基于微震裂縫參數(shù)反演的深部礦井“兩帶”結(jié)構(gòu)規(guī)律

左秋玲， 李景山

(1. 河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.鐵道警察學(xué)院 治安學(xué)系，河南 鄭州450053)

基于我國深部礦井開采成功推廣新技術(shù)、新材料、新裝備和新工藝的背景，在復(fù)雜環(huán)境(如高地應(yīng)力、高地溫、高瓦斯、高水壓等)和高強(qiáng)度開采的作用下，礦井復(fù)合災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，巖層移動引發(fā)的底板突水、頂板冒落、沖擊地壓等礦井事故嚴(yán)重影響著深部礦井的安全高效開采。

利用水力壓裂技術(shù)來抽放礦井瓦斯可以降低高瓦斯煤礦采煤工作面的瓦斯?jié)舛?，但會使采煤工作面產(chǎn)生復(fù)雜的微破裂事件，尤其在斷裂帶和垮落帶(簡稱“兩帶”)，一般會伴隨著小強(qiáng)度的地震波。國內(nèi)外學(xué)者在煤礦地震波監(jiān)測方面開展了相關(guān)工作。Yoshihiro等[1]認(rèn)為天然裂縫面在水力剪切作用下會剪切滑動，由此引發(fā)微地震事件。楊永杰等[2]監(jiān)測和預(yù)報(bào)了煤礦采場覆巖破壞引起的微地震，對監(jiān)測到的微地震事件進(jìn)行定位計(jì)算，論證了微地震演化與采場覆巖破壞的密切關(guān)系。姜福興[3]監(jiān)測了煤礦沖擊地壓引發(fā)的微地震，論證了通過巖層破裂規(guī)律對沖擊地壓進(jìn)行預(yù)測和預(yù)報(bào)的可能性。李會義等[4]研究了基于MATLAB軟件的巖層微地震破裂定位求解方法及應(yīng)用，借助地震波在連續(xù)介質(zhì)中的傳播機(jī)制，以P波到達(dá)時(shí)間為主指標(biāo)編制了定位軟件。

以上研究主要集中在利用微地震技術(shù)進(jìn)行采場覆巖、巖層破裂和“兩帶”監(jiān)測等方面，缺乏對特厚煤層放頂煤開采“兩帶”裂縫的尺寸、位移、壓裂過程和發(fā)育規(guī)律的推導(dǎo)。因此，本研究擬利用自行研制的微地震定位監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測深部礦井特厚煤層開采過程中“兩帶”的微地震震群分布，基于矩張量反演推導(dǎo)出“兩帶”裂隙相應(yīng)的地震矩，基于巖石破裂力學(xué)理論推導(dǎo)“兩帶”裂隙的幾何形狀與壓裂過程的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行“兩帶”裂縫的定量反演，推演“兩帶”的運(yùn)動結(jié)構(gòu)和采動應(yīng)力場的分布，結(jié)合已發(fā)生微地震事件的震級和傾向方位角，推導(dǎo)剪切型裂縫的幾何位置和發(fā)展進(jìn)程，以期為礦山安全生產(chǎn)提供理論參考。

1 震源機(jī)制反演法流程

微地震事件是在巖石破裂或錯(cuò)動過程中產(chǎn)生的強(qiáng)度不大的地震波，一般產(chǎn)生在裂縫斷裂面上[5]，主要處理工作包括有效識別監(jiān)測到的微地震信號、拾取精確的抵達(dá)時(shí)間、準(zhǔn)確定位微地震，主要步驟見圖1。

圖1 微地震事件處理步驟Fig.1 Microseismic event processing steps

震源機(jī)制是識別放頂煤開采時(shí)采煤工作面產(chǎn)生裂縫的重要表征參數(shù)，不同的觀測模式應(yīng)選用不同的反演方法[6]，方法的適用性對比見表1。本研究主要對采煤工作面的“兩帶”微地震事件進(jìn)行反演，故擬借助矩張量反演法來推斷“兩帶”震源的地質(zhì)參數(shù)，用矩張量來描述相關(guān)屬性。借助Aki等[7]的計(jì)算公式進(jìn)行反演推導(dǎo)：

