梁運培，王海濱，李全貴，胡良平，姜志忠，宋明洋

(1.煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶 400044；2.重慶大學 資源與安全學院，重慶 400044)

隨著煤礦開采深度的不斷增加，許多煤礦已進入了深部開采的范疇，我國的新汶礦業(yè)孫村煤礦開采深度已達到了1 500 m[1]。煤礦開采深度越大，地質條件越復雜，巷道掘進和煤礦開采過程中承受的圍巖應力也越大。工作面開采造成的頂板巖層破裂和垮落通常會產生能量不一的微小震動，即微地震(微震)。微震監(jiān)測技術的現(xiàn)場應用已經趨于成熟，該技術能夠準確記錄微震發(fā)生時的能量大小、位置和時間，同時具備遠距離、實時觀測、持續(xù)監(jiān)測、隨時調用等特點[2-4]，能夠更加精準細致地研究井下開采活動與巖層運動之間的關系[5-7]。

微地震技術主要應用于巖體破壞及移動、礦壓顯現(xiàn)監(jiān)測等領域。姜福興[8]、Liu Jianpo[9]等根據(jù)微震能量在煤樣中的傳播特征，確定了微震監(jiān)測合理的定位方法，同時提高了定位的準確度，為后續(xù)微震定位技術的研究提供了依據(jù)和參考；湯國水[10]、王德超[11]、郭小銘[12]等采用高精度微地震監(jiān)測技術研究了采場周圍巖層的破裂形態(tài)；石超弘等[13]利用監(jiān)測設備對工作面推進過程中的礦壓顯現(xiàn)劇烈現(xiàn)象進行長期監(jiān)測，認為局部微震能量和推進度不一致區(qū)域的產生是判定沖擊事件發(fā)生的依據(jù)；王進尚等[14]針對深部開采時工作面承受的高地應力和高水平“雙高”型煤層進行高精度微地震監(jiān)測，成功推斷出煤層底板巖體的破壞范圍；李青鋒等[15]通過理論分析確定了工作面采動時受影響較大的關鍵層和亞關鍵層；張明[16-17]、翟明華[18]等將理論分析、數(shù)值模擬和微震監(jiān)測技術相結合，分析采動應力與硬巖運動之間的關系，研究表明巖層的軟硬和厚度是造成覆巖結構多樣性和應力演化復雜性的主要因素。目前，將微地震監(jiān)測技術和實際周期來壓步距數(shù)據(jù)相結合，開展微震能量變化與周期來壓之間量化關系研究的文獻較少，有必要針對這方面內容進行研究。

筆者通過研究微震事件發(fā)生的密集度、微震事件發(fā)生高度、工作面推進步距與周期來壓及上覆巖層運動之間的關系，分析采動應力場對巖層運動的影響，以期得出工作面采動的有效影響范圍、周期來壓步距與微震能量之間的關系，對被研究工作面及相似條件采煤工作面的安全高效生產具有指導意義。

1 巖層移動的監(jiān)測方案

1.1 煤礦地質條件

內蒙古察哈素煤礦設計產量為1 000 萬t/a，3-1煤層位于侏羅系中下統(tǒng)延安組上部，屬全區(qū)可采穩(wěn)定煤層，是井田的主要可采煤層之一。31313工作面位于3-1煤層，煤巖組分以暗煤為主，亮煤次之。煤層傾角總體變化較小，煤層走向為165°，傾向為255°，為近水平煤層。工作面所在煤層厚度為5.11～6.95 m，平均煤厚為5.98 m。煤巖層結構簡單，屬于易采煤層。

1.2 微地震監(jiān)測煤巖破裂的基本原理

煤巖層在周圍巖體應力作用下發(fā)生破壞時會產生微小地震和聲波。采用多組檢波器實時采集微地震數(shù)據(jù)并傳輸至微震監(jiān)測軟件中，通過算法將微小地震發(fā)聲位置顯示在三維地圖中[19]。同時可根據(jù)震源情況分析煤巖層破裂尺度和性質。

(1)

式中：τi為事件i發(fā)生的時間；u為慢速場；ds為路徑單位長度。

震源坐標(x1，x2，x3)、微震發(fā)生時間、射線路徑和慢速場都是未知的，到達時間和事件位置之間呈高度非線性關系。

(2)

式中Δxl(l=1,2,3)和δu分別為震源微震在三分量上的擾動和沿射線路徑的地震慢速擾動。

式(2)代表微震事件i到達檢波器k的觀測與理論時間差，將式(2)減去另一微震事件j到達同一檢波器的觀測和理論時間差，得到式(3)：

(3)

