工作面過(guò)廢棄巷頂板微震時(shí)空演化機(jī)制及危險(xiǎn)性分區(qū)

張黨育，蓋秋凱，黃 磊，李玉寶，沈星宇，趙立松，彭中鑫

(1. 冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北 邢臺(tái) 054000；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083；3. 河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；4. 河北省礦井微震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000；5. 冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司 東龐煤礦，河北 邢臺(tái) 054000)

礦井廢棄巷的存在形式主要有2類：一類為大量的小煤窯被整合或關(guān)閉，但由于其未合理規(guī)劃采掘巷道、長(zhǎng)期進(jìn)行無(wú)序開采，在井下形成了大量縱橫交錯(cuò)、圍巖狀況錯(cuò)綜復(fù)雜的空區(qū)廢棄巷[1]；另一類為滿足礦井排水、通風(fēng)等安全需要，在煤層開采前會(huì)提前掘砌大量的地下巷道，隨著煤層的開采，地下巷道完成了其服務(wù)時(shí)間及使命，便成了永久性的地下廢棄巷。因此，無(wú)論是小煤礦遺留的空巷問(wèn)題，還是提前掘砌的巷道，在經(jīng)歷了長(zhǎng)期的廢置后，圍巖的完整程度、自承能力均大幅度降低，當(dāng)回采工作面接近這些位置時(shí)，在二次釆動(dòng)的影響下，廢棄巷的圍巖應(yīng)力急劇增大，裂隙發(fā)育程度加大，進(jìn)而可能引發(fā)頂板斷裂以及煤柱失穩(wěn)等事故，具有極大的安全隱患[2]。

劉暢等[3]、柏建彪等[4]通過(guò)建立力學(xué)模型，分析了工作面過(guò)空巷基本頂斷裂的原因以及基本頂穩(wěn)定性與空巷支護(hù)阻力的關(guān)系；李楊等[5]對(duì)垂直、斜交和平行3種不同類型的小煤窯巷道破壞形式進(jìn)行研究，揭露空巷階段支承壓力分布規(guī)律、推導(dǎo)出了過(guò)小煤窯巷道時(shí)支架工作阻力計(jì)算公式；尹超宇等[6]從勢(shì)能積聚的角度分析了工作面與前方空巷之間煤柱的失穩(wěn)機(jī)理：當(dāng)工作面與空巷間距等于臨界危險(xiǎn)距離時(shí)，煤柱的塑性破裂區(qū)面積與煤柱總面積間滿足定量關(guān)系而發(fā)生能量控制型突變失穩(wěn)；徐青云等[7]建立了綜放工作面充填過(guò)空巷頂板失穩(wěn)模型，并利用數(shù)值模擬確定了過(guò)空巷時(shí)的最佳充填體強(qiáng)度；張自政等[8]分析了空巷頂板穩(wěn)定性與空巷充填體相互作用關(guān)系,得到了空巷頂板穩(wěn)定的充填體支護(hù)阻力計(jì)算式；劉暢等[9]利用相似模擬得出了空巷基本頂超前破斷前后覆巖破斷特征、圍巖應(yīng)力以及支架載荷大小。

