能量密度分析法在向斜構造區(qū)沖擊地壓防治中的應用

姚亞虎

(1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400037；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著開采深度的逐年增加，我國煤礦開采過程中礦壓動力顯現也愈發(fā)頻繁，至今已有170多個煤礦遭受到了沖擊地壓災害影響[1-2]。國內外學者在沖擊地壓發(fā)生機理、預測預報、災害防控方面做了卓有成效的工作[3-5]。由于復雜多樣的地質條件和開采環(huán)境，誘發(fā)沖擊地壓的原因也多種多樣，破壞形式也多種多樣。以往研究表明，地質構造對礦震的發(fā)生具有重要影響，大多數礦井開采期間誘發(fā)的微震事件多集中于地質構造區(qū)，如向斜、斷層構造區(qū)及煤層厚度、傾角突變區(qū)等，這些構造的存在為沖擊地壓的發(fā)生創(chuàng)造了條件[6-8]。其中，向斜構造區(qū)誘發(fā)沖擊地壓的案例最為常見，盡管許多學者試圖了解向斜構造區(qū)誘發(fā)沖擊地壓的機制，但由于向斜構造特征的復雜機制和精確識別開采誘發(fā)沖擊的復雜性，至今尚未研發(fā)出用于預測沖擊危險性和向斜構造區(qū)潛在沖擊顯現位置的有效手段[9-11]。

本文以興安煤礦典型向斜構造影響范圍內的四水平1號工作面為研究對象，從微震事件的時空分布和能量密度云圖角度研究了微震活動與沖擊地壓發(fā)生的關聯性；利用震波速度層析成像技術對向斜構造區(qū)煤層內形成的高應力區(qū)進行了識別，并在高應力區(qū)實施大直徑鉆孔和深孔爆破措施，最后對后續(xù)開采活動引起的微震事件進行了分析，驗證了這些解危措施的有效性。這一研究最終可為微震監(jiān)測系統(tǒng)精確預警沖擊地壓提供一種新方式，進而提高煤礦安全性。

1 工作面回采期間微震監(jiān)測情況

根據位置和誘發(fā)因素的不同，可將沖擊地壓分為煤柱型、向斜構造型、堅硬頂板型和斷層誘發(fā)型4種[12-14]，興安煤礦四水平1號工作面位于向斜構造影響范圍內。興安煤礦四水平1號工作面采用分層開采工藝，采高為2.6 m，開采深度為600～680 m，傾斜長度為137 m。由于存在向斜構造區(qū)，掘巷期間工作面兩側平巷的方向調整了2次。該工作面上區(qū)段為采空區(qū)，采空區(qū)由5～10 m寬的煤柱與工作面隔開，煤層頂板由0.83 m厚的泥巖頂板、9.47 m厚的中砂巖頂板和32.75 m厚的粗砂巖頂板組成。該工作面采掘期間共發(fā)生了12次沖擊地壓，其中8次發(fā)生在鄰近工作面，4次發(fā)生于本工作面內。沖擊地壓導致了巷道嚴重底臌，底臌量為0.8～1.5 m，兩幫移近量為0.5～1.7 m，嚴重損壞了巷道圍巖的支護結構，造成重大經濟損失。波蘭中央礦業(yè)研究所開發(fā)的SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)[15-16]被安裝應用于興安煤礦中，該系統(tǒng)主要由實時監(jiān)測記錄儀、分析儀、地震檢波器、數字傳輸系統(tǒng)等組成，且其中包含16臺地震檢波器，頻率范圍為1～600 Hz，采樣率為500 Hz，采用16位A/D轉換，最大數據傳輸率為1 Mb/s。

圖1(a)為1號工作面周圍地震檢波器布置圖，圖1(b)為1號工作面放大圖，同時圖中還顯示了回采期間能量大于104J的微震事件的空間分布情況。從圖1可以看出，微震事件多發(fā)生于向斜軸部附近，存在許多微震事件聚集在一起的現象。圖2顯示了向斜構造區(qū)“10·15”沖擊地壓發(fā)生前后的日最大能量、總能量和頻率變化規(guī)律。

圖1 四水平1號工作面回采期間微震監(jiān)測時空分布圖Fig.1 Spatio-temporal distribution map of microseismic monitoring during the stoping period ofNo.1 working face of Four Level

