王云剛，唐 飛，杜炳成，孔祥巖

(1.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學 河南省瓦斯地質(zhì)瓦斯治理省部共建國家重點實驗室培育基地，河南 焦作 454000；3.河南理工大學 煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000)

0 引言

煤炭長期以來是我國的主要能源，2020年我國煤炭占一次能源消費比例為56.7%左右[1]，同時我國煤炭賦存條件復雜，隨著煤礦開采強度的提高和開采深度的延伸，沖擊地壓和煤與瓦斯突出等動力災害的發(fā)生強度日趨增加，嚴重威脅著煤礦的安全高效生產(chǎn)，而對于煤巖動力災害的準確預測仍是世界難題。近些年，許多學者都提出了不同的預測方式，例如，鉆屑監(jiān)測法、聲發(fā)射監(jiān)測法、電磁輻射監(jiān)測法和微震監(jiān)測法等[2-4]，而在所有的動力災害預測方式中，微震監(jiān)測的應用最為廣闊，微震監(jiān)測具有實時、連續(xù)、立體等特點。微震監(jiān)測技術是指利用煤巖受載破裂過程中產(chǎn)生的微震信號來研究和評價煤巖體穩(wěn)定性的一種地球物理實時監(jiān)測技術[5-6]，通過煤巖體破裂過程中產(chǎn)生的微震波形信號、能量和震源定位等信息，用來研究煤巖體內(nèi)部的裂縫擴展、應力分布及空間展布形態(tài)、煤巖層活動規(guī)律、煤巖體破裂機制及礦震時空演化規(guī)律，并對煤與瓦斯突出、沖擊地壓等煤巖動力災害以及煤巖體水力壓裂進行監(jiān)測監(jiān)控[2,7-8]。目前，微震技術常用于監(jiān)測回采工作面，對工作面回采過程中頂板來壓及變形破壞進行監(jiān)測，對煤巖體動力災害進行預警。

關于微震信號特征的研究國內(nèi)外學者進行了充分的研究，Alber等[9]對深部開采礦井的長壁工作面進行微震監(jiān)測，得出了回采過程中煤層頂板不同破壞過程中的微震前兆信息；Shvarev等[10]通過已知的介質(zhì)幾何形狀和物理特性，對水力壓裂擴展過程中的微震事件進行建模；曹安業(yè)等[11]通過微震信號的時-頻分析技術，總結提煉了不同微震信號的重要波形特征；陸菜平等[12]分析研究了地質(zhì)構造、采掘活動、高應力區(qū)等與微震活動之間的相互關系；朱權潔等[13]對爆破震動信號與巖石破裂信號的頻帶能量分布特征進行研究；王金貴等[14]通過實驗系統(tǒng)進行模擬，研究煤巖靜爆致裂增透過程中微震活動規(guī)律及頻譜演變特征；李巖等[15]通過采用微震監(jiān)測系統(tǒng)對某礦煤巖活動情況進行監(jiān)測，研究了地質(zhì)構造、頂板破裂高度、工作面推進速度及爆破與微震活動的關系；向鵬等[16]初步研究了向斜軸區(qū)域采場圍巖破裂特征及其與微震活動的相關性；趙揚鋒等[17]用試驗方法研究了單軸壓縮條件下完整砂巖和不同傾角裂隙砂巖的破壞特征及電荷感應信號和微震信號的規(guī)律；高永剛等[18]重點分析了微震事件的周期性規(guī)律、微震活動與采動應力的關系及其沿工作面傾向的分布規(guī)律。雖然對煤礦微震活動特征研究較多，但對微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的頻次、能量與多煤層、沖刷構造、礦壓的關系研究相對較少，本文重點研究微震活動特征與沖刷構造的關系，這對有沖刷構造礦井的安全生產(chǎn)具有重要指導意義。

1 礦井概況

某煤礦42煤層目前開采深度達到420 m左右，該煤層經(jīng)專業(yè)機構鑒定具有弱沖擊傾向性。在開采過程中已經(jīng)出現(xiàn)了幾次明顯的動力顯現(xiàn)現(xiàn)象，隨著開采深度、強度的增加，特別是在地質(zhì)構造復雜地段回采過程中，“煤炮”、“震動”等動力現(xiàn)象日趨頻繁，為了加強對沖擊地壓的監(jiān)測和預警，該煤礦于2018年引入微震系統(tǒng)對礦井回采工作面的煤巖動力現(xiàn)象進行監(jiān)測預警。該礦井目前正在回采的工作面為42108工作面，相鄰的42107工作面已回采完畢。