表1 P波初動與矩張量反演方法適用性對比Tab.1 Applicability comparison of P-wave initial motion and moment tensor inversion methods

U=M×G，

(1)

式中：U表示測得的地震事件；M表示描述震源的二階矩張量；G表示強(qiáng)度較小的地震波傳播過程的格林函數(shù)。假定已知地震事件U和格林函數(shù)G，可以通過反演線性方程(1)求得其二階矩張量M[8]。

2 井下“兩帶”微地震事件監(jiān)測

2.1 微地震事件監(jiān)測系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)礦井位于山西大同市境內(nèi)，全礦井大多為正斷層，30 m以上的斷距有8條，井田范圍內(nèi)共兩組斷層群?；桶邘r侵入井田內(nèi)3～5號煤層上部6 m左右，侵入范圍大致呈東北向，約占井田面積的一半。本次微地震監(jiān)測系統(tǒng)布置在該煤礦8102工作面，在開采過程中監(jiān)測放頂煤煤層及頂板巖石的破壞、破裂和垮落，確定“兩帶”裂隙的幾何結(jié)構(gòu)和采動應(yīng)力場分布，分析其高度能否接近或通過第三含水層組，判定是否留設(shè)防隔水煤柱。所監(jiān)測的采煤工作面煤層頂?shù)装逯鶢顖D見圖2。

圖2 煤層頂?shù)装逯鶢顖DFig.2 Columnar diagram of coal roof and floor

微地震監(jiān)測系統(tǒng)的主體部分有深孔檢波器、淺孔檢波器和地面檢波器等組件，包括4個(gè)鉆孔、4個(gè)淺孔及9個(gè)地面檢波器。4個(gè)鉆孔共設(shè)置16個(gè)三分量檢波器，4個(gè)淺孔中各裝1個(gè)三分量檢波器，9個(gè)地面檢波器都是單分量檢波器。在運(yùn)輸順槽內(nèi)共施工4個(gè)鉆孔，第一個(gè)鉆孔距工作面340 m左右，各鉆孔間距為100 m左右。圖3為檢波器在運(yùn)輸順槽鉆孔中的布置示意圖。

圖3 檢波器在運(yùn)輸順槽鉆孔中的布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the layout of the geophone in the transportation along the groove

2.2 監(jiān)測微地震事件的分布

聲波在煤系地層中的傳播速度為2 900～3 700 m/s，平均速度為3 000 m/s，可借助直達(dá)波信號處理微地震信號，圖4是觀測到的微地震事件的平面位置。圖4中顯示的破裂點(diǎn)分布與以往多數(shù)煤礦微地震監(jiān)測結(jié)果有較大區(qū)別， 這取決于各個(gè)礦區(qū)微地震事件的發(fā)育規(guī)律和分布特征，且頂?shù)装宓膸r層破裂高度也與煤層厚度、煤層埋深、地層巖性、采煤方法、礦井設(shè)計(jì)等因素有關(guān)。本監(jiān)測煤礦是超厚煤層，其采放比為1∶4～1∶5，這使得監(jiān)測結(jié)果與其他礦井有明顯差異。如圖4所示，94%以上的微地震事件發(fā)生在工作面回風(fēng)巷道周邊，以開切眼為固定坐標(biāo)系，微地震事件的位置隨工作面的動態(tài)推進(jìn)而前移，與走向大致平行。

圖4 微地震事件平面位置Fig.4 Plane location of microseismic events

3 結(jié)果與分析

3.1 采煤面“兩帶”微地震事件震級反演

楊心超等[9]在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上，考慮了震源振幅這一信息參數(shù)，同時(shí)將極性和振幅與實(shí)際資料的匹配看作目標(biāo)函數(shù)，解決了反演中由觀測系統(tǒng)不齊備引發(fā)的多解性問題。

微地震事件的震級可以用BAIG公式[10]計(jì)算：

(2)