現(xiàn)有研究主要通過(guò)力學(xué)理論、數(shù)值模擬以及相似模擬等方法，對(duì)工作面過(guò)空巷的應(yīng)力分布、圍巖運(yùn)移等進(jìn)行分析，其中缺乏利用微震響應(yīng)特征反演工作面過(guò)斜交廢棄巷時(shí)的煤巖體活動(dòng)規(guī)律，而研究不同開采階段的微震時(shí)空演化規(guī)律對(duì)于掌握煤巖體的應(yīng)力狀態(tài)以及損傷程度等具有重要意義。同時(shí)，微震事件空間分布特征異常復(fù)雜，處于主導(dǎo)地位的頂板巖層活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致底板巖層處于被動(dòng)的受力狀態(tài)。例如，隨著工作面的不斷推進(jìn)，無(wú)論是基本頂?shù)闹芷趤?lái)壓、還是頂板關(guān)鍵層的破斷，均是以沖擊載荷的形式?jīng)Q定著煤層底板的附加應(yīng)力和破壞程度，所以在“頂板-煤層-底板”圍巖系統(tǒng)中頂板巖層活動(dòng)顯得尤為重要[10]。因此為針對(duì)性地分析工作面過(guò)廢棄巷時(shí)頂板巖層的損傷程度與運(yùn)移特征，筆者以東龐煤礦9212工作面過(guò)泄水巷為例，研究不同開采階段頂板微震響應(yīng)的時(shí)空演化規(guī)律，引入能量離散系數(shù)(AE)和空間雙因子(S，α)對(duì)頂板微震事件的能量差異與空間活動(dòng)特征進(jìn)行分析；并對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了等級(jí)劃分，研究成果可為類似條件下的工作面過(guò)廢棄巷時(shí)頂板支護(hù)管理以及進(jìn)行針對(duì)性的災(zāi)害防治[11]提供依據(jù)和參考。

1 背景概況

1.1 工作面及廢棄巷概況

冀中能源股份有限公司東龐煤礦9212工作面位于北井一水平二采區(qū)，地面標(biāo)高為+108.2 m，工作面9號(hào)煤層底板標(biāo)高-190～-245 m，平均煤厚6.1 m，煤層平均傾角為16°，工作面傾向長(zhǎng)度58.5～88.5 m，平均74.0 m，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度794 m；9212工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜采放頂煤，設(shè)計(jì)工作面平均采高為2.4 m、放煤高度3.7 m，全部垮落法管理頂板。工作面頂板節(jié)理裂隙不發(fā)育，根據(jù)關(guān)鍵層理論[12]，計(jì)算出距煤層頂面約66 m的粉砂巖、細(xì)粒砂巖(總厚度約45 m)為高位關(guān)鍵層，距煤層頂面約39 m的粉砂巖(厚度約20 m)為低位關(guān)鍵層，如圖1所示。

圖1 9212工作面頂板關(guān)鍵層柱狀示意

東龐煤礦9212工作面相鄰僅存在1個(gè)已采工作面，即位于其上部的9210工作面。而9212工作面內(nèi)所含泄水巷(即“廢棄巷”，下同)則是提前掘砌的9210采空區(qū)的探放水通道之一，連接9210工作面運(yùn)輸巷與下一階段泄水聯(lián)絡(luò)巷。如圖2所示，作為本層、斜交廢棄巷，其巷道布置在平均傾角16°的煤層之中，并以65°的夾角與9212工作面兩平巷斜交；廢棄巷內(nèi)采用錨網(wǎng)加錨索聯(lián)合支護(hù)，全斷面噴漿，其長(zhǎng)度約為92 m、寬4.5 m、高2.7 m，巷道斷面為矩形，橫截面積為12.5 m2。隨著上部采空區(qū)積水逐漸被疏干，當(dāng)回采工作面揭露廢棄巷時(shí)，其內(nèi)部動(dòng)水量已基本減少至0。

1.2 9212工作面微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

微震與巖石力學(xué)現(xiàn)象密切相關(guān)，巖石類材料在外界應(yīng)力作用下形變，當(dāng)能量積聚到某一臨界值時(shí)，就伴隨有彈性波或應(yīng)力波在周圍巖體快速釋放和傳播，礦山微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)在不同位置設(shè)置高精度微震檢波器收集由于巖層破裂產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)反演算法確定破裂發(fā)生的空間坐標(biāo)、發(fā)震時(shí)刻、震級(jí)能量等參數(shù)[13]。東龐煤礦9212工作面KJ1073微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由地面和井下2部分組成：地面設(shè)備包括監(jiān)測(cè)主機(jī)和數(shù)據(jù)處理主機(jī)；井下部分為軌道巷內(nèi)安裝的6個(gè)單軸檢波器和1個(gè)三軸檢波器、運(yùn)輸巷內(nèi)安裝的5個(gè)單軸檢波器和1個(gè)三軸檢波器，各檢波器間距為100 m左右，形成了包圍式的檢波器陣列結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了高精度的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，而監(jiān)測(cè)分站位置分別選擇在軌道巷終采線外側(cè)和運(yùn)輸巷避難硐室處，如圖2所示。