假設這兩個事件距離較近，從兩個事件到同一檢波器的路徑幾乎相同，且速度結構已知，則式(3)可簡化為：

(4)

公式(4)為雙差地震定位算法[20-21]。

1.3 布置方案

基于煤體破裂定位方法的分析，將8個檢波器平均分為2組，每組4個，檢波器通過人工方式隨工作面的推進而向前移動。微地震監(jiān)測系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 微地震監(jiān)測系統(tǒng)布置示意圖

檢波器的布置參數(shù)如表1所示。

表1 檢波器布置參數(shù)

HF1～HF4對應回風巷道的4個測點，JY1～JY4對應膠運巷道的4個測點，測點位于距離煤壁表面3 m深的孔中。察哈素煤礦煤巖層柱狀圖如圖2所示。

圖2 察哈素煤礦煤巖層柱狀圖

2 結果分析

2.1 微震事件整體分布范圍分析

選取2020年5月份的微地震監(jiān)測結果進行分析。

在監(jiān)測時間段內工作面共推進了307 m，且推進工作面范圍內的煤層地勢平緩、煤巖體結構簡單，能夠完整反映工作面正常推進時巖層移動的全過程。

采用“固定工作面”法研究微震事件的分布情況，由此得到的固定工作面圖能比較真實地反映工作面附近的微震事件分布情況。固定工作面微震事件分布揭示的巖層破裂范圍如圖3所示。

圖3 固定工作面微震事件分布揭示的巖層擾動范圍

由圖3可知，在水平方向上，微震事件主要分布在工作面偏向采空區(qū)182 m，以及工作面前后分別為271、173 m的范圍內；在垂直方向上，微震事件大致分布在煤層上方300 m，煤層下方45 m的范圍內?；仫L巷道左側是采空區(qū)，這表明，在采動影響下煤層頂板巖層的破裂主要發(fā)生在工作面推進方向的前方偏采空區(qū)一側。

2.2 微震事件在巖層中的分布規(guī)律分析

對巖層運動的理論研究表明，在采動應力場的上覆巖層中，按照距離采場由遠及近分別為：彎曲下沉巖層、基本頂巖層和直接頂巖層。在垂直方向上，距采場越近的煤層其破裂程度越高?？梢酝ㄟ^分析微震事件的分布規(guī)律推斷出巖層縱向斷裂高度。

由圖3可看出，在縱向方向上微震事件分布表現(xiàn)為：高密度、大能量事件集中發(fā)生在距離工作面較近的低位巖層中；低密度、小能量事件分布在距離工作面較遠的中位巖層和高位巖層中。

將2020年5月份每天所發(fā)生的微震事件高度進行對比，得到不同高度巖層微震事件如圖4所示。

A—高密度周期性破裂；B—密集破裂；C—高位巖層低密度破裂；D—低位巖層高密度破裂。

按照微震事件發(fā)生的密集程度，可將微震事件發(fā)生的高度按照距離采場所在層位遠近劃分為3個區(qū)域：低位巖層(0～18 m)，中位巖層(18～60 m)，高位巖層(60～300 m)。分析3個不同層位的微震事件分布規(guī)律可知：中位巖層和高位巖層斷裂具有一定的周期性規(guī)律;低位巖層發(fā)生的微震事件密度明顯比高位巖層大，觀測不到明顯的規(guī)律性。這表明低位巖層的破裂程度比中、高位巖層破裂程度大，即不同層位的巖層受采動應力場的影響程度不同。

結合礦山壓力理論和微地震事件在采場上覆巖層的分布規(guī)律，對照31313工作面地質柱狀圖，進一步分析得到綜采工作面在縱向方向上，發(fā)生高密度破裂的低位巖層為直接頂巖層，即垮落帶；發(fā)生低密度周期破裂的中位巖層為基本頂巖層，即斷裂帶；60 m 以上為彎曲帶。結合圖3和圖4的有效微地震的分布規(guī)律分析可知，在中高位巖層發(fā)生下沉、彎曲破裂后的1～2 d內，低位巖層持續(xù)發(fā)生破裂。之后，微地震事件再由低位巖層發(fā)展至高位巖層，表明高位巖層斷裂強迫低位巖層斷裂，同時伴隨一系列破裂事件的發(fā)生。

統(tǒng)計2020年5月份每天微地震事件能量和的分布情況，如圖5所示。

圖5 2020年5月份每天微地震事件能量和的分布情況

由圖5可知，微震事件能量和的分布具有明顯的規(guī)律性，同樣伴隨著波峰和波谷周期性出現(xiàn)，即每隔一段時間微震事件能量和就會迎來一次最大值。能量和周期性分布及高位巖層破裂周期性的出現(xiàn)均驗證了微震事件的發(fā)生具有規(guī)律性。研究結果表明，應用微震監(jiān)測手段得到的數(shù)據(jù)能夠較好地反映巖層運動的實際情況。