根據圖2中微震事件的頻率和能量釋放情況可知，“10·15”沖擊地壓發(fā)生前，能量不斷積累與釋放，總能量總體呈現升高趨勢，礦震頻發(fā)，頻率明顯增加；10月15日總能量和最大能量增大到最大值后，突降到0，能量釋放超過煤巖體動力失穩(wěn)臨界值，發(fā)生了沖擊失穩(wěn)，引發(fā)沖擊地壓?！?0·15”沖擊地壓發(fā)生后，對損壞的巷道段進行了修復，并實施了大直徑鉆孔和深孔爆破卸壓措施， 防止進一步沖擊地壓的發(fā)生。由于提前采取了預防措施(即大直徑鉆孔、深孔爆破等)， 該工作面恢復開采后均未引發(fā)沖擊地壓。

圖2 “10·15”沖擊前后日最大能量、總能量和頻次規(guī)律Fig.2 Rule of daily maximum energy,total energy and frequency before and after “10.15” impact

2 向斜構造區(qū)沖擊地壓發(fā)生前微震監(jiān)測時空特征

2.1 沖擊地壓發(fā)生前微震事件的時空演化特征

如圖3所示，采用不同顏色和圓形大小表示了不同能級的能量分布規(guī)律及其工作面回采期間的演化特征。10月7日至15日期間，大能量微震事件頻發(fā)，發(fā)生于向斜構造區(qū)，此時工作面回采靠近向斜軸部。以典型的3班8 h工作面制為例，對微震監(jiān)測數據進行了分析。10月10日至13日，小范圍內每天都有大量微震事件發(fā)生，10月14日礦震頻率顯著下降。 第一次強礦震(能量大小為1.29×105J)發(fā)生在向斜構造區(qū)，但沒有誘發(fā)沖擊地壓；隨后在同一區(qū)域又發(fā)生了一次強礦震(能量大小為3.02×105J)，并于10月15日誘發(fā)了嚴重的沖擊地壓。

圖3 沖擊地壓前微震的時空演化特征Fig.3 Temporal and spatial evolution characteristics of microseisms before rock burst

沖擊顯現位置在回風平巷實體煤側，這是因為向斜構造區(qū)內的回風平巷較軌道平巷具有更小的彎曲半徑和更大的曲率，易受到較大構造應力影響。另外一個原因為軌道平巷靠近鄰近采空區(qū)側，構造應力和存儲的彈性能得到了很大程度的釋放，而回風平巷鄰近實體煤側，向斜構造區(qū)受鄰近開采影響較小，構造應力和存儲的彈性能較大，這也導致了沖擊地壓發(fā)生于靠近實體煤側的回風平巷中。

在沖擊地壓發(fā)生前，微震事件聚集在向斜軸部附近，由于微震事件的空間分布與煤巖體微裂縫的發(fā)生發(fā)展過程相對應，微震事件的空間分布極其復雜，且隨時間呈非線性演化?？紤]到這一點，很難直觀地觀察微震事件隨時間的演變規(guī)律，進而沖擊地壓發(fā)生前的前兆特征無法從微震事件的分布規(guī)律中精確推斷出來。

2.2 沖擊地壓發(fā)生前能量密度的時空演化特征

煤巖體的損傷與微震事件的次數、時間間隔和能量釋放密切相關，因此建立了能量密度指數?？紤]到上述三個參數可以量化為微震事件在時間和空間域的演變?；诳臻g平滑微震活動性模型，將采場劃分為多個統(tǒng)計區(qū)域，利用微震事件的空間點來計算沖擊危險性[17-18]。關于某一區(qū)域的累積能量密度，可由式(1)計算得到。

(1)

沖擊發(fā)生前能量密度的演化規(guī)律如圖4所示。10月10日至14日，能量密度成核區(qū)逐漸擴展，強度增加，10月15日，能量密度成核區(qū)邊緣的強礦震(能量大小為3.02×105J)引發(fā)了嚴重的沖擊地壓。圖4中能量密度的變化顯示了煤巖體局部變形的時間和空間特征，這是因為采礦活動引起了圍巖應力的不斷動態(tài)調整，應力傾向于集中在煤巖體內部固有缺陷附近的較小區(qū)域。在此條件下，從微觀角度，煤巖體內部隨機分布的微觀缺陷在外界高應力場作用下，從無序分布向有序發(fā)展，最終形成沿某一方位發(fā)展的宏觀裂紋，進而導致煤巖破壞、失穩(wěn)。同時，高應力集中會促使煤巖體結構內自由能升高，系統(tǒng)進入亞穩(wěn)定狀態(tài)，微觀上則表現為煤巖內部裂紋匯聚、成核、穩(wěn)定擴展等。隨著能量積聚的深入，當結構自由能達到一定程度時，煤巖微元結構發(fā)生失穩(wěn)，裂紋擴展速度大于裂紋閉合速度，系統(tǒng)進入不穩(wěn)定狀態(tài)，就會發(fā)生沖擊失穩(wěn)。微裂縫的合并和集中，產生了局部化效應，局部變形是煤巖體發(fā)生主要破裂變形過程中的一種重要地質現象，根據局部化變形的結果可以預測未來強礦震的位置。