圖2 東龐煤礦9212工作面布置及微震監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)平面

2 過(guò)廢棄巷期間微震監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分

為分析工作面過(guò)廢棄巷期間的微震特征，分別基于理論計(jì)算和微震監(jiān)測(cè)結(jié)果確定超前支承壓力的影響范圍，并對(duì)過(guò)廢棄巷期間的微震監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行劃分。

2.1 基于彈塑性理論的超前支承壓力范圍計(jì)算

隨著采煤工作面不斷向前推進(jìn)，直接頂、基本頂隨之垮落，在工作面前方形成超前移動(dòng)支承壓力。根據(jù)彈塑性理論關(guān)于工作面前方支承壓力的計(jì)算公式[14]可知，支承壓力的影響范圍x為

(1)

式中，M為煤層厚度，取平均厚度6.1 m；f為巖層間的摩擦因數(shù),θ為煤體內(nèi)摩擦角，經(jīng)室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)測(cè)定f=0.3，θ=28.5°；β為側(cè)壓系數(shù)，K為應(yīng)力集中系數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)β=1.3，K=1.9；H為煤層埋深，取326 m；γ為上覆巖層平均容重，27 kN/m3；τ0cotθ為煤體的自撐力，τ0取5 MPa。

根據(jù)9212工作面開采情況以及煤巖物理力學(xué)參數(shù)，由式(1)計(jì)算得到工作面開采超前支承壓力影響范圍x=61.9 m。

2.2 基于微震監(jiān)測(cè)的超前支承壓力分布范圍分析

對(duì)觸發(fā)的有效微震事件進(jìn)行及時(shí)處理，得到東龐礦9212工作面2月28日—3月1日頂板微震事件平面分布，如圖3所示。

圖3 2月28—3月1日頂板微震事件平面分布

當(dāng)工作面開采至2月28日終采線位置時(shí)，微震事件主要聚集在終采線及運(yùn)輸巷附近，廢棄巷圍巖并未出現(xiàn)微震響應(yīng)，但當(dāng)開采至2月29日位置時(shí)，廢棄巷下端頭附近出現(xiàn)了較多微震事件。2月28日、2月29日工作面推進(jìn)距離分別約為1.76，1.53 m，其頂板微震事件頻次分別為114,182個(gè)，單日增加68個(gè)；微震事件總能量也從2.68×104J激增到4.94×105J(圖4)。

圖4 2月28日—3月1日頂板微震事件頻次、能量變化曲線

因此分析認(rèn)為當(dāng)工作面開采至2月29日終采線位置時(shí)，超前支承壓力開始對(duì)廢棄巷產(chǎn)生采動(dòng)影響[15]，廢棄巷圍巖穩(wěn)定性降低，此時(shí)的終采線位置與廢棄巷下端頭的距離為57.8 m。隨著工作面不斷向前推進(jìn)，超前支承壓力將逐步影響廢棄巷的中部以及上端頭位置的圍巖穩(wěn)定性，例如工作面開采至3月1日位置時(shí)(當(dāng)日推進(jìn)距離約為1.96 m)，廢棄巷附近仍出現(xiàn)較多的微震事件并具有向廢棄巷中部發(fā)展的趨勢(shì)。

根據(jù)對(duì)超前支承壓力分布范圍的理論分析，計(jì)算得到工作面開采支承壓力最遠(yuǎn)影響距離為61.9 m；而通過(guò)研究2月28日—3月1日微震事件的響應(yīng)特征可知，當(dāng)工作面開采至2月29日終采線位置時(shí)開始對(duì)前方廢棄巷產(chǎn)生采動(dòng)影響，此時(shí)終采線位置與廢棄巷下端頭的距離為57.8 m，該值與理論計(jì)算結(jié)果相近，表明微震監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性。

