礦井工作面回采對微震活動的影響研究

呂鵬飛，包鑫陽，董紅娟

(1.內蒙古科技大學礦業(yè)研究院，內蒙古 包頭 014010；2.沈陽焦煤股份有限公司紅陽三礦，遼寧 燈塔 111307)

微震監(jiān)測是礦山工程中常用的預測預報礦震、沖擊地壓等動力現(xiàn)象的手段[1]。礦山工程中微震的發(fā)生歸根結底是由于產(chǎn)生了采動影響，工作面回采造成圍巖的變形、開裂和破壞是導致微震發(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。尹萬蕾等[2]研究了不同回采條件下礦震分布特征及對沖擊地壓發(fā)生的影響，認為強震或沖擊地壓災害多數(shù)發(fā)生在礦震活動周期峰值附近。陳學華等[3]、閆憲磊等[4]、呂鵬飛等[5-7]基于微震監(jiān)測研究了礦震孕災機理，認為強震發(fā)生通常與工作面堅硬頂板和回采速度變化密切相關。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，認為三硬條件下工作面回采速度小于3.6 m/d時，大能量礦震或沖擊地壓不會發(fā)生。朱志潔等[9]運用數(shù)值模擬和微震監(jiān)測相結合的方法分析了特厚煤層工作面回采速度對礦壓顯現(xiàn)的影響，認為回采速度與工作面周期來壓步距和支架動載系數(shù)正相關。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臂工作面采動應力對微震分布的影響，認為采動影響產(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)。

前人對工作面回采與礦震、沖擊地壓發(fā)生的關系作了大量研究，基本上一致認同微震監(jiān)測可有效反應采動煤巖體及其圍巖破裂、破壞程度，推演礦震或沖擊地壓災害發(fā)生的可能性。本文基于大量現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，重點研究工作面回采速度、回采進尺及采動應力對工作面微震發(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 回采速度對微震活動的影響

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工作面回采及地質情況類似，是目前兗州礦區(qū)最常見的地質及開采條件。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，綜采一次采全高開采方式，開采深度分別為625 m和678 m，工作面斜長都為260 m，地質構造簡單，且都為軌順側沿空開采工作面。煤層上覆50～120 m范圍內賦存一組以砂巖為主，夾雜少量泥巖的堅硬巖層，堅硬巖層厚度30～50 m不等。該組堅硬巖層破斷過程中常常引起2.0級以上礦震事件，是誘發(fā)工作面動力顯現(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個月的回采速度資料，并將這一期間發(fā)生的2.0級以上礦震事件標注在圖1中，據(jù)此分析工作面回采速度對微震活動的影響。

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，停采過后回采速度提升較快，誘發(fā)頂板強烈震動；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，認為回采速度對大能量礦震發(fā)生影響較大，工作面停采后再次回采時，應緩慢增加采速；開采遇斷層時應均勻放慢回采速度，盡量降低對圍巖的擾動，避免開采速度不均造成應力突增突降。

圖1 回采速度與大能量礦震關系曲線

Fig.1 Relationship curve between mine earthquakes and mining speed

圖2 不同采速下各能量級別的微震頻次、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、能量相關性擬合分析

對工作面回采速度的分類統(tǒng)計可直觀辨識大能量礦震前后的回采速度特征，將回采速度分成5個等級，然后將對應期間每日監(jiān)測到的微震事件歸類到各個回采速度等級中，再分類統(tǒng)計不同采速和震能等級下的微震特征，結果見表1。再按照回采速度和震動能量等級分析其日均震動頻次和能量特征，并將微震頻次、能量特征曲線進行數(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性關系，高能微震頻次、能量與回采速度呈非線性關系。由圖2(a)～(c)可知，在全部能量與低能量級別下的微震頻次與回采速度之間成良好的線性關系。能量級別在0～102J的回歸直線斜率為1.8，能量級別在102～103J的回歸直線斜率為1.45，說明能量級別在0～102J的微震事件比能量級別在102～103J的微震事件隨回采速度增加的快，也說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移。當工作面回采速度大于4 m/d時，大能量微震事件頻次和能量釋放非穩(wěn)定程度增強，因此認為當回采速度大于4 m/d時，發(fā)生大能量礦震和沖擊地壓的危險性大大增加。

表1 不同回采速度下各能量級別的微震統(tǒng)計結果

2 回采進尺與大能量礦震發(fā)生的關系

地震學相關研究表明天然地震在發(fā)生時空上都具有周期特性[11-13]。因此，對東灘煤礦43上13工作面回采過程中2.0級以上礦震事件發(fā)生的時間、位置關系進行分析，以期揭示回采進尺與微震發(fā)生的關系。先后以100 m和50 m作為一個進尺周期，統(tǒng)計每個周期內大能量礦震次數(shù)，結果見表2。

由表2可知，東灘煤礦43上13工作面回采431 m范圍內大能量礦震周期特性并不明顯，這可能與距離開切眼約450 m位置的煤層夾矸分叉線有關，工作面回采初期的煤厚分布不穩(wěn)定，斷層較多；同時夾矸分叉也會引發(fā)一定程度的應力集中，為應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的大周期范圍內存在50 m的小周期，一個大周期內約發(fā)生4次大能量礦震，一個小周期內約發(fā)生2次大能量礦震。將礦震周期特性與工作面礦壓監(jiān)測結果結合起來發(fā)現(xiàn)，大周期和小周期分別對應6次和3次基本頂周期來壓。

表2 大能量礦震與回采進尺關系

續(xù)表2

日期當日進尺/m累計進尺/m進尺范圍/m進尺周期/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 采動應力對工作面微震分布的影響

3.1 數(shù)值模型建立

為揭示采動應力與微震分布之間的關系，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×寬×高=605 m×900 m×160 m，共建立193 860個單元，203 294個節(jié)點。模型中各巖層的物理力學參數(shù)見表3。 按照現(xiàn)場地應力實測結果，模型X方向施加10.31～24.95 MPa梯度應力，Y方向施加1.69～9.62 MPa梯度應力，頂部施加14.25 MPa等效均布載荷，Z軸設置為自重載荷，計算中選用摩爾-庫倫屈服準則。模擬分析工作面推進到不同位置時的垂直應力分布規(guī)律，然后將對應期間現(xiàn)場微震系統(tǒng)監(jiān)測到的震源分布情況通過地理坐標疊加到對應回采階段的垂直應力平面分布云圖上，對比分析采動應力對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 煤巖力學參數(shù)

圖4 垂直應力云圖上的微震分布

Fig.4 Microseismic distribution in vertical stress cloud map

3.2 采動應力與微震分布的疊加效應分析

由圖4可知，第一，隨63上05工作面推進，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力升高區(qū)，在原巖應力穩(wěn)定區(qū)分布較少；第二，工作面初采階段，應力水平較低，幾乎不產(chǎn)生大能量微震事件，隨回采進度及強度增加，工作面整體應力增大，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；第三，工作面回采200～300 m和500～600 m區(qū)域時，這兩個區(qū)域是工作面一次“見方”和二次“見方”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)域時更為明顯，說明工作面“見方”引發(fā)的頂板周期大壓容易促使大能量震動頻發(fā)。綜上認為，工作面整體應力水平的提高有助于大能量震動事件的產(chǎn)生。周期來壓、工作面“見方”等時段是防震減災的重要時期。

4 結 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性趨勢增強，回采速度大于4 m/d時，工作面發(fā)生大能量礦震和沖擊地壓的危險性大大增強。

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大周期內存在50 m的小周期，一個大周期大致對應4次基本頂周期來壓。

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