呂鵬飛，包鑫陽(yáng)，董紅娟

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.沈陽(yáng)焦煤股份有限公司紅陽(yáng)三礦，遼寧 燈塔 111307)

微震監(jiān)測(cè)是礦山工程中常用的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)礦震、沖擊地壓等動(dòng)力現(xiàn)象的手段[1]。礦山工程中微震的發(fā)生歸根結(jié)底是由于產(chǎn)生了采動(dòng)影響，工作面回采造成圍巖的變形、開(kāi)裂和破壞是導(dǎo)致微震發(fā)生的根本原因。因此，工作面的回采與微震的發(fā)生之間必然存在一定聯(lián)系。尹萬(wàn)蕾等[2]研究了不同回采條件下礦震分布特征及對(duì)沖擊地壓發(fā)生的影響，認(rèn)為強(qiáng)震或沖擊地壓災(zāi)害多數(shù)發(fā)生在礦震活動(dòng)周期峰值附近。陳學(xué)華等[3]、閆憲磊等[4]、呂鵬飛等[5-7]基于微震監(jiān)測(cè)研究了礦震孕災(zāi)機(jī)理，認(rèn)為強(qiáng)震發(fā)生通常與工作面堅(jiān)硬頂板和回采速度變化密切相關(guān)。張宏偉等[8]以大同礦區(qū)為研究背景，分析了三硬條件下工作面的安全回采速度，認(rèn)為三硬條件下工作面回采速度小于3.6 m/d時(shí)，大能量礦震或沖擊地壓不會(huì)發(fā)生。朱志潔等[9]運(yùn)用數(shù)值模擬和微震監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法分析了特厚煤層工作面回采速度對(duì)礦壓顯現(xiàn)的影響，認(rèn)為回采速度與工作面周期來(lái)壓步距和支架動(dòng)載系數(shù)正相關(guān)。陳通等[10]以澄合礦區(qū)董家河煤礦22517工作面為例分析了長(zhǎng)臂工作面采動(dòng)應(yīng)力對(duì)微震分布的影響，認(rèn)為采動(dòng)影響產(chǎn)生的微震震源主要集中在煤壁支撐影響區(qū)和離層區(qū)。

前人對(duì)工作面回采與礦震、沖擊地壓發(fā)生的關(guān)系作了大量研究，基本上一致認(rèn)同微震監(jiān)測(cè)可有效反應(yīng)采動(dòng)煤巖體及其圍巖破裂、破壞程度，推演礦震或沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的可能性。本文基于大量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究工作面回采速度、回采進(jìn)尺及采動(dòng)應(yīng)力對(duì)工作面微震發(fā)生的影響規(guī)律，以期為煤礦礦震、沖擊地壓的防治提供借鑒。

1 回采速度對(duì)微震活動(dòng)的影響

1.1 大能量礦震前后的回采速度特征

東灘煤礦43上13工作面和63上04工作面回采及地質(zhì)情況類(lèi)似，是目前兗州礦區(qū)最常見(jiàn)的地質(zhì)及開(kāi)采條件。43上13工作面和63上04工作面煤層厚度分別為5.1 m和5.25 m，近水平煤層，綜采一次采全高開(kāi)采方式，開(kāi)采深度分別為625 m和678 m，工作面斜長(zhǎng)都為260 m，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，且都為軌順側(cè)沿空開(kāi)采工作面。煤層上覆50～120 m范圍內(nèi)賦存一組以砂巖為主，夾雜少量泥巖的堅(jiān)硬巖層，堅(jiān)硬巖層厚度30～50 m不等。該組堅(jiān)硬巖層破斷過(guò)程中常常引起2.0級(jí)以上礦震事件，是誘發(fā)工作面動(dòng)力顯現(xiàn)的主要原因。因此，采集東灘煤礦43上13工作面和63上04工作面分別選取6個(gè)月的回采速度資料，并將這一期間發(fā)生的2.0級(jí)以上礦震事件標(biāo)注在圖1中，據(jù)此分析工作面回采速度對(duì)微震活動(dòng)的影響。