因此，為便于研究，認(rèn)為當(dāng)工作面開采至2月29日采線位置時(shí)，工作面超前支承壓力開始影響廢棄巷的圍巖穩(wěn)定性，即將研究階段分為：正常開采階段、廢棄巷超前影響階段、過(guò)廢棄巷階段，其中“過(guò)廢棄巷階段”長(zhǎng)度為廢棄巷上、下端頭沿工作面推進(jìn)方向的平面距離，即3月25日—4月20日工作面的連續(xù)推進(jìn)長(zhǎng)度，40 m；“廢棄巷超前影響階段”為超前支承壓力的影響范圍，即2月29日—3月25日的推進(jìn)距離，57.8 m；“正常開采階段”選擇與“過(guò)廢棄巷階段”相同的平面距離，40 m，即2月1日—2月29日工作面的連續(xù)推進(jìn)長(zhǎng)度，研究相同推進(jìn)長(zhǎng)度情況下的正常區(qū)域與廢棄巷區(qū)域的微震響應(yīng)差異，如圖5所示。

圖5 9212工作面開采研究階段的劃分

3 微震事件時(shí)空分布概況

選取3個(gè)階段起始日期、中期以及結(jié)束日期的頂板微震事件平、剖圖進(jìn)行展示，其中剖面圖為沿工作面傾斜方向，如圖6所示，洋紅色線條代表終采線所在位置；灰色標(biāo)記代表微震事件發(fā)生位置。對(duì)比分析3個(gè)階段微震事件的空間分布特征：3個(gè)階段微震事件分布形態(tài)相似，符合工作面開采超前支承壓力前移的分布規(guī)律；由于工作面?zhèn)认蛑С袎毫σ约懊簩觾A角的影響，微震事件主要集中在采線以及工作面兩巷附近，以靠近運(yùn)輸巷一側(cè)偏多。

隨著工作面向前推進(jìn)，廢棄巷超前影響階段的微震活躍程度明顯高于正常開采階段，較多的微震事件發(fā)生在廢棄巷附近，初步分析其原因?yàn)閺U棄巷經(jīng)歷了長(zhǎng)期的使用以及廢置，其圍巖的完整程度、自承能力均大幅度降低，因此當(dāng)回采工作面接近這些位置時(shí)，在二次采動(dòng)影響下的廢棄巷圍巖出現(xiàn)應(yīng)力異常集中導(dǎo)致其破碎程度進(jìn)一步加大；而當(dāng)工作面揭露廢棄巷后，其附近集中出現(xiàn)了大量的微震事件，分析認(rèn)為在前期超前支承壓力作用下，廢棄巷圍巖破碎程度和塑性區(qū)范圍進(jìn)一步加大，當(dāng)回采揭露后，出現(xiàn)頂板局部破斷等現(xiàn)象導(dǎo)致了大能量微震事件頻發(fā)。另外，三角煤區(qū)域的應(yīng)力集中程度明顯增大、煤柱破碎導(dǎo)致支承能力變小也是微震活躍程度異常增大的重要原因。從剖面圖的分布情況來(lái)看，正常開采階段的頂板微震事件較少，但隨工作面向前推進(jìn)，“廢棄巷超前影響階段”與“過(guò)廢棄巷階段”的微震事件呈現(xiàn)增多并存在向廢棄巷附近聚集的演化趨勢(shì)。

正常開采階段、廢棄巷超前影響階段和過(guò)廢棄巷階段的微震事件空間分布情況如圖7所示，其中灰色陰影部分為9號(hào)煤層底面，坐標(biāo)軸X-Y-Z為實(shí)際的空間坐標(biāo)，表明了煤層的走向以及微震事件的發(fā)生位置。圖7中每個(gè)球體均為一個(gè)微震事件，而球體顏色則表示微震事件發(fā)生在相對(duì)于煤層面的高度(圖例所示，煤層面相對(duì)高度為“0 m”)。每個(gè)球體均為一個(gè)微震事件，而球體顏色則表示微震事件發(fā)生在相對(duì)于煤層面的高度。統(tǒng)計(jì)3個(gè)階段的頂板微震事件頻次分別為2 142次、2 201次、3 769次，微震事件越多、聚集程度越大表明圍巖破碎程度越大，更容易出現(xiàn)局部失穩(wěn)破壞等現(xiàn)象，因此在過(guò)廢棄巷階段更容易出現(xiàn)頂板失穩(wěn)破壞、煤壁片幫等安全事故，在通過(guò)廢棄巷的過(guò)程中更應(yīng)注意加強(qiáng)支護(hù)、帶壓移架，并做好頂板巖層垮落沖擊的防治工作。

