yù)報和控制災(zāi)害提供依據(jù)的成套設(shè)備和技術(shù)。微震事件的坐標(biāo)反應(yīng)了巖層破裂的位置，微震事件的能量反應(yīng)了巖層運動的劇烈程度，通過微震事件的分析可以得到上覆巖層空間的運動特征。以8104工作面為研究對象，以10 d為單位對工作面的微震事件進(jìn)行統(tǒng)計，對應(yīng)至工作面布置平面圖，研究侏羅系煤層開采與8104工作面覆巖破壞的關(guān)系。

圖2～9給出了8104工作面推進(jìn)過程中部分典型的微震事件分布平面圖。綠色表示能量級別為102J，藍(lán)色表示能量級別為103J，橙色表示能量級別為104J，粉色表示能量級別為105J，紅色表示能量級別為106J。8104工作面回采期間微震事件分布的變化情況如下：

圖2 工作面推進(jìn)380～450 m微震事件分布

圖3 工作面推進(jìn)510～575 m微震事件分布

圖4 工作面推進(jìn)575～640 m微震事件分布

圖5 工作面推進(jìn)710～766 m微震事件分布

圖6 工作面推進(jìn)968～1 027 m微震事件分布

圖7 工作面推進(jìn)1 221～1 285 m微震事件分布

圖9 工作面推進(jìn)1 613～1 645 m微震事件分布

8104工作面由380 m推進(jìn)至450 m，微震事件平面分布如圖2所示。工作面接近上部侏羅系煤層陷落柱邊緣，在“勺”狀陷落柱區(qū)域內(nèi)部出現(xiàn)了密集的微震事件，微震事件能量級別在104J，開采引起上部陷落柱區(qū)域覆巖運動較為劇烈。同時，在工作面前方330 m的侏羅系區(qū)段煤柱重疊區(qū)域出現(xiàn)了能量級別相對較低的102J和103J微震事件密集分布?？梢?，8104工作面的開采引起上部陷落柱區(qū)域覆巖運動加劇，雙系煤層間大范圍的覆巖運動，引起工作面前方的煤柱重疊區(qū)域應(yīng)力升高、微震事件密集分布。由于煤柱重疊區(qū)域與工作面距離較遠(yuǎn)，應(yīng)力增加幅度較小，僅產(chǎn)生了能量級別較低的微震事件。

8104工作面由510 m推進(jìn)至575 m，微震事件平面分布如圖3所示。工作面距區(qū)段煤柱重疊區(qū)域145 m，區(qū)段煤柱重疊區(qū)域的微震事件密集分布，在8105采空區(qū)側(cè)的微震事件能量級別較高，最大達(dá)到105J。在8104工作面的采動影響和8105采空區(qū)的共同作用下，侏羅系重疊煤柱區(qū)域的采空區(qū)一側(cè)應(yīng)力進(jìn)一步升高，產(chǎn)生了能量級別較高的微震事件。

8104工作面由575 m推進(jìn)至640 m，微震事件平面分布如圖4所示。8104工作面在邊界煤柱區(qū)域下方推進(jìn)(590～650 m)，在邊界重疊煤柱作用下，8104工作面上覆巖層微震事件密集分布。同時，8104工作面逐漸接近侏羅系區(qū)段煤柱重疊區(qū)域，在工作面開采和區(qū)段煤柱重疊區(qū)域集中應(yīng)力的共同作用下，區(qū)段煤柱重疊區(qū)域應(yīng)力進(jìn)一步升高，形成了一個覆蓋兩重疊區(qū)域大范圍的微震事件集中區(qū)。從微震事件分布的疏密來看，在8105采空區(qū)側(cè)微震事件更為稀疏，微震的能量級別較高；在8104工作面?zhèn)任⒄鹗录鼮槊芗?，但微震能量級別相對較低；在臨近的8105已采區(qū)、8106已采區(qū)和8107已采區(qū)均有微震事件分布，微震能量均大于104J，個別達(dá)到了106J。

