周金艷，桂二國(guó)，扈勇亮

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 0540002.河北省礦井微震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000；3.冀中能源峰峰集團(tuán) 邯鄲寶峰礦業(yè)有限公司 九龍礦，河北 邯鄲 056200）

0 引言

為了提高煤炭資源采出率，許多煤礦將切眼布置在斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造附近，整個(gè)工作面呈現(xiàn)“刀把狀”不等長(zhǎng)的情況，推進(jìn)過(guò)程中需要加減支架。這就導(dǎo)致應(yīng)力場(chǎng)變化復(fù)雜，對(duì)工作面安全回采造成一定影響。很多學(xué)者對(duì)不等長(zhǎng)工作面覆巖活動(dòng)等進(jìn)行了分析研究，王新豐[1]等采用有限差分軟件FLAC3D 對(duì)不等長(zhǎng)工作面覆巖破壞及支承壓力的分布特征進(jìn)行系統(tǒng)研究，并相應(yīng)模擬出工作面前方應(yīng)力場(chǎng)與位移場(chǎng)的演化規(guī)律。盧幫穩(wěn)[2]以冀中能源股份有限公司邢東礦2225 不等長(zhǎng)工作面為例研究不等長(zhǎng)工作面的覆巖活動(dòng)規(guī)律及受采動(dòng)影響回采巷道的變形規(guī)律。李楊楊[3]等人采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法，分析了臺(tái)階區(qū)域覆巖結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特征和圍巖應(yīng)力演化規(guī)律。孫廣義[4]等人對(duì)平崗東三采區(qū)中部右一不等長(zhǎng)工作面進(jìn)行礦壓觀測(cè)，研究不等長(zhǎng)工作面頂板的活動(dòng)規(guī)律。武文清[5]通過(guò)分析九龍礦突水事故數(shù)據(jù)對(duì)大采深?yuàn)W灰水上工作面底板裂隙突水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，對(duì)類似條件下的涌水量預(yù)測(cè)具有指導(dǎo)意義。

當(dāng)前的研究方法主要集中于數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等，缺乏連續(xù)性，研究結(jié)果與實(shí)際相比有一定差距。而近年來(lái)迅速發(fā)展的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)、連續(xù)、全空間動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、主動(dòng)擾動(dòng)探測(cè)特點(diǎn)，因此對(duì)不等長(zhǎng)工作面開(kāi)展微震監(jiān)測(cè)，對(duì)于研究其頂?shù)装迨录l(fā)育規(guī)律、保障安全回采具有重要的意義。

1 工作面概況

15240 工作面位于礦區(qū)南三采區(qū)東部，東部為NF27斷層，東南部為F1-1斷層，西部為正在回采的152下36 工作面，北部為15238 工作面和152下38工作面采空區(qū)。該工作面走向長(zhǎng)度1063～1072 m，傾斜長(zhǎng)度57～93 m，工作面煤層平均厚度為2.7 m，煤層傾角9°～15°。該面外切眼上方存在多條斷層，2 條較大斷層其中一條傾角為60°，落差為5 m，另一條傾角為65°，落差為6.5 m。結(jié)合多方面因素分析設(shè)計(jì)，最終將工作面布置成傾斜長(zhǎng)度由57～93 m 的不等長(zhǎng)工作面（圖1）。

圖1 15240 工作面布置Fig.1 No.15240 face layout

15240 工作面煤層頂板綜合柱狀圖如圖2 所示，直接頂板為2.2 m 厚砂質(zhì)泥巖，直接底板為2.5 m 厚砂質(zhì)巖層。

圖2 15240 工作面頂?shù)装寰C合柱狀圖Fig.2 No.15240 face roof and floor comprehensive histogram

在15240 工作面布置范圍進(jìn)行了地面區(qū)域治理，治理層段奧灰頂面以下11.4～40 m。經(jīng)區(qū)域治理后水文地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，影響該工作面主要含水層有大煤頂板砂巖含水層、底板野青灰?guī)r巖溶裂隙含水層、山伏青灰?guī)r巖溶裂隙含水層、大青灰?guī)r巖溶裂隙含水層、奧陶系灰?guī)r巖溶裂隙含水層。奧灰含水層與2 號(hào)煤層的間距為160～173 m，由于其分布面積廣、厚度大，具有巨大的動(dòng)、靜儲(chǔ)水量，是威脅工作面安全生產(chǎn)的主要因素。