由圖1可知，大能量礦震發(fā)生前回采速度通常發(fā)生較劇烈的變化，主要表現(xiàn)為：①43上13工作面5月26日、8月30日，63上05工作面4月13日發(fā)生大能量礦震之前都經(jīng)歷了5～8 d的停采，停采過(guò)后回采速度提升較快，誘發(fā)頂板強(qiáng)烈震動(dòng)；②43上13工作面6月14日、6月21日2次大能量礦震，63上04工作面4月18日、4月22日、4月27日、4月29日連續(xù)4次大能量礦震之前的回采速度持續(xù)上升，并呈現(xiàn)頻繁的波動(dòng)變化；③43上13工作面10月6日、10月19日、10月27日3次大能量礦震，63上04工作面5月17日、6月2日、6月20日、7月18日、7月25日、7月29日、8月2日7次大能量礦震發(fā)生之前，回采速度下降后突然或連續(xù)升高，爆發(fā)大能量礦震。因此，認(rèn)為回采速度對(duì)大能量礦震發(fā)生影響較大，工作面停采后再次回采時(shí)，應(yīng)緩慢增加采速；開(kāi)采遇斷層時(shí)應(yīng)均勻放慢回采速度，盡量降低對(duì)圍巖的擾動(dòng)，避免開(kāi)采速度不均造成應(yīng)力突增突降。

圖1 回采速度與大能量礦震關(guān)系曲線(xiàn)

Fig.1 Relationship curve between mine earthquakes and mining speed

圖2 不同采速下各能量級(jí)別的微震頻次、能量

Fig.2 Time and energy of microseism of every energy degree in different mining speed

1.2 回采速度與微震頻次、能量相關(guān)性擬合分析

對(duì)工作面回采速度的分類(lèi)統(tǒng)計(jì)可直觀辨識(shí)大能量礦震前后的回采速度特征，將回采速度分成5個(gè)等級(jí)，然后將對(duì)應(yīng)期間每日監(jiān)測(cè)到的微震事件歸類(lèi)到各個(gè)回采速度等級(jí)中，再分類(lèi)統(tǒng)計(jì)不同采速和震能等級(jí)下的微震特征，結(jié)果見(jiàn)表1。再按照回采速度和震動(dòng)能量等級(jí)分析其日均震動(dòng)頻次和能量特征，并將微震頻次、能量特征曲線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合分析，如圖2所示。

由圖2可知，低能微震事件與回采速度呈明顯線(xiàn)性關(guān)系，高能微震頻次、能量與回采速度呈非線(xiàn)性關(guān)系。由圖2(a)～(c)可知，在全部能量與低能量級(jí)別下的微震頻次與回采速度之間成良好的線(xiàn)性關(guān)系。能量級(jí)別在0～102J的回歸直線(xiàn)斜率為1.8，能量級(jí)別在102～103J的回歸直線(xiàn)斜率為1.45，說(shuō)明能量級(jí)別在0～102J的微震事件比能量級(jí)別在102～103J的微震事件隨回采速度增加的快，也說(shuō)明回采速度的增加促使低能量微震事件向高能量微震事件轉(zhuǎn)移。當(dāng)工作面回采速度大于4 m/d時(shí)，大能量微震事件頻次和能量釋放非穩(wěn)定程度增強(qiáng)，因此認(rèn)為當(dāng)回采速度大于4 m/d時(shí)，發(fā)生大能量礦震和沖擊地壓的危險(xiǎn)性大大增加。

表1 不同回采速度下各能量級(jí)別的微震統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2 回采進(jìn)尺與大能量礦震發(fā)生的關(guān)系

地震學(xué)相關(guān)研究表明天然地震在發(fā)生時(shí)空上都具有周期特性[11-13]。因此，對(duì)東灘煤礦43上13工作面回采過(guò)程中2.0級(jí)以上礦震事件發(fā)生的時(shí)間、位置關(guān)系進(jìn)行分析，以期揭示回采進(jìn)尺與微震發(fā)生的關(guān)系。先后以100 m和50 m作為一個(gè)進(jìn)尺周期，統(tǒng)計(jì)每個(gè)周期內(nèi)大能量礦震次數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，東灘煤礦43上13工作面回采431 m范圍內(nèi)大能量礦震周期特性并不明顯，這可能與距離開(kāi)切眼約450 m位置的煤層夾矸分叉線(xiàn)有關(guān)，工作面回采初期的煤厚分布不穩(wěn)定，斷層較多；同時(shí)夾矸分叉也會(huì)引發(fā)一定程度的應(yīng)力集中，為應(yīng)力傳遞提供良好的通道，這些都是大能量礦震并未呈現(xiàn)出明顯周期特性的原因。在工作面回采431 m之后，大能量礦震的周期特性表現(xiàn)為100 m的大周期范圍內(nèi)存在50 m的小周期，一個(gè)大周期內(nèi)約發(fā)生4次大能量礦震，一個(gè)小周期內(nèi)約發(fā)生2次大能量礦震。將礦震周期特性與工作面礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果結(jié)合起來(lái)發(fā)現(xiàn)，大周期和小周期分別對(duì)應(yīng)6次和3次基本頂周期來(lái)壓。