8104工作面由710 m推進(jìn)至766 m，微震事件平面分布如圖5所示。工作面在侏羅系區(qū)段煤柱重疊區(qū)域下方推進(jìn)，在區(qū)段煤柱重疊和工作面的開采擾動的共同作用下，區(qū)段煤柱重疊區(qū)域覆巖運動劇烈，引起工作面后方邊界煤柱重疊區(qū)域覆巖再次失穩(wěn)，進(jìn)而產(chǎn)生了大范圍的密集微震事件。在臨近的8105已采區(qū)、8106已采區(qū)和8107已采區(qū)具有微震事件分布，微震能量均大于104J，最大達(dá)到了106J。

8104工作面由968 m推進(jìn)至1 092 m，微震事件平面分布如圖6所示。微震事件分布開始向工作面前方轉(zhuǎn)移，達(dá)到了工作面前方200～250 m。在此過程，微震事件集中分布的密集程度有所降低，煤柱集中區(qū)域的微震密集分布現(xiàn)象逐漸消失。微震事件傾向達(dá)到了臨近多個采空區(qū)。走向達(dá)到工作面前方200～250 m、工作面后方對應(yīng)侏羅系邊界煤柱集中區(qū)域。

8104工作面由1 092 m推進(jìn)至1 560 m，微震事件平面分布如圖7所示。微震事件的密集程度進(jìn)一步降低，隨著工作面的推進(jìn)，工作面后方煤柱重疊區(qū)域的微震事件逐漸減少。微震事件在工作面前方和后方的分布范圍較大，工作面前方一般為200～250 m，最大達(dá)到了300 m，但隨著工作面接近終采線，超前影響范圍逐漸降低；工作面后方微震事件集中分布在工作面后300～500 m。

8104工作面由1 565 m推進(jìn)至1 645 m，微震事件平面分布如圖8，9所示。工作面接近終采線，微震事件變得稀疏，在工作面前方僅有零星的微震事件，工作面后方微震事件能量級別為102J，覆巖運動活躍程度降低。

從8104工作面回采過程微震事件分布的變化可以看出：

(1) 8104工作面接近和進(jìn)入上部侏羅系煤層采空區(qū)對應(yīng)區(qū)域，8104工作面覆巖運動加劇，侏羅系煤層的開采是工作面覆巖運動加劇的主要原因；侏羅系煤柱重疊區(qū)域微震事件密集分布，在工作面的開采擾動和重疊煤柱應(yīng)力傳遞的共同作用下，覆巖運動更加劇烈。

(2) 8104工作面推過侏羅系采空區(qū)300 m后，工作面覆巖運動加劇，超前范圍200～300 m范圍和工作面后方300～500 m微震事件密集分布；工作面接近終采線階段，超前范圍微震事件迅速減少直至消失，覆巖運動逐漸變得平緩。由此可見，臨近采空區(qū)對8104工作面的強(qiáng)烈覆巖運動起到了關(guān)鍵作用，在臨近采空區(qū)和侏羅系覆巖共同作用下，工作面超前微震事件集中，礦壓顯現(xiàn)劇烈。

(3) 工作面開采的覆巖運動范圍已波及至臨近的8105已采區(qū)、8106已采區(qū)和8107已采區(qū)3個采空區(qū)，工作面的采空區(qū)側(cè)的微震事件能量級別更高，礦壓顯現(xiàn)更為劇烈。

3 雙系煤層開采微震事件統(tǒng)計特征

圖10，11給出了8104工作面從推進(jìn)387 m至1 704 m的微震總能量和能量大于105J的震動次數(shù)。

圖10 每日震動總能量變化情況

圖11 每日能量大于105 J的震動次數(shù)

由圖11可以看出：

(1) 8104工作面開采至580 m，與上部永定莊14號煤層采空區(qū)的水平距離為70 m，每日最大能量和總能量明顯升高。工作面繼續(xù)推進(jìn)，每日最大能量和總能量始終處于較高的水平。