2 微震系統(tǒng)簡(jiǎn)介及布置

煤礦水害防治微震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)，是利用高精度微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)感知導(dǎo)水通道形成過(guò)程中的巖石破裂，精細(xì)定位處理解釋，對(duì)導(dǎo)水通道形成過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。張黨育[6]等基于微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究工作面過(guò)老巷時(shí)期微震時(shí)空演化規(guī)律，掌握頂板巖層的損傷程度與運(yùn)移特征，為其頂板支護(hù)管理以及進(jìn)行針對(duì)性的災(zāi)害防治提供依據(jù)和參考。左建平[7]等針對(duì)邢東礦2222 工作面深部帶壓開(kāi)采接近臨界值且局部受隱伏斷層等構(gòu)造影響，可能出現(xiàn)底板突水的問(wèn)題，采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶形成過(guò)程，為針對(duì)性注漿治理和安全開(kāi)采提供了重要指導(dǎo)。

結(jié)合工作面監(jiān)測(cè)范圍和地質(zhì)條件等布設(shè)檢波器，通過(guò)檢波器采集井下產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛??；诖宋⒄鹚ΡO(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)能夠感知極其微弱的破裂信號(hào)。通過(guò)對(duì)有效微震事件的定位與分析，同時(shí)結(jié)合微震多屬性參數(shù)成圖。微震系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 微震系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Microseismic system structure

結(jié)合該工作面巷道布置、地質(zhì)條件等情況，設(shè)計(jì)安裝了4 個(gè)監(jiān)測(cè)分站，共計(jì)20 個(gè)單軸檢波器，20 個(gè)通道。此次采用包圍式方式布置在工作面底板，檢波器間距80 ～100 m，如圖4 所示。

圖4 15240 工作面微震系統(tǒng)設(shè)計(jì)平面圖Fig.4 No.15240 face microseismic system design plane

3 不等長(zhǎng)工作面微震響應(yīng)特征

15240 工作面為開(kāi)采2 號(hào)煤工作面，于2021年2 月3 日正式回采。該次監(jiān)測(cè)分析是不同傾斜長(zhǎng)在相同推采長(zhǎng)度下微震事件響應(yīng)特征，結(jié)合工作面巷道布置情況（圖5），傾斜長(zhǎng)為57 m 時(shí)，共推進(jìn)110 m，因此在傾斜長(zhǎng)為93 m 時(shí)，也選取了推進(jìn)110 m，因此采用的數(shù)據(jù)周期為2021 年2 月3 日～3 月28 日，共54 d，共監(jiān)測(cè)到微震事件3394 個(gè)，日均63 個(gè)。

圖5 監(jiān)測(cè)區(qū)域范圍示意Fig.5 Monitoring area range

煤體周圍原巖在受到回采擾動(dòng)情況下，應(yīng)力重新調(diào)整分布，巖體在這個(gè)過(guò)程中其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量微破裂，從而密集發(fā)育微震事件。根據(jù)工作面布置特點(diǎn)、微震事件響應(yīng)特征等將此次監(jiān)測(cè)周期分為窄面階段、由窄變寬階段、寬面階段3 個(gè)。整個(gè)監(jiān)測(cè)周期微震事件發(fā)生頻次柱狀圖如圖6 所示。

圖6 微震事件發(fā)生頻次柱狀圖Fig.6 Microseismic events occurrence frequency histogram

3.1 微震事件頻次特征

回采初期工作面寬度為57 m，2021 年2 月24日，工作面推進(jìn)距離110 m，第一階段回采結(jié)束，推進(jìn)平均速度為4.8 m。在2021 年2 月3 日～23日窄面階段內(nèi)，共監(jiān)測(cè)微震事件774 個(gè)，日均37個(gè)，如圖7 所示。2 月10 日數(shù)量上達(dá)到一個(gè)小高峰，較其他時(shí)間增幅明顯增大，微震事件頂板發(fā)育最大高度為61.2 m，此時(shí)工作面已推進(jìn)30 m，整體能量值也有所上升。分析認(rèn)為初次來(lái)壓，圍巖應(yīng)力釋放劇烈，微震事件響應(yīng)明顯。隨著工作面的推進(jìn)，圍巖應(yīng)力逐漸由失穩(wěn)狀態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，微震事件頻次有所降低。