式中：Mw表示所監(jiān)測微地震事件的矩震級；M0表示反演的標(biāo)量矩震，N·m。

圖5是整個(gè)放頂煤開采期間所有事件的矩震級，從中可以看出該采煤作業(yè)誘發(fā)的微地震震級主要為-3～0級。圖6是各震級段對應(yīng)的微地震事件的分布情況。從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來看，隨著震級的變?nèi)?，微地震事件呈大幅增長趨勢，當(dāng)震級為-2.2級時(shí)，微地震事件已接近85個(gè)，此時(shí)最大。之后，隨著震級的繼續(xù)減弱，微地震事件又開始隨之減少。這主要是因?yàn)槲⒌卣鹗录盘柕臏p弱，使得能檢測到的有效微地震信號變少，故當(dāng)震級小于-3級時(shí)，微地震事件的信號已經(jīng)監(jiān)測不到?？紤]到本次放頂煤引起的“兩帶”變化的具體情況，當(dāng)埋深約880 m、震級為-2.2級時(shí)，所觀測到的信號為對應(yīng)的最強(qiáng)監(jiān)測事件。

圖5 微地震事件矩震級Fig.5 Matrix level of microseismic events

圖6 震級與數(shù)量的分布Fig.6 Distribution of magnitude and number

3.2 采煤面“兩帶”微地震事件矩張量反演

在放頂煤采煤法作用下，煤層應(yīng)力場的變動會使頂板產(chǎn)生剪切形變和張性形變，生成剪切型裂縫、張開型裂縫或混合裂縫。由于采煤工作面回采線后方的煤層頂板是暫時(shí)懸空狀態(tài)，在重力作用下會自然下落。微地震事件產(chǎn)生的形變主要是剪切型裂縫[11]，本研究運(yùn)用矩張量反演得到的剪切型裂縫走向，剖析剪切形變對應(yīng)的應(yīng)力場。

對“兩帶”約1 000個(gè)微地震事件進(jìn)行矩張量反演，結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，利用震源機(jī)制反演的結(jié)果是互相垂直的2個(gè)平面，而且這2個(gè)平面均有可能是剪切型裂縫所在的面。目前普遍結(jié)合實(shí)際壓裂情況、地質(zhì)認(rèn)識綜合分析和判定裂縫破裂面，如Fisher等[12]統(tǒng)計(jì)分析了大量實(shí)際的微地震壓裂事件，發(fā)現(xiàn)在h深>1 219.2 m時(shí)為主發(fā)育高角度裂縫。基于產(chǎn)生剪切型裂縫的闡述，反演結(jié)果的裂縫方位角主要集中于240°～ 280°，裂縫傾角主要集中于40°～90°，大部分為60°～90°的大角度裂縫，見圖8。

圖7 微地震事件與震源機(jī)制解Fig.7 Microseismic event and focal mechanism solution

圖8 微地震事件的方位角與傾角Fig.8 Azimuth and dip of microseismic events

由測試結(jié)果可知，該采煤工作面的垂向應(yīng)力為48.2～54.5 MPa，最大水平方向主應(yīng)力為51.8～54.9 MPa，最小水平方向主應(yīng)力為48.5～49.7 MPa，水平方向應(yīng)力差異系數(shù)為0.05～0.13。按照應(yīng)力差異系數(shù)小于0.30的標(biāo)準(zhǔn)，放頂煤采煤法在采煤工作面回采線的前方區(qū)域會形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，各應(yīng)力關(guān)系為最大水平主應(yīng)力<垂向應(yīng)力<最小水平主應(yīng)力。該區(qū)域裂縫應(yīng)力模型如圖9所示。圖9中，SHx表示東西走向應(yīng)力，SHy表示南北走向應(yīng)力，Sv表示垂直應(yīng)力，虛框表示剪切型裂縫面。