另外，由圖7可以看出，正常開采階段和廢棄巷超前影響階段的微震事件主要集中在煤層頂板70 m內(nèi)，分析微震事件在頂板不同層位的分布特征以及能量釋放情況，即距煤層越近，分布密度越大，且大、小能量事件均較多；而越遠(yuǎn)離煤層，微震事件出現(xiàn)頻次越低、越不連續(xù)，但能量偏大。同樣，過(guò)廢棄巷階段的微震事件具有相類似的分布規(guī)律，但裂隙發(fā)育高度更大，主要集中在煤層頂板110 m內(nèi)。根據(jù)文獻(xiàn)[16]關(guān)于關(guān)鍵層位置與導(dǎo)水裂隙帶高度計(jì)算的理論研究成果：當(dāng)?shù)臀魂P(guān)鍵層距煤層的臨界高度小于7～10倍的煤層厚度M時(shí)，裂隙帶發(fā)育高度將達(dá)到更上一層的高位關(guān)鍵層底板附近。本文研究工作面采厚6.1 m，低位關(guān)鍵層距離煤層約39 m，小于臨界高度42.7～60.1 m，因此在高位關(guān)鍵層未破斷前，裂隙帶高度均僅能達(dá)到高位關(guān)鍵層底板位置附近，即66 m左右，而當(dāng)高位關(guān)鍵層破斷后，裂隙帶將向更上部的頂板巖層發(fā)展。因此，通過(guò)微震監(jiān)測(cè)確定了在不同開采階段的裂隙帶發(fā)育高度，即在正常開采階段和廢棄巷超前影響階段約為70 m，而在過(guò)廢棄巷階段則達(dá)到110 m左右，見表1。該分析結(jié)論與相關(guān)理論的研究成果相符,與此同時(shí)，也證明了根據(jù)微震監(jiān)測(cè)可以判斷關(guān)鍵層是否發(fā)生破斷，以及是否發(fā)展為導(dǎo)水通道。

表1 不同研究階段導(dǎo)水裂隙帶高度分析

4 頂板微震特征演化分析

2019年發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《沖擊地壓測(cè)定、監(jiān)測(cè)與防治方法》中將微震頻度和微震總能量作為沖擊地壓危險(xiǎn)判別的主要指標(biāo)、微震能量最大值為輔助判別指標(biāo)，因此，將微震事件的頻次與總能量作為重點(diǎn)研究對(duì)象，分析不同開采階段頂板微震響應(yīng)特征，而根據(jù)以往發(fā)生的動(dòng)力現(xiàn)象來(lái)看，當(dāng)單個(gè)微震事件能量釋放達(dá)到104J以上時(shí)，巷道圍巖就可能出現(xiàn)宏觀破壞[17]，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)和東龐礦以往實(shí)際微震能量釋放情況定義：當(dāng)單個(gè)微震事件能量釋放大于104J為大能量微震事件，而大于105J則為破壞級(jí)微震事件，該事件下的煤巖體瞬間失穩(wěn)破裂并伴隨著積聚的彈性能等瞬時(shí)釋放，危險(xiǎn)性極大。

4.1 微震事件的頻次與總能量分析

由圖8可知，正常開采階段的微震事件以小尺寸微破裂為主，小于103J的小能量事件占90%以上；平均日頻次為75次、日均釋放總能量6.93×104J，除周期來(lái)壓外，頂板微震事件整體上呈現(xiàn)“低頻次、低能量”的響應(yīng)特征；2月28日—2月29日微震事件頻次與能量具有較大增幅，且發(fā)生位置在廢棄巷下端頭附近，分析認(rèn)為超前支承應(yīng)力影響了廢棄巷圍巖穩(wěn)定性，導(dǎo)致原本處于極限應(yīng)力平衡狀態(tài)的煤巖體系統(tǒng)局部失穩(wěn)破壞，沿弱面位置發(fā)生拉斷或滑移并出現(xiàn)了1個(gè)105J級(jí)的頂板破壞級(jí)微震事件。