圖4 沖擊地壓前能量密度云圖Fig.4 Energy density cloud map before rock burst

3 沖擊地壓發(fā)生后高應力區(qū)識別與卸壓措施

3.1 高應力區(qū)的層析成像識別

近年來，震波速度層析成像技術被用于地下礦山高應力分布區(qū)的推斷[19]。已有研究表明震波速度分布與應力分布呈正比，該技術根據地震檢波器與震源發(fā)生地點的距離和監(jiān)測站記錄的應力波初至時間，計算礦區(qū)內的波速分布情況。利用同步迭代重建算法對微震監(jiān)測數據進行處理，生成速度層析成像圖，如圖5所示。圖5中向斜構造區(qū)和巷道相交區(qū)域均為受采動應力影響的高速度區(qū)域，說明這兩類區(qū)域均表現出較高的應力集中程度。

圖5 震波速度層析成像波速云圖Fig.5 Seismic velocity tomography wavevelocity cloud image

3.2 高應力區(qū)煤層大直徑鉆孔與頂板爆破卸壓

根據層析成像圖，在巷道內對煤層高應力區(qū)實施大直徑鉆孔，這些大直徑鉆孔周圍區(qū)域會形成破碎帶，從而降低巷道周圍的應力集中，釋放出存儲在巷道附近的彈性能。因此，高應力集中區(qū)遠離巷道，降低了沖擊危險性。同時為了防止沖擊地壓，在高速度區(qū)域的上覆巖層中也進行了深孔爆破，這可以減小懸頂跨度，進而實現兩個目的：降低工作面前方的超前支承應力，防止其與構造應力疊加而增加沖擊危險性；降低堅硬頂板破裂和滑動產生的動載應力波強度(圖6)。

圖6 上覆巖層深孔爆破方案Fig.6 Deep-hole blasting plan for overlying strata

4 煤層與頂板卸壓后微震監(jiān)測時空演化特征

該工作面采取卸壓措施后，于12月7日發(fā)生一次強礦震，但未引發(fā)沖擊地壓，該次強礦震發(fā)生前的微震事件和能量密度時空演化特征分析如下所述。

4.1 強礦震發(fā)生前微震事件的時空演化特征

工作面于10月22日恢復開采，11月7日上午發(fā)生了一次強礦震(能量大小為3.02×105J)，雖然在強礦震發(fā)生時，巷道中能感覺到明顯的震動，但隨后并沒有發(fā)生沖擊地壓。圖7闡明了強礦震發(fā)生前微震事件的時間和空間分布規(guī)律。微震事件主要發(fā)生于向斜構造區(qū)，但微震事件的空間分布并沒有表現出明顯的演化規(guī)律，因而無法從微震事件的分布規(guī)律精確預警沖擊地壓。

圖7 沖擊地壓發(fā)生后微震的時空演化特征Fig.7 Temporal and spatial evolution characteristics of microseisms after rockburst

4.2 強礦震發(fā)生前能量密度的時空演化特征

如圖8所示，12月2日云圖中向斜構造區(qū)域出現了能量密度成核現象，12月3日至12月6日，以能量密度成核區(qū)為中心逐漸擴展，強度不斷增強，最終于12月7日發(fā)生了強礦震。在強礦震前，其演化也表現出明顯的能量密度成核特征。與“10·15”沖擊地壓發(fā)生前的能量密度相比，圖8中的能量密度強度降低，隨后的強礦震(能量大小為1.49×105J)更低，巷道內感覺到了震動但是沒有損壞發(fā)生，說明上述應力卸壓措施對防治沖擊地壓起到了積極的作用。

圖8 強礦震前能量密度云圖Fig.8 Energy density cloud map before strong mine earthquake

5 結 論

1) 向斜構造區(qū)煤層開采的微震監(jiān)測直觀反映了震源多集中于向斜軸附近的區(qū)域，該區(qū)域與沖擊地壓發(fā)生的空間位置相一致，但微震事件空間分布極其復雜，很難識別微震事件隨時間演化的趨勢。

2) 利用微震事件計算得到的日能量密度，顯示了煤巖體局部變形的時間和空間特征，進而根據局部化變形的結果可以預測未來強礦震的位置。

3) 利用震波速度層析成像技術對向斜構造引起的煤層高應力區(qū)進行了識別，并對高應力區(qū)實施了大直徑鉆孔和深孔爆破卸壓措施，后續(xù)開采引起的強礦震活動證實了卸壓措施的有效性。