(2) 8104工作面推進(jìn)750～1 100 m微震總能量和能量大于105J的震動次數(shù)均處于較高數(shù)值，工作面推過重疊煤柱區(qū)域，工作面后方覆巖運動在重疊煤柱作用下，覆巖運動劇烈。

(3) 工作面推過1 550 m接近終采線時微震總能量和能量大于105J的震動次數(shù)有所降低，由于工作面接近臨近采空區(qū)實體煤區(qū)域，工作面與臨近采空區(qū)的相互擾動減緩，覆巖運動強(qiáng)度減弱。

(4) 通過現(xiàn)場礦壓顯現(xiàn)觀測可知，8104工作面推進(jìn)580 m(與上部永定莊14號煤層采空區(qū)的水平距離為70 m)后，5104巷道超前礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。工作面接近終采線時，5104巷道礦壓顯現(xiàn)逐漸減弱。微震監(jiān)測數(shù)據(jù)與實際礦壓顯現(xiàn)情況具有較好的一致性。

4 大同礦區(qū)特厚煤層覆巖破壞與運動特征分析

大同礦區(qū)煤層頂板覆巖以堅硬的砂巖類巖石為主，巖體相對完整、強(qiáng)度較大。煤層開采后，頂板覆巖易形成大塊度的砌體結(jié)構(gòu)，特別是在上部煤層開采的條件下，主關(guān)鍵層的運動將導(dǎo)致上部大范圍的巖層運動。

圖12為在侏羅系煤層的采空區(qū)覆巖載荷作用下，石炭系特厚煤層開采的覆巖運動更為劇烈。在侏羅系煤層已采區(qū)域下回采時，工作面后方300～500 m范圍的采空區(qū)覆巖仍然在運動，引起工作面后方大范圍礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈。

圖12 侏羅系已采區(qū)域?qū)κ肯倒ぷ髅骈_采的影響

石炭系煤層工作面在侏羅系煤柱影響區(qū)域下回采時，覆巖結(jié)構(gòu)如圖13所示。在工作面的開采擾動和煤柱應(yīng)力傳遞的共同作用下，覆巖運動更加劇烈，而在非重疊煤柱區(qū)域覆巖運動相對較平緩。侏羅系重疊煤柱與石炭系覆巖運動的耦合作用，引起大范圍和高強(qiáng)度的覆巖運動。

圖13 侏羅系重疊煤柱對石炭系煤層開采的影響

多個工作面開采后的覆巖結(jié)構(gòu)如圖14所示，石炭系特厚煤層開采后，使得上部侏羅系覆巖活化，通過塊體的水平傳遞作用，引起臨近采空區(qū)覆巖發(fā)生運動。因此，在工作面開采的影響下，臨近采空區(qū)覆巖再次受到擾動，覆巖運動范圍已波及至臨近的8105已采區(qū)、8106已采區(qū)和8107已采區(qū)3個采空區(qū)，在工作面開采擾動和臨近采空區(qū)覆巖運動共同作用下，工作面采空區(qū)側(cè)的覆巖運動更為劇烈。

圖14 石炭系臨近采空區(qū)對工作面開采的影響

侏羅系采空區(qū)覆巖運動和石炭系臨近采空區(qū)覆巖運動的共同作用加劇了石炭系工作面覆巖的劇烈程度，工作面進(jìn)入上部侏羅系采空區(qū)對應(yīng)區(qū)域礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，巷道底臌0.3～0.5 m，頂板下沉0.3～0.6 m，巷道寬4.3 m、高2.1～2.5 m；石炭系工作面推過侏羅系煤柱重疊區(qū)域，工作面臨空巷道在工作面超前范圍變形嚴(yán)重，巷道具有沖擊性來壓顯現(xiàn)，接替工作面臨空巷道產(chǎn)生了底臌。

5 結(jié) 論

(1) 8104工作面接近和進(jìn)入上部侏羅系煤層采空區(qū)對應(yīng)區(qū)域，8104工作面覆巖運動加劇，侏羅系煤層的開采是工作面覆巖運動加劇的主要原因；侏羅系煤柱重疊區(qū)域微震事件密集分布，在工作面的開采擾動和重疊煤柱應(yīng)力傳遞的共同作用下，覆巖運動更加劇烈。