42108超長綜放工作面位于42煤一盤區(qū)，回采31煤、42煤分叉復合煤層，分叉區(qū)煤厚4.0 m，復合區(qū)煤厚4.65～7.3 m，平均6.1 m，傾向長度為313.2 m，走向長度4 728.4 m，設計采高3.7 m，放煤高煤2.4 m，工作面沿煤層傾斜布置，沿走向推進，采用走向長壁后退式采煤方法，采空區(qū)頂板處理采用全部垮落法。煤層平均埋深391.96 m，層厚6.36 m，傾角為3°～9°，變異系數(shù)為7%，屬于穩(wěn)定可采煤層。煤層直接頂為14 m的砂質(zhì)泥巖，基本頂為19 m的細粒砂巖，直接底為3 m的砂質(zhì)泥巖，煤巖綜合柱狀如圖1所示。22煤層煤柱位于42煤層上方約80 m，寬度為30 m，距離42108輔運巷100 m、運輸巷203.3 m。42108工作面平面圖如圖2所示。

圖1 42108綜放工作面煤巖綜合柱狀Fig.1 Comprehensive column of coal and rock in 42108 fully mechanized caving face

圖2 42108工作面平面Fig.2 Plan of 42108 working face

2 實驗方案

2.1 微震布置方案

在42108綜放工作面運輸巷和輔運巷副幫側(cè)各布置7 個拾震器，拾震器間距100 m。由于超前液壓支架的影響，距離運輸巷最近的拾震器為110 m左右，距離輔運巷最近的拾震器為60 m左右，并隨著工作面的推進，不斷將拾震器向工作面后方移動，并保持拾震器間100 m的間距，微震布置方案如圖3所示。

圖3 微震布置方案Fig.3 Scheme of microseismic layout

2.2 研究方案

運用微震系統(tǒng)對42108超長工作面進行監(jiān)測，通過拾震器收集信號，并對監(jiān)測的微震信號進行處理、統(tǒng)計和分析，并對42108超長回采工作面微震特征影響因素進行研究，重點分析42108工作面微震事件的空間分布特征，研究42108超長工作面回采過程中沖刷構造、推進速度及礦壓等與微震活動特征的關系。

3 微震事件的空間分布特征

該煤礦地質(zhì)條件復雜，并且有多煤層，但微震事件分布的空間特征特別明顯。選取了2020年11月6日至2020年12月5日的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，2020年12月5日工作面回采至2 333 m。工作面微震事件平面、剖面分布分別如圖4和圖5所示。

圖4 微震事件平面分布Fig.4 Plane distribution of microseismic events

圖5 微震事件剖面分布Fig.5 Profile distribution of microseismic events

在此期間微震事件總共462次，其中煤層微震事件共20次，占4.33%，煤層底板微震事件共27次，占5.84%，煤層頂板微震事件415次，占89.83%，由圖4可看出42108工作面微震事件主要集中在22煤層煤柱和42108工作面輔運巷范圍內(nèi)，共380件，占82.3%。由圖5知，垂直方向上微震事件距煤層底板上方最遠距離為271 m，距煤層底板下方最遠距離為28 m，微震事件主要集中在距煤層底板上方150 m范圍內(nèi)，共381次，占82.5%，這跟42108工作面上方80 m有22煤層采空區(qū)、遺留煤柱有關。對單次微震能量的大小進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)單次能量大小在分布上沒有規(guī)律可言。工作面微震事件分布具有以下特征：水平方向主要集中在42108綜放工作面輔運巷和22煤層煤柱附近范圍內(nèi)；垂直方向主要集中在煤層頂板上方；單次微震事件能量大小與工作面空間分布相關性較差。

工作面微震事件平面分布特征十分明顯，由于該煤礦煤層較多，地質(zhì)條件比較復雜，距42煤層上方平均80 m處還有22煤層，22煤層已采空，在42108煤層上方還有寬度30 m的煤柱，這對微震信號的分布產(chǎn)生了很大的影響，由巖石力學知識進行分析知該區(qū)域內(nèi)為應力集中區(qū)域，通過微震分析軟件對微震數(shù)據(jù)進行煤巖體破裂模擬，模擬結果如圖6所示。由圖6可知，煤巖體破裂主要發(fā)生在42108綜放工作面輔運巷附近，該區(qū)域應力較為集中導致煤巖體破裂明顯，可知42107采空區(qū)對微震分布影響較大，應重點加強對42108輔運巷側(cè)的監(jiān)察工作。垂直方向上，42108綜放工作面微震事件以煤層頂板微震事件為主，微震事件的產(chǎn)生主要原因是煤層頂板的斷裂和上覆煤巖體破裂。