圖8 頂板微震事件總頻次與總能量分析

廢棄巷超前影響階段平均日頻次為112次，日均釋放總能量4.89×105J，分析微震活動(dòng)如此劇烈的原因：一方面是前期在煤巖體內(nèi)部孕育了大量的微觀裂隙，隨著工作面不斷向前推進(jìn)，微觀裂隙不斷發(fā)展、貫通并導(dǎo)致宏觀的失穩(wěn)破壞，這一過(guò)程伴隨著周期性的大能量釋放，在能量釋放之后又進(jìn)入下一個(gè)微破裂的積聚期；另一方面，在工作面開采進(jìn)入廢棄巷超前影響階段后，微震事件呈現(xiàn)明顯的向廢棄巷附近聚集的發(fā)展趨勢(shì)，煤層受壓破壞以及頂板受剪切破壞的頻次增加，尤其是三角煤區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致煤體破碎程度進(jìn)一步加大，而隨著巖層頂梁結(jié)構(gòu)的剪切力和彎矩的增大，關(guān)鍵層可能出現(xiàn)超前斷裂[18]，3月5日—3月13日發(fā)生了22次能量>105J的破壞級(jí)微震事件，將其單獨(dú)分析如圖9(a)所示，球體大小代表能量高低、顏色則表示距離煤層的距離，可以看出大能量微震事件發(fā)生于超前工作面的煤層頂板位置，最大斷裂高度達(dá)到工作面頂板低位關(guān)鍵層，并呈現(xiàn)上部事件少、能量較小，下部事件多、能量較大的二維分布；分析大能量微震事件發(fā)生的層位與連續(xù)性認(rèn)為，關(guān)鍵層在周期來(lái)壓的誘導(dǎo)下發(fā)生超前斷裂，積聚的彈性能突然釋放并以震動(dòng)波的形式對(duì)下部煤巖體施加動(dòng)載荷，造成下部煤巖體累積應(yīng)力明顯突增，進(jìn)而引發(fā)連續(xù)性的大規(guī)模強(qiáng)礦震現(xiàn)象，該分析結(jié)果與破壞級(jí)微震事件的超前分布形態(tài)相符；在能量集中釋放后，應(yīng)力重新分布趨于穩(wěn)定的同時(shí)又進(jìn)入了新一輪的能量聚集期，因而超前影響階段的微震響應(yīng)特征可概括為“低頻次、高能量”。