2.3 微震頻次與周期來壓規(guī)律分析

結合前文分析可知，在微地震監(jiān)測到的上覆巖層運動中，直接頂?shù)钠屏烟幱诒容^活躍的狀態(tài)，直接頂?shù)钠屏芽梢杂芍芷趤韷翰骄噙M行判斷。通過分析日微震頻次研究監(jiān)測數(shù)據(jù)和工作面上覆巖層礦壓顯現(xiàn)之間的關系。結合31313工作面的具體情況，以事件數(shù)大于10作為工作面基本頂破裂的判據(jù)，將監(jiān)測結果及其對應的工作面推進距離繪制成圖，如圖6 所示。

圖6 微地震事件數(shù)揭示的工作面周期來壓

由圖6可知，31313工作面5個周期來壓步距分別為26、23、19、27、22 m，平均周期來壓步距為23.4 m。為確定察哈素煤礦31313工作面周期來壓步距,需驗證由監(jiān)測數(shù)據(jù)推斷得到的周期來壓規(guī)律的準確性。察哈素煤礦在2個月時間內周期來壓步距的統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 周期來壓步距統(tǒng)計數(shù)據(jù)

由表2求得2個月的平均周期來壓步距為12 m。由圖6可以看出，兩相鄰波峰出現(xiàn)的時間段內工作面走過的距離的平均值與周期來壓步距之間有確定的數(shù)量關系，即：通過分析記錄微震事件日頻次曲線得到兩相鄰波峰出現(xiàn)的時間段內工作面推進的平均距離是23.4 m，是實際來壓步距的2倍左右。該結果證明，通過設定單日微地震事件數(shù)閾值作為頂板巖層破裂的判據(jù)，利用微地震監(jiān)測技術研究工作面上覆巖層的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律是切實可行的。

3 上覆巖層運動規(guī)律的數(shù)值模擬

為了驗證低位巖層、中位巖層和高位巖層分布范圍的準確性，利用3DEC數(shù)值模擬軟件進行驗證。3DEC是三維離散單元數(shù)值模擬軟件，能夠很好地模擬煤層開挖后上覆巖層的變形和破壞過程，故采用3DEC軟件對上述規(guī)律進行驗證。

各煤巖層的物理力學性質參數(shù)如表3所示。

表3 各煤巖層物理力學性質參數(shù)

依據(jù)3煤取心得到的巖層柱狀圖劃分模型中各巖層范圍，按照采場工作面實際走向長度將模型開挖單元長度設置為160 m，開挖煤層厚度設置為5.5 m。31采區(qū)煤層傾角為1°～3°，屬于近水平煤層，設置模型傾角為0°。煤巖層劃分模型如圖7所示。

圖7 煤巖層劃分模型

根據(jù)實際情況，采用莫爾-庫侖塑性模型進行求解。模型開挖后的覆巖位移模擬結果如圖8所示。

圖8 開挖后上覆巖層位移云圖

由圖8可知，數(shù)值模擬所得低位垮落破碎巖層和中位斷裂帶巖層的厚度分別為20、55 m。這與上文分析得到的低位巖層高度0～18 m，中位巖層高度18～60 m的結論基本一致。數(shù)值模擬結果較好地驗證了微地震監(jiān)測的可靠性和數(shù)據(jù)分析的準確性。

4 結論

1)分析周期性的微震事件，能夠確定不同層位之間的位置關系，即：采場上方0～18 m為直接頂(低位巖層)，18～60 m為基本頂(中位巖層)，60～300 m為高位巖層；高位巖層微震事件發(fā)生頻率比中位巖層微震事件發(fā)生頻率低。

2)內蒙古察哈素煤礦31313工作面2個月平均周期來壓步距為 12 m，分析微震事件單日頻次曲線圖中兩相鄰波峰出現(xiàn)的時間段內工作面平均推進距離為23.4 m，約為實際周期來壓步距的2倍。通過分析察哈素煤礦31313工作面采區(qū)微震事件，發(fā)現(xiàn)微震單日頻次曲線能夠與周期來壓步距之間建立確定的數(shù)量關系。

3)利用3DEC數(shù)值模擬軟件驗證了綜采工作面上覆巖層不同破裂程度所對應的巖層分布范圍，證明微震監(jiān)測技術能夠有效反演上覆巖層的破裂和運動規(guī)律，可為礦井的安全高效生產提供有效指導。