圖7 各階段總數(shù)與平均數(shù)變化Fig.7 Each stage total number and average number chart

2 月24 日～3 月28 日，即第二、三階段內(nèi)，工作面共推進(jìn)110 m，推進(jìn)平均速度為3.4 m。2 月24 日～2 月28 日，工作面進(jìn)入由窄變寬階段，微震事件數(shù)量為403 個(gè)，日均81 個(gè)。2 月26 日微震事件驟增，平面分布如圖8 所示，主要分布在巷道由窄變寬處，多為近煤層事件，且當(dāng)日頂板事件較多。分析為窄寬工作面對(duì)接過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)變化波動(dòng)大，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，微震事件響應(yīng)靈敏，事件密度增大。

圖8 2 月26 日微震事件平面分布Fig.8 Microseismic events plane distribution on February 26

2021 年3 月1 日～28 日為寬面階段，工作面傾斜長(zhǎng)由57 m 增加至93 m，微震事件總數(shù)2218個(gè)，日均79 個(gè)，比窄面階段要高，比由窄變寬階段要低（圖7）。受到過(guò)渡階段巖層結(jié)構(gòu)變化和能量釋放的沖擊影響，在回采過(guò)程中，微震事件發(fā)育密度較窄面明顯增大。

3.2 微震事件平面分布特征

結(jié)合微震事件平面分布圖可以直觀、深入的了解事件發(fā)育規(guī)律。從圖9 可以看出，回采初期，采線附近頂板事件密度大于底板事件密度，分析認(rèn)為采動(dòng)活動(dòng)的進(jìn)行導(dǎo)致煤層上覆巖體的缺失導(dǎo)致其內(nèi)部受力不均衡，采場(chǎng)圍巖應(yīng)力重新分布，圍巖發(fā)生塑性變形、垮落、破碎等，頂板事件發(fā)育頻次較大，且主要分布在15240 工作面范圍內(nèi)，而底板事件分布在上下巷85 m 范圍內(nèi)，應(yīng)力傳導(dǎo)影響范圍較大。另外一部分事件發(fā)育在斷層附近及巷道拐彎處，分析認(rèn)為該區(qū)域地質(zhì)薄弱區(qū)，且應(yīng)力較為集中，微震事件優(yōu)勢(shì)發(fā)育。隨著回采的推進(jìn)，巖石微破裂發(fā)生位置隨之前移，形成超前擾動(dòng)區(qū)域。

圖9 窄面階段頂、底板事件分布平面圖Fig.9 Roof and floor event plane distribution on narrow plane stage

結(jié)合日?qǐng)?bào)分析（圖10），此階段內(nèi)微震事件超前擾動(dòng)范圍為40 m。

圖10 2 月15 日微震日?qǐng)?bào)平面圖Fig.10 Microseismic daily report plane on February 15

從圖11 可以看出，在由窄變寬后采線周圍微震事件分布密集程度明顯增大。2 號(hào)煤底～野青下層段事件偏向上巷分布，說(shuō)明工作面上部、中部壓力較大。分析認(rèn)為，工作面變寬后，圍巖垮落、變形等范圍隨之變大，工作面北部為15238 和152 下38 工作面采空區(qū)，在采動(dòng)應(yīng)力影響下，覆巖易失穩(wěn)破斷形成裂隙，易發(fā)育微震事件。同時(shí)隨著回采推進(jìn)，采線后方采空區(qū)頂板懸露面積增大，且頂板覆巖受到剪切破壞和拉伸破壞雙重作用，微震事件發(fā)生頻次增大。

圖11 由窄變寬后頂、底板事件分布平面圖Fig.11 Roof and floor event plane distribution after narrow to wide

結(jié)合日?qǐng)?bào)分析（圖12），此階段內(nèi)微震事件超前擾動(dòng)范圍為55 m，較窄面階段擾動(dòng)范圍增大，且采線后方事件頻次增大。