(2) 8104工作面推過侏羅系采空區(qū)300 m后，工作面覆巖運動加劇，超前范圍200～300 m范圍和工作面后方300～500 m微震事件密集分布；工作面接近終采線階段，超前范圍微震事件迅速減少直至消失，覆巖運動逐漸變得平緩。由此可見，臨近采空區(qū)對8104工作面的強(qiáng)烈覆巖運動起到了關(guān)鍵作用，在臨近采空區(qū)和侏羅系覆巖共同作用下，工作面超前微震事件集中，礦壓顯現(xiàn)劇烈。

(3) 工作面開采的覆巖運動范圍已波及至臨近的8105已采區(qū)、8106已采區(qū)和8107已采區(qū)3個采空區(qū)，工作面的采空區(qū)側(cè)的微震事件能量級別更高，礦壓顯現(xiàn)更為劇烈。

(4)工作面開采擾動、臨近采空區(qū)覆巖運動和侏羅系重疊煤柱的耦合作用，是石炭系綜放工作面礦壓顯現(xiàn)距離的根本原因。

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Relationship between overburden strata movement and strata behavior during dual system seam mining based on microseismic monitoring technology

TANG Guo-shui1,ZHU Zhi-jie1,HAN Yong-liang2,LI Zhi3

(1.CollegeofMiningEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China;2.Xi’anResearchInstituteofChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Xi’an710054，China;3.InstituteofMineConstruction,TiandiScience&TechnologyCo.,Ltd.,Beijing100013,China)

With the dual system of coal mining in Datong mining area,the microseismic events space-time evolution characteristics under the influence of complex mined-out area at the upper Jurassic coal seam group during fully-mechanized caving mining at the 8104 coal face in the Carboniferous extremely thick coal seam was investigated based on the high accuracy micro seismic monitoring technology.The relationship of strata movement and rock pressure under the influence of double series coal seams was obtained.The results show that the strata movement of the 8104 working face was enhanced when the 8104 face was close to the corresponding area under the upper Jurassic coal goaf.The coal mining working face in the Jurassic is the main reason for the increase of strata movement at the 8104 coal face.The distribution of seismic events was concentrated at the area with the Jurassic coal pillars overlap,the mining disturbance and the coal pillar overlap in the working face transferred stress,thus the vibration frequency with the total energy greater than 105J was still high.Closing to goaf played a key role in the strata movement at the 8104 working face.Microseismic events in advance at the 8104 coal face were concentrated under the joint action of the adjacent goaf and the Jurassic strata,and the mine pressure appeared sharp.The coupling effects of working face mining disturbance,adjacent goaf strata movement and the Jurassic overlapping coal pillar were the root cause of the mine pressure intensity at of the Carboniferous full-mechanized caving mining face.

dual system seam;microseismic monitoring;overburden strata movement;extremely thick coal seam;overlapping pillar

10.13225/j.cnki.jccs.2016.0661

2016-05-12

2016-07-27責(zé)任編輯:常 琛

國家自然科學(xué)基金資助項目(51274117)

湯國水(1976—)，男，安徽來安人，副教授。E-mail:tgsttgst@126.com。通訊作者：朱志潔(1986—)，男，遼寧調(diào)兵山人，講師。Tel：0418-3350469，E-mail:zhuzhijie036@qq.com

TD324

A

0253-9993(2017)01-0212-07

湯國水，朱志潔，韓永亮，等.基于微震監(jiān)測的雙系煤層開采覆巖運動與礦壓顯現(xiàn)關(guān)系[J].煤炭學(xué)報,2017,42(1):212-218.

Tang Guoshui,Zhu Zhijie,Han Yongliang,et al.Relationship between overburden strata movement and strata behavior during dual system seam mining based on microseismic monitoring technology[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):212-218.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.0661