圖9 應(yīng)力模型與裂隙分布Fig.9 Stress model and crack distribution

3.3 采煤工作面“兩帶”微地震事件規(guī)律

微地震事件的橫剖面(垂直于巷道方向)投影見圖10。由圖10可以看出，微地震事件在采煤工作面回采線的平面位置以“土”字型分布，采空區(qū)的微地震事件相對較少，大部分微地震事件點(diǎn)分布在煤層底板以下85 m至頂板以上335 m處，其中主要貫通破裂處為煤層底板以上15～80 m。距煤層較近的區(qū)域內(nèi)，微地震事件的生成與煤層距離成反比，當(dāng)標(biāo)高在煤層底板295 m以上時(shí)，微地震事件變少了，強(qiáng)度也變?nèi)趿?。在回風(fēng)巷道上方和外側(cè)出現(xiàn)部分微地震事件，可能是地表鉆孔造成的，也可能是附近開采巷道與本工作面頂板組成大結(jié)構(gòu)共同作用于煤巖體的結(jié)果。確定微地震事件的數(shù)量與震級關(guān)系、分布位置，能大致確定放頂煤作業(yè)時(shí)煤層頂板上方巖石冒落帶和裂隙帶的位置和高度。

圖10 微地震事件橫剖面投影Fig.10 Projection of cross section of microseismic events

因?yàn)楣ぷ髅鎯A向長、煤層超厚、頂?shù)装鍘r層復(fù)雜等特點(diǎn)，工作面一直無法正常推進(jìn)，而且開采進(jìn)度受到影響，使得工作面開采參數(shù)的規(guī)律性弱、不易判斷。該工作面來壓頻繁，幾乎每兩天都能監(jiān)測到壓力，而且持續(xù)時(shí)間長。工作面非頂板斷裂造成壓力的狀況經(jīng)常發(fā)生，與頂板板塊和頂煤厚度都有關(guān)系。因?yàn)槭翘睾衩簩?，頂煤和直接頂給支架造成的壓力是持續(xù)性的，頂煤斷裂或部分?jǐn)嗔押笃渖系臍堄囗斆夯蛑苯禹敍]有了支撐體，會進(jìn)一步斷裂，給周圍的頂煤一種附帶的黏性拉扯力，這種相互作用也給工作面造成了持續(xù)的壓力。

圖11是距離煤層底板每間隔10 m的微地震事件分布，可以看出微地震事件的密集區(qū)高度為底板上方10～70 m。經(jīng)過分析，破裂點(diǎn)93.69%在底板以下100 m至底板以上200 m處，82.02%在底板以下50 m至底板以上100 m處，僅在底板上方10～70 m處就有62.78%的破裂點(diǎn)。

圖11 距煤層底板每間隔10 m的微地震事件分布Fig.11 Distribution of the microseismic events at a distance of 10 meters from the coal floor

由此可見，破裂帶在底板上方與下方同時(shí)存在，底板下方破裂較淺，底板上方較高處也發(fā)生了破裂。另外，底板至上方12 m處破裂較少，上方12～55 m處破裂密集，即上部頂煤和直接頂、鄰近老頂?shù)钠屏演^深，較高處的老頂也有比較貫通的破裂帶。

4 結(jié)論

對我國山西某深部礦井放頂煤開采引起的頂板“兩帶”進(jìn)行了實(shí)際觀測和微地震監(jiān)測，得出主要結(jié)論如下：

(1)基于震源機(jī)制反演求得微地震事件震級為-3～0級。隨著震級的變?nèi)?，微地震事件呈大幅增長趨勢，當(dāng)震級為-2.2級時(shí)，微地震事件已接近85個(gè)，此時(shí)最大。之后，隨著震級的減弱，微地震事件開始隨之減少。

(2)基于地質(zhì)應(yīng)力場分布理論，放頂煤采煤法在采煤工作面回采線的前方區(qū)域會形成裂縫網(wǎng)絡(luò)，且最大水平主應(yīng)力<垂向應(yīng)力<最小水平主應(yīng)力，反演的剪切型裂縫方位角大多集中在260°左右。

(3)以開切眼為固定坐標(biāo)系，微地震事件的位置隨工作面的動態(tài)推進(jìn)而前移，與走向大致平行?；谡鹪礄C(jī)制反演回采線區(qū)域的應(yīng)力張量，考慮到本次放頂煤引起“兩帶”變化的具體情況，當(dāng)埋深為880 m、震級為-2.2級時(shí)，所觀測到的信號為對應(yīng)的最強(qiáng)監(jiān)測事件。