圖12 3 月12 日微震日?qǐng)?bào)平面圖Fig.12 Microseismic daily report plane on March 12

3.3 微震事件垂向分布特征

3.3.1 微震事件發(fā)育層段分析

此次監(jiān)測(cè)周期內(nèi)各層段發(fā)育趨勢(shì)如圖13 所示，主要發(fā)育在2 號(hào)煤以上、2 號(hào)煤底～野青下兩個(gè)層段，僅在3 月8 日日?qǐng)?bào)中出現(xiàn)一個(gè)野青底～山伏青層位事件。在工作面由窄變寬后，頂板、底板事件數(shù)量均有增加，且底板事件增幅明顯大于頂板事件增幅。分析認(rèn)為一方面原因是工作面寬度增大時(shí)，采動(dòng)應(yīng)力增大，微震事件響應(yīng)隨之明顯，頂板圍巖移動(dòng)變形量增大，底板破壞范圍增大，尤其在工作面來(lái)壓時(shí)更為明顯。另一方面原因是工作面由窄變寬區(qū)域，同時(shí)為物探坑透異常區(qū)疊加處，為斷層向工作面延伸的地質(zhì)異常區(qū)，在采動(dòng)應(yīng)力影響下，應(yīng)力集中區(qū)隨之向下擴(kuò)展延伸，底板事件發(fā)生頻次增大。

圖13 各層段事件趨勢(shì)變化圖Fig.13 Each layer events trend

在本文的監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，僅在3 月8 日日?qǐng)?bào)中出現(xiàn)一個(gè)野青底～山伏青層段事件，此時(shí)工作面進(jìn)入寬面推進(jìn)了28 m，當(dāng)日日?qǐng)?bào)中微震事件數(shù)量較前期增加64%，達(dá)到一個(gè)新的小高峰，頂板最大發(fā)育高度為51.83 m，底板最深擾動(dòng)為64.85 m。分析為進(jìn)入寬面后的初次來(lái)壓，采動(dòng)壓力釋放劇烈，應(yīng)力集中使得微震事件數(shù)量增加，擾動(dòng)深度增加，但未波及到山伏青強(qiáng)含水層，未影響正?；夭伞?/p>

15240 工作面野青灰?guī)r含水層與山伏青、大青灰?guī)r含水層之間無(wú)水力聯(lián)系或水力聯(lián)系微弱。微震事件在此層段內(nèi)呈聚集狀分布，形成導(dǎo)水通道的可能性極低，如圖14 所示。

圖14 微震事件沿順巷方向剖面圖Fig.14 Microseismic events profile along the roadway direction

3.3.2 底板破壞深度分析

在充分認(rèn)識(shí)采動(dòng)過(guò)程的應(yīng)力特征和變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過(guò)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)其擾動(dòng)產(chǎn)生的微震事件進(jìn)行監(jiān)測(cè)解釋，分析微震事件垂向發(fā)育層段及分布特征，實(shí)時(shí)獲取底板釆動(dòng)破壞深度，為底板防治水工作提供指導(dǎo)意見(jiàn)。15240 工作面在回采前對(duì)煤層底板薄弱地段進(jìn)行加固改造，使工作面奧灰含水層富水性進(jìn)一步減弱，改造為相對(duì)隔水層，確保工作面安全開(kāi)采。

根據(jù)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)微震底板事件發(fā)育深度統(tǒng)計(jì)，在回采初期，底板發(fā)育深度平均值為11.1 m，由窄變寬之后，底板發(fā)育深度平均值是13.6 m。

根據(jù)施龍青[8]教授針對(duì)煤礦開(kāi)采底板破壞問(wèn)題，得到的非線性回歸修正公式。

通過(guò)式（1） 分別計(jì)算底板破壞深度回采初期為10.7 m，由窄變寬后為13.8 m，見(jiàn)表1。

表1 微震監(jiān)測(cè)底板破壞深度分析Table 1 Floor damage depth analysis under microseismic monitoring