圖6 煤巖體破裂分布Fig.6 Fracture distribution of coal and rock mass

4 微震事件與沖刷構造的關系

2020年7月5日至2020年11月18日回采工作面過沖刷構造，沖刷構造如圖7所示，沖刷構造最大長度242 m，最大寬度為176 m，最大厚度5.3 m，最小厚度0.8 m，平均厚度2.8 m，靠近42108工作面運輸巷側(cè)分布，該沖刷構造體積較大，對微震信號的變化特征影響較為明顯，對2020年11月1日至2020年12月6日工作面的微震數(shù)據(jù)進行分析，微震事件統(tǒng)計見表1。

圖7 沖刷構造分布Fig.7 Distribution of scouring structure

表1 微震事件統(tǒng)計Table 1 Statistics of microseismic events

由表1可知，工作面在過沖刷構造過程中及之后能量、頻次等都有很大的變化。工作面通過沖刷構造過程中及之后，主要發(fā)生以下變化：工作面平均日推進速度由2.06 m/d增加到7.78 m/d，工作面推進速度明顯加快；平均單日總能量由278.17 kJ增加到380.54 kJ，單日微震總能量明顯增大；平均單日微震事件頻次從14.88次增加到20.11次，單日微震次數(shù)也有所增加；平均單日最大能量從23.15 kJ增加到23.95 kJ，基本保持不變；單日平均微震能量從18.58 kJ增加到19.20 kJ，基本保持不變；過沖刷構造時，單日微震事件能量、頻次變化量較大，穩(wěn)定性相對較差。

沖刷構造中含有大量的堅硬巖石，割煤機切割困難，因此，工作面推進速度慢。過沖刷構造工作面回采較慢，推進速度慢給工作面充足的時間去釋放能量和礦山壓力，造成的煤巖體破壞較少，微震事件相對較少，但容易造成工作面能量積聚，如11月6日、11月11日，突然單日總能量增大，大能量突然釋放，工作面危險性增大。沖刷構造對微震信號的能量、頻次等特征影響較大，引起工作面前方應力變化明顯，微震事件能量、頻次穩(wěn)定性降低。

5 微震事件與推進速度的關系

微震事件與工作面推進速度有著很強的相關性。由于該工作面的特殊性，工作面的推進速度變化較大，42108工作面推進速度在2020年9月1日至2020年12月14日主要分為2個階段：2020年11月18日之前過沖刷構造和2020年11月18日之后正?；夭勺鳂I(yè)。以下選取推進速度變化比較明顯、推進速度相對精確的2個時間段進行分析。過沖刷構造過程中選取9月1日到9月30日的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，工作面推進速度與微震事件頻次、總能量的關系，分別如圖8和圖9所示。

圖8 過沖刷構造過程中推進速度與頻次關系Fig.8 Relationship between advancing speed and frequency when passing through scouring structure

圖9 過沖刷構造過程中推進速度與總能量關系Fig.9 Relationship between advancing speed and total energy when passing through scouring structure

由于工作面過沖刷構造，工作面推進速度變化很小，已經(jīng)選出推進速度變化相對較大的時間段進行分析，該時間段內(nèi)最小推進速度0.35 m/d，最大推進速度3.05 m/d，平均推進度1.42 m/d，最小單日總能量206.2 kJ，最大單日總能量326.4 kJ，平均總能量287.3 kJ。由圖8可知，工作面推進速度與微震事件頻次關聯(lián)性較小。由圖9可知，工作面推進速度與微震總能量相關性較差，有的推進速度較大，反而總能量相對較小。因此，在工作面推進速度較小時(<3.5 m/d)，推進速度與微震事件總能量、頻次關系不明顯，關聯(lián)性較小。

過沖刷構造后，選取2020年11月20日到12月7日的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，工作面推進速度和微震事件頻次、總能量的關系分別如圖10和圖11所示。

圖10 過沖刷構造后推進速度與頻次關系Fig.10 Relationship between advancing speed and frequency after passing through scouring structure

圖11 過沖刷構造后推進速度與總能量關系Fig.11 Relationship between advancing speed and total energy after passing through scouring structure

在此期間，工作面平均推進速度為7.9 m/d，相對于過沖刷構造期間推進速度明顯加快，微震事件單日最大頻次為32次，最小頻次為10次，期間平均頻次為19.5次，微震事件單日最小總能量為209.3 kJ，最大總能量為556.8 kJ，平均總能量370.6 kJ。由圖10可知，當工作面推進速度大于5.5 m/d，小于12.2 m/d時，推進速度與微震事件頻次基本呈正相關，即在一定范圍內(nèi)，推進速度越快，微震事件頻次越多。由圖11可知，當推進速度在5.5～12.2 m/d時，推進速度與微震總能量基本呈正相關，即在一定范圍內(nèi)，工作面推進速度越快，微震時間單日總能量越大。