圖9 破壞級(jí)微震事件二維分布

過(guò)廢棄巷階段頂板平均日頻次為162次，分別為前2階段的2.16、1.44倍；日均釋放總能量1.03×106J，分別為前2階段的14.9、2.11倍。從曲線變化特征可以看出：從剛揭露廢棄巷開始，微震活躍程度出現(xiàn)劇烈變化，微震事件頻次和能量均處于很高水平并存在同步突變的響應(yīng)特征，在4月6日以后才基本趨于動(dòng)態(tài)平衡。分析認(rèn)為出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因有2方面：① 上一階段超前應(yīng)力已導(dǎo)致廢棄巷圍巖局部失穩(wěn)、三角煤柱區(qū)域支承能力大幅度降低，甚至出現(xiàn)了頂板低位關(guān)鍵層超前斷裂，因此，進(jìn)入廢棄巷一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了明顯的支護(hù)困難，應(yīng)力集中程度顯著增加；另外，推進(jìn)速度在被動(dòng)的情況下出現(xiàn)減緩也是導(dǎo)致嚴(yán)重礦壓顯現(xiàn)的重要原因；② 隨著工作面向前推進(jìn)，工作面與空巷之間三角煤柱寬度逐漸減小并出現(xiàn)失穩(wěn)，上覆厚而堅(jiān)硬的巖層懸露面積逐漸增大，其應(yīng)力集中程度與積蓄的彈性能也隨之升高并到達(dá)峰值，當(dāng)高位關(guān)鍵層固支邊所受拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)發(fā)生高位關(guān)鍵層的瞬時(shí)破斷失穩(wěn)[19]，分析3月27日—4月13日33個(gè)破壞級(jí)微震事件(包括2個(gè)106J級(jí))分布，如圖9(b)所示。破壞級(jí)微震事件最大破裂高度達(dá)到煤層上方100 m左右，即高位關(guān)鍵層位置出現(xiàn)宏觀的瞬時(shí)斷裂，其破斷必然導(dǎo)致覆巖大結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，并出現(xiàn)向下部巖層劇烈沖擊的現(xiàn)象，彈性能的突然釋放與原有應(yīng)力相互疊加，得下部煤巖體出現(xiàn)更多、更大能量的微震事件。高位關(guān)鍵層發(fā)生垮落的微震事件特征是“高頻次、高能量”，高頻次說(shuō)明開采擾動(dòng)的影響范圍較大、微震活躍性較高，高能量說(shuō)明巖層出現(xiàn)的宏觀破裂較多，煤巖體破碎嚴(yán)重，與相關(guān)文獻(xiàn)[20]所得出的結(jié)論相符。

4.2 頂板能量離散系數(shù)分析

煤巖體一旦發(fā)生破裂就會(huì)出現(xiàn)一次微震事件，其頻次、密集程度以及能量大小綜合反映了煤巖體受力的破壞程度，由于單日微震事件發(fā)生頻次不同、微震事件的能量等級(jí)也具有較大差異，例如當(dāng)單日微震事件總能量較大時(shí)，存在3種可能的情況：① 微震事件頻次較少，但大能量事件較多；② 微震事件頻次較多，但以小能量事件為主；③ 微震事件頻次較多，且大能量事件較多。上述情況均會(huì)導(dǎo)致單日總能量較大，因此，如何在頻次不同的情況下量化分析每日微震事件能量差異變化，并描述破壞級(jí)微震事件在不同開采階段中的特殊性以及危險(xiǎn)程度，本文根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)中測(cè)度數(shù)據(jù)離散程度的相關(guān)指標(biāo)[21]，提出使用能量離散系數(shù)(AE)分析破壞級(jí)微震事件在發(fā)生前以及發(fā)生時(shí)的演化規(guī)律：

(2)

根據(jù)式(2)計(jì)算每日微震事件的能量離散系數(shù)值并匯總于圖10，可以看出能量離散系數(shù)在3個(gè)階段劇烈變化并呈現(xiàn)一定規(guī)律，具體表現(xiàn)為在破壞級(jí)微震事件發(fā)生前以及發(fā)生時(shí)，會(huì)出現(xiàn)前后2個(gè)離散系數(shù)異常區(qū)：前者以應(yīng)力異常作為主要誘發(fā)因素，導(dǎo)致能量離散系數(shù)突增并保持在較高水平，該值一般大于7，例如2月29日工作面超前應(yīng)力影響到廢棄巷圍巖并出現(xiàn)應(yīng)力異常、3月25日揭露廢棄巷并導(dǎo)致下端頭三角煤柱區(qū)域出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象；“第2個(gè)離散系數(shù)異常區(qū)”也稱為“災(zāi)變區(qū)”，即為破壞級(jí)微震事件頻發(fā)的時(shí)期，“第1個(gè)能量離散異常區(qū)”結(jié)束并出現(xiàn)離散系數(shù)驟降的突變即為大規(guī)模強(qiáng)震的重要征兆，而周期來(lái)壓則極易成為大規(guī)模強(qiáng)震的直接誘因[20]。

