盧 闖 任合歡 許海亮

（1.吉林省龍家堡礦業(yè)有限責(zé)任公司；2.北方工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院）

礦震是煤巖變形破裂動(dòng)態(tài)演化導(dǎo)致的突發(fā)性動(dòng)力顯現(xiàn)，其誘發(fā)因素主要是有厚頂板、斷層等存在［1］。礦震成因及其發(fā)生的部位多種多樣［2-6］，不同類型礦震對(duì)應(yīng)的防治方法也不同。在對(duì)礦震的預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)中，微震監(jiān)測是較為先進(jìn)和有效的手段之一。微震監(jiān)測系統(tǒng)接收到的每一個(gè)微震信號(hào)都包含著豐富且重要的巖體內(nèi)部狀態(tài)信息，采用微震技術(shù)判斷礦震類型并提出針對(duì)性的防治措施具有重要意義。國內(nèi)外采用微震技術(shù)對(duì)礦震機(jī)制做了大量研究［7-8］，但對(duì)破壞類型的判別還存在判別指標(biāo)單一等問題，需要開展更深入的研究工作。

本研究以龍家堡煤礦為工程背景，利用微震技術(shù)構(gòu)建礦震過程中的物理信息監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)矩張量反演方法計(jì)算礦震過程中的微震指標(biāo)，對(duì)513外段工作面回采過程中發(fā)生的3 次微震事件破壞類型進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的防治措施。

1 工程背景

1.1 工作面開采條件

龍家堡煤礦現(xiàn)開采513外段工作面，礦床西翼為515外段工作面（未發(fā)展）；東翼為411工作面（開采時(shí)間：2015 年9 月—2017 年9 月），綜放開采后形成411采空區(qū)，留設(shè)保安煤柱6 m；南翼為S4斷層，留設(shè)斷層保護(hù)煤柱50 m，工作面保護(hù)煤柱40～99 m，513外段工作面相對(duì)位置關(guān)系如圖1所示。

513 外段工作面煤層為穩(wěn)定的主采煤層，工作面開采深度為1 082～1 212 m，工作面走向長度600 m，傾向回采長度182 m，煤層厚度為8～12 m，平均厚度10 m，傾角為10～20°，平均傾角15°。煤層含2～6層夾矸，夾石厚0.2～0.5 m（局部1.5 m），巖性為灰、灰黑色泥巖和灰白色粗砂巖，泥巖遇水易泥化。采用綜采放頂煤開采，采放高度比不大于1∶3。煤層偽頂為炭質(zhì)泥巖，厚0.5 m，較軟易冒落。直接頂為黑色、灰色泥巖，層理較發(fā)育，塊狀構(gòu)造，夾薄層白色砂巖，性脆較易冒落。老頂為灰綠色凝灰?guī)r及灰綠色礫巖，堅(jiān)硬較脆。煤層老底為角礫巖，灰至灰白色，以凝灰?guī)r礫為主，灰黑色泥巖次之，較硬。直接底為炭質(zhì)泥巖，其中夾有薄層砂巖，厚0.5 m。圖2 為513 外段工作面頂?shù)装鍘r性圖。

1.2 微震監(jiān)測方案

龍家堡煤礦513 外段工作面微震監(jiān)測臺(tái)站布置11臺(tái)拾震器，在回采過程中利用513外段工作面兩側(cè)順槽安設(shè)拾震器。具體位置分別在513 外段工作面運(yùn)輸順槽距開切160、380 m 處和回風(fēng)順槽距開切210、410 m 處，如圖1 所示?；夭蛇^程中保證運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽內(nèi)2臺(tái)拾震器間隔不小于200 m，并隨著工作面不斷推進(jìn)，逐步往外挪動(dòng)拾震器，保證300 m范圍內(nèi)有拾震器包圍回采工作面。

1.3 微震監(jiān)測結(jié)果

微震監(jiān)測系統(tǒng)先后監(jiān)測到3次高能微震事件（如圖1），除運(yùn)輸順槽超前工作面50 m 范圍內(nèi)有零星噴漿碎屑掉落，局部卸壓鉆孔金屬網(wǎng)破損處漏貨外，無支護(hù)異常、無底鼓現(xiàn)象。

2 矩張量反演分析方法

根據(jù)彈性波動(dòng)力學(xué)理論，由裂紋擴(kuò)展在x位置處t時(shí)刻產(chǎn)生的位移可表示成［9］

式中，Gij,k(x,x0,t)為彈性動(dòng)力學(xué)格林函數(shù)的空間導(dǎo)數(shù)；s(t)為震源時(shí)間函數(shù)，并假設(shè)其是一個(gè)脈沖函數(shù)；Mjk為聲發(fā)射源矩張量，是對(duì)聲發(fā)射源力學(xué)性質(zhì)的描述。

Ohstu［10］引入脈沖函數(shù)而忽略了時(shí)間函數(shù)s(t) ，得到半無限空間條件下根據(jù)SiGMA 法簡化的P 波在聲發(fā)射探頭處的初到振幅A(x)

其中，Cs為聲發(fā)射傳感器探頭的校正系數(shù)；R為破裂點(diǎn)到檢出點(diǎn)（探頭）的距離，m；r1、r2、r3表示破裂點(diǎn)到探頭間的方向余弦；Ref(t,r)為傳感器反射系數(shù)，可以表示為

其中，k=vp/vs；vp為彈性縱波波速，m/s；vs為橫波波速，m/s；a=r?t；t為傳感器方位矢量。當(dāng)信號(hào)波由垂直方向到達(dá)試樣表面時(shí)，a= 1，Re(t,r)= 2。