綜上可知，工作面過沖刷構造，推進速度比較慢時(<3.5 m/d)，推進速度與微震頻次、總能量規(guī)律性不強，相關性較差；當工作面正常回采，推進速度在5.5～12.2 m/d時，推進速度與微震頻次、總能量基本呈正相關，即在一定范圍內(nèi)，推進速度越大，單日微震事件頻次、總能量越大，此時，推進速度的變化，將會成為影響工作面微震事件特征的重要因素之一。

6 微震事件與其他因素的關系

6.1 微震事件與超前支架的關系

由于42108綜放工作面輔運巷臨近42107工作面采空區(qū)，上覆巖層又有22煤層遺留集中煤柱，該區(qū)域附近應力集中，因此，在42108綜放工作面輔運巷安裝了50 m的超前液壓支架，對2020年10月1日至2020年10月31日進行微震數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，該期間共發(fā)生有效微震事件519次，其中回采工作面超前50 m范圍內(nèi)有效微震事件有17次，占3.3 %，回采工作面超前100 m范圍內(nèi)有效微震事件40次，占7.7 %，說明工作面前方超前架范圍內(nèi)卸壓充分，煤巖體破裂充分，超前支架支撐力充分。

6.2 微震事件與鉆孔應力的關系

42108綜放工作面輔運巷正幫側(cè)前方每25 m安裝了1組鉆孔應力傳感器，深孔鉆孔應力計深15 m，淺孔鉆孔應力計深8 m。微震事件與鉆孔應力關系如圖12所示，對比鉆孔應力數(shù)據(jù)和微震數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，鉆孔應力計應力值較大位置處微震事件相對較多，鉆孔應力數(shù)據(jù)和微震事件關聯(lián)性較強。

圖12 微震事件與鉆孔應力關系Fig 12 Relationship between microseismic events and borehole stress

6.3 微震事件與礦壓的關系

由于微震事件較多，且微震事件與礦壓的關系比較相似，為方便分析，取2020年10月27日到2020年11月3日的微震數(shù)據(jù)進行分析。在此期間共監(jiān)測到有效微震事件86次，微震事件總能量1 660.4 kJ，微震事件整體水平分布在距工作面2～411 m范圍內(nèi)，其中單次最大能量發(fā)生在2020年10月31日02時23分，能量值為24.7 kJ，位于工作面正前方58 m。微震事件分布如圖13所示。

圖13 42108綜放工作面微震事件平面分布Fig.13 Plane distribution of microseismic events in 42108 fully mechanized caving face

由于受沖刷構造影響，2020年10月27日至2020年11月3日工作面推進了6.3 m，未觀測到明顯的周期來壓，工作面推進速度慢，工作面液壓支架編號在60～121號范圍內(nèi)一直處于高應力，每個液壓支架中心間距2.05 m，由礦上液壓支架系統(tǒng)生成的礦山壓力平面分布如圖14所示，結合微震事件的平面分布圖，在高應力狀態(tài)范圍內(nèi)，有效微震事件共41次，占47.7%，該范圍面積占所有微震事件覆蓋面積的28.8%，由此可見，礦山壓力較大的區(qū)域，煤巖體受力較大，煤巖體易破裂，易發(fā)生微震事件。

圖14 42108綜放工作面礦山壓力平面分布Fig.14 Plane distribution map of mining pressure in 42108 fully mechanized caving face

7 結論

1)42108工作面微震事件空間分布主要受工作面臨近采空區(qū)和上覆煤層煤柱影響，在42108工作面輔運巷和22煤層煤柱范圍內(nèi)微震事件比較集中，42107工作面采空區(qū)對42108工作面微震事件的影響高于上覆煤層22煤煤柱的影響。

2)微震事件主要發(fā)生在煤層頂板范圍內(nèi)，微震事件主要是由于煤層頂板煤巖體破裂引起的。沖刷構造使微震事件能量、頻次穩(wěn)定性較差，易造成工作面大能量積聚，危險性增大。

3)微震事件的單次能量大小和空間分布特征與工作面推進速度相關性較差。微震事件的總能量、頻次受工作面推進速度影響比較大，當工作面推進速度比較慢時(<3.5 m/d)，推進速度與微震頻次、總能量規(guī)律性不強，相關性不大；當工作面推進速度在5.5～12.2 m/d時，推進速度與微震頻次、總能量大體上呈正相關。

4)微震事件集中發(fā)生的位置與應力集中區(qū)域基本吻合，微震能夠作為煤巖體破裂模擬、工作面礦山壓力評估的監(jiān)測手段。