圖10 頂板能量離散系數(shù)變化曲線

另外，利用能量離散系數(shù)分析3個(gè)階段除關(guān)鍵層破斷以外的周期來(lái)壓差異，選取A，B和C點(diǎn)的周期來(lái)壓進(jìn)行對(duì)比分析，其周期來(lái)壓后均出現(xiàn)離散系數(shù)先減小后增大的情況，A點(diǎn)為正常階段的周期來(lái)壓，其來(lái)壓過(guò)后出現(xiàn)緩慢的應(yīng)力重新分布過(guò)程，因而其離散系數(shù)呈現(xiàn)平緩分布；反觀B，C點(diǎn)周期來(lái)壓后則呈現(xiàn)突變，甚至出現(xiàn)了“第2個(gè)離散系數(shù)異常區(qū)”，說(shuō)明高位關(guān)鍵層和低位關(guān)鍵層破斷后對(duì)于周期來(lái)壓的影響與正常開采階段具有顯著差異，具體表現(xiàn)為C點(diǎn)后的應(yīng)力重新分布仍可能導(dǎo)致破壞級(jí)微震事件的發(fā)生，說(shuō)明在高位關(guān)鍵層破斷后，能量釋放雖逐漸趨于穩(wěn)定，但由于其擾動(dòng)范圍很大，對(duì)煤巖體的穩(wěn)定性具有嚴(yán)重影響，因而部分仍處于極限平衡狀態(tài)的煤巖體在周期來(lái)壓的誘導(dǎo)下仍可能出現(xiàn)宏觀破壞，即出現(xiàn)“第2個(gè)離散異常區(qū)”，需要注意的是，該情況下的破壞是由周期來(lái)壓引發(fā)并在瞬間完成，持續(xù)時(shí)間很短，這與關(guān)鍵層破斷導(dǎo)致的連續(xù)性的大規(guī)模強(qiáng)震存在顯著差異；而B點(diǎn)后的能量離散系數(shù)突變幅度較小(AE<7)，說(shuō)明能量分布差異較小，處于動(dòng)態(tài)平衡的同時(shí)并未出現(xiàn)破壞級(jí)微震事件，表明了低位關(guān)鍵層破斷趨于穩(wěn)定后對(duì)工作面開采影響較小[19]。因此，明顯與過(guò)廢棄巷階段C點(diǎn)的周期來(lái)壓不同，廢棄巷超前影響階段在能量集中釋放之后直接進(jìn)入了新一輪的能量積聚過(guò)程。

4.3 空間雙因子分析

前文根據(jù)能量離散系數(shù)，研究了在大規(guī)模強(qiáng)震發(fā)生時(shí)的差異性演化規(guī)律及前兆特征，并分析了在不同階段的周期來(lái)壓差異情況，而煤巖體破壞程度不僅與能量相關(guān)，微震事件的震源分布和聚集程度也是其重要的判別指標(biāo)，若微震事件在一個(gè)區(qū)域內(nèi)聚集程度越高，認(rèn)為此區(qū)域破壞越嚴(yán)重，反之則越完整。根據(jù)地層沉積特點(diǎn)，即沿某個(gè)固定方向上的性質(zhì)變異程度較小，因此為便于研究，類比于平面應(yīng)變問(wèn)題，將微震事件分布視為沿煤層走向與垂直于煤層走向的二維平面問(wèn)題(即X-O-Z坐標(biāo)平面)，而將Y方向的事件投影到研究平面，因此，把每日微震事件作為二維變量的集合T，而單個(gè)微震事件則為一個(gè)二維向量t=(p,q)，其中p,q分別為X軸和Z軸對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值。如圖11所示，微震事件T總能在二維平面X-O-Z構(gòu)成一個(gè)具有橢圓形輪廓的包絡(luò)線，但由于其邊界不規(guī)則，不利于對(duì)其進(jìn)行聚集程度進(jìn)行描述，因此本文引入2D-PCA法對(duì)平面上的微震事件進(jìn)行規(guī)范化，2D-PCA法原理如圖11所示，即通過(guò)新設(shè)定的坐標(biāo)系X′O′Z′，將盡量多的散點(diǎn)圈定在置信橢圓長(zhǎng)軸、短軸所形成的包絡(luò)線的范圍內(nèi)，而置信橢圓的主軸半徑和方向則分別由協(xié)方差矩陣