表2 大能量礦震與回采進(jìn)尺關(guān)系

續(xù)表2

日期當(dāng)日進(jìn)尺/m累計(jì)進(jìn)尺/m進(jìn)尺范圍/m進(jìn)尺周期/m2015-08-271.50661.5631～681502015-08-306.00676.52015-09-034.50693.7681～731502015-09-070.50704.52015-09-233.50753.5731～781502015-10-064.00811.3781～831502015-10-094.50821.8

3 采動(dòng)應(yīng)力對(duì)工作面微震分布的影響

3.1 數(shù)值模型建立

為揭示采動(dòng)應(yīng)力與微震分布之間的關(guān)系，以東灘煤礦63上05工作面為背景，建立FLAC3D三維數(shù)值模型，如圖3所示。模型尺寸長(zhǎng)×寬×高=605 m×900 m×160 m，共建立193 860個(gè)單元，203 294個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中各巖層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。 按照現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果，模型X方向施加10.31～24.95 MPa梯度應(yīng)力，Y方向施加1.69～9.62 MPa梯度應(yīng)力，頂部施加14.25 MPa等效均布載荷，Z軸設(shè)置為自重載荷，計(jì)算中選用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則。模擬分析工作面推進(jìn)到不同位置時(shí)的垂直應(yīng)力分布規(guī)律，然后將對(duì)應(yīng)期間現(xiàn)場(chǎng)微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的震源分布情況通過(guò)地理坐標(biāo)疊加到對(duì)應(yīng)回采階段的垂直應(yīng)力平面分布云圖上，對(duì)比分析采動(dòng)應(yīng)力對(duì)微震震源分布的影響，如圖4所示。

圖3 三維模型

Fig.3 3D model

表3 煤巖力學(xué)參數(shù)

圖4 垂直應(yīng)力云圖上的微震分布

Fig.4 Microseismic distribution in vertical stress cloud map

3.2 采動(dòng)應(yīng)力與微震分布的疊加效應(yīng)分析

由圖4可知，第一，隨63上05工作面推進(jìn)，微震系統(tǒng)定位到的震源絕大多數(shù)集中在采空區(qū)后方的應(yīng)力降低區(qū)及臨近的64上04采空區(qū)，少部分集中在煤壁前方應(yīng)力升高區(qū)，在原巖應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)分布較少；第二，工作面初采階段，應(yīng)力水平較低，幾乎不產(chǎn)生大能量微震事件，隨回采進(jìn)度及強(qiáng)度增加，工作面整體應(yīng)力增大，大能量微震事件出現(xiàn)并持續(xù)增加，微震頻次也有增加趨勢(shì)；第三，工作面回采200～300 m和500～600 m區(qū)域時(shí)，這兩個(gè)區(qū)域是工作面一次“見(jiàn)方”和二次“見(jiàn)方”區(qū)域，大能量微震事件相比之下都較之前的回采階段明顯增多，尤其在工作面回采500～600 m區(qū)域時(shí)更為明顯，說(shuō)明工作面“見(jiàn)方”引發(fā)的頂板周期大壓容易促使大能量震動(dòng)頻發(fā)。綜上認(rèn)為，工作面整體應(yīng)力水平的提高有助于大能量震動(dòng)事件的產(chǎn)生。周期來(lái)壓、工作面“見(jiàn)方”等時(shí)段是防震減災(zāi)的重要時(shí)期。

4 結(jié) 論

1) 回采速度突增突降是誘發(fā)大能量礦震爆發(fā)的主要原因，勻慢速回采是有效降低大能量震動(dòng)事件爆發(fā)的途徑；工作面回采速度增大，微震頻次和能量的非線(xiàn)性趨勢(shì)增強(qiáng)，回采速度大于4 m/d時(shí)，工作面發(fā)生大能量礦震和沖擊地壓的危險(xiǎn)性大大增強(qiáng)。

2) 大能量礦震發(fā)生具有一定周期特性，在東灘煤礦43上13工作面表現(xiàn)為100 m大周期內(nèi)存在50 m的小周期，一個(gè)大周期大致對(duì)應(yīng)4次基本頂周期來(lái)壓。

3) 微震震源絕大多數(shù)集中在采空區(qū)后方的應(yīng)力降低區(qū)，少部分集中在煤壁前方應(yīng)力升高區(qū)，周期來(lái)壓、工作面“見(jiàn)方”時(shí)段為大能量礦震頻發(fā)時(shí)段。