采用優(yōu)勢分類方法判斷微裂紋類型，主要依據(jù)最大特征值對(duì)矩張量的3個(gè)特征值進(jìn)行正則化

其中，X代表剪切部分比例；Y代表張拉偏量部分比例；Z代表靜水拉應(yīng)力部分比例。若X≤40%，判斷為拉伸裂紋；X≥60%，判斷為剪切型裂紋；40%＜X＜60%則為混合型裂紋［11］。

3 微震事件類型分析

按照上述計(jì)算方法對(duì)龍家堡煤礦3 次微震事件進(jìn)行矩張量反演，并結(jié)合微震頻譜圖分析其破裂類型。表1 為龍家堡煤礦3 次微震事件矩張量反演計(jì)算結(jié)果。圖3 為3 次微震事件典型頻譜曲線圖。3 月3 日微震事件的震源點(diǎn)位于S4 斷層附近。此次微震事件矩張量計(jì)算結(jié)果為X=72.52%，破裂類型為剪切破裂，結(jié)果表明S4斷層發(fā)生剪切破壞，由此認(rèn)為此次微震事件是斷層錯(cuò)動(dòng)破壞。由圖3（a）可見，在頻譜曲線圖中，震動(dòng)信號(hào)的頻帶較寬，主要在0～250 Hz，主頻較為明顯，震動(dòng)能量主要集中在0～10 Hz，但高頻區(qū)域振幅也很豐富。

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6 月4 日微震事件的震源點(diǎn)位于S4 斷層附近及411 綜放采空區(qū)老頂巖層附近。此次事件矩張量計(jì)算結(jié)果為X=50.06%，破裂類型為混合破裂，表明在S4 斷層的切割作用下，工作面初采段頂板覆巖呈孤立的斷續(xù)巖體，形成彈性能積聚；經(jīng)過移架、割煤、放煤活動(dòng)，導(dǎo)致頂板覆巖活動(dòng)發(fā)生彎曲破壞，誘發(fā)了S4斷層（走向）剪切滑移，由此認(rèn)為此次微震事件為頂板斷裂和斷層錯(cuò)動(dòng)耦合破壞。由圖3（b）可見，在頻譜曲線圖中，震動(dòng)信號(hào)的頻帶較寬，主要在0～200 Hz。主頻較不明顯，震動(dòng)能量主要集中在0～150 Hz，既包含頂板斷裂頻譜曲線特征、又包含斷層錯(cuò)動(dòng)頻譜曲線特征。

8 月27 日微震事件的震源點(diǎn)位于采空區(qū)老頂巖層附近。此次事件的矩張量計(jì)算結(jié)果為X=10.98%，破裂類型為張拉破裂，表明工作面長時(shí)間停產(chǎn)，造成采空區(qū)老頂巖層彎曲下沉量不斷增加，彎曲彈性能逐漸積聚；復(fù)產(chǎn)后工作面開采擾動(dòng)進(jìn)一步加劇了頂板下沉，由此認(rèn)為此次微震事件是頂板斷裂破壞。由圖3（c）可見，在頻譜曲線圖中，震動(dòng)信號(hào)的頻帶較寬，主要在0～200 Hz。主頻較為明顯，震動(dòng)能量主要集中在50～150 Hz，其他頻率振幅較少。

4 礦震防治措施

在前述微震事件破壞類型分析的基礎(chǔ)上，針對(duì)龍家堡煤礦具體情況提出沖擊地壓防治措施。

（1）做到生產(chǎn)服從防沖需要。回風(fēng)順槽向下30 m 范圍、運(yùn)輸順槽向上30 m 范圍嚴(yán)禁放頂煤，且初次見方前和見方后的50 m范圍采放高度不得超過8 m。

（2）確保超前支護(hù)強(qiáng)度和有效性。在工作面推采至60 m 前，兩巷逐步安裝圓弧頂梁巷道防沖液壓支架加強(qiáng)支護(hù)，且在兩巷圓弧頂梁巷道防沖液壓支架安裝完成前通過降低開采速度來減緩開采擾動(dòng)。

（3）施工卸壓鉆孔孔深增加到30 m，S4斷層區(qū)域孔深增加到40 m，孔間距不得超過1 m，孔徑不小于153 mm。

（4）采取頂板切縫卸壓技術(shù)，對(duì)工作面上下順槽圍巖及頂板進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)卸壓，爆破施工前開切及兩順槽，與爆破無關(guān)作業(yè)人員全部撤離，躲炮半徑不小于300 m，躲炮時(shí)間不小于30 min。

5 結(jié) 論

（1）根據(jù)矩張量反演方法計(jì)算得出，龍家堡煤礦3 次微震事件分別為頂板斷裂破壞、斷層錯(cuò)動(dòng)破壞以及頂板斷裂和斷層錯(cuò)動(dòng)耦合破壞。

（2）斷層錯(cuò)動(dòng)破壞主頻主要集中在0～10 Hz，其次高頻區(qū)域振幅也很豐富；頂板斷裂破壞主頻主要集中在50～150 Hz，其他頻率振幅較少；頂板斷裂和斷層錯(cuò)動(dòng)耦合破壞，既包含頂板斷裂頻譜曲線特征、又包含斷層錯(cuò)動(dòng)頻譜曲線特征，主頻主要集中在0～150 Hz，主頻較不明顯。

（3）應(yīng)在工作面推采至60 m 前，兩巷增設(shè)圓弧頂梁巷道防沖液壓支架加強(qiáng)支護(hù)；將卸壓鉆孔孔深增加到30m，并采取頂板切縫卸壓技術(shù)，對(duì)工作面上下順槽圍巖及頂板進(jìn)一步補(bǔ)強(qiáng)卸壓。