3.3.3 頂板破裂發(fā)育高度分析

在采動(dòng)活動(dòng)進(jìn)行過(guò)程中，圍巖受到采動(dòng)應(yīng)力、地應(yīng)力和靜水壓力等多方面的作用，出現(xiàn)不同程度的破壞。隨著回采推進(jìn)，形成采空區(qū)后，采場(chǎng)圍巖的原巖應(yīng)力場(chǎng)被破壞，使得圍巖應(yīng)力場(chǎng)會(huì)不斷變化趨向再次平衡。采空區(qū)上覆巖層在失去支撐的情況下，受自身重力和地應(yīng)力共同作用下向采空區(qū)移動(dòng)，直到巖層內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)達(dá)到平衡[9]。研究微震頂板事件分布和破裂高度，對(duì)于工作面進(jìn)行頂板水害防治工作、保障工作面安全有序開(kāi)采，具有重要的指導(dǎo)意義。

根據(jù)回采過(guò)程中工作面內(nèi)2 號(hào)煤以上事件發(fā)育高度進(jìn)行3 個(gè)階段統(tǒng)計(jì)，繪制成折線如圖15 所示。3 個(gè)階段內(nèi)占比最大的均為0～10 m，且隨著破裂發(fā)育高度的增大，呈現(xiàn)占比逐漸減小的倒梯形分布趨勢(shì)。但在由窄變寬階段明顯頂板破裂發(fā)育高度增大，分析認(rèn)為此階段在采動(dòng)影響下應(yīng)力變化劇烈，覆巖結(jié)構(gòu)瞬時(shí)突變集中破斷，微震事件破裂發(fā)育高度10～20 m、30～40 m 所占比例明顯增加。

圖15 15240 頂板破裂高度變化折線圖Fig.15 No.15240 face roof fracture height range line chart

3.4 微震事件能量分布特征

結(jié)合微震事件能量所做的趨勢(shì)變化如圖16 折線所示，窄面階段能量較小。由窄變寬階段，能量值大幅增大，結(jié)合大能量事件平面分布如圖17所示，大能量事件主要分布在由窄變寬處（圖中包絡(luò)線范圍內(nèi)），占大能量事件總數(shù)的65.3%，分析認(rèn)為原因是窄寬對(duì)接區(qū)域內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)波動(dòng)大、微震事件觸發(fā)頻次變高，圍巖破碎活動(dòng)頻繁。結(jié)合監(jiān)測(cè)周期內(nèi)微震事件能量變化折線圖與頻次散點(diǎn)圖（圖17），呈現(xiàn)出“低頻次、小能量”—“高頻次、大能量”—“高頻次、小能量”的變化趨勢(shì)，這與圍巖應(yīng)力場(chǎng)被破壞—積聚—平衡這一過(guò)程是相吻合的。如圖17 所示，隨著工作面的正常推采，大能量事件密度由低變高，而后又逐漸降低。在“高頻次、大能量”階段礦方應(yīng)注意加強(qiáng)水文地質(zhì)觀測(cè)。

圖16 每日事件能量變化與頻次示意Fig.16 Daily event energy range and frequency indication

圖17 大能量事件（>10000 J） 平面分布圖Fig.17 Large energy events plane distribution（＞10000 J）

整體分析認(rèn)為，工作面較寬時(shí)能量大于工作面較窄時(shí)，在由窄變寬處有一個(gè)能量值突增的過(guò)程。且工作面變寬后，初期是采動(dòng)應(yīng)力增大，其能量值較高。在工作面變寬回采一段時(shí)間后，圍巖應(yīng)力重新進(jìn)入動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，能量釋放變得舒緩，能量值有所下降。

4 結(jié) 論

（1） 不等長(zhǎng)工作面的微震響應(yīng)，具有階段性特征。

（2） 不等長(zhǎng)工作面由窄變寬階段微震事件頻次明顯增大，能量增幅大，應(yīng)力集中顯現(xiàn)，應(yīng)注意加強(qiáng)頂板支護(hù)，預(yù)防事故發(fā)生。

（3） 不等長(zhǎng)工作面變寬之后，底板事件增幅大于頂板事件增幅，平均底板擾動(dòng)深度增大。在由窄變寬階段要注意加強(qiáng)工作面水文地質(zhì)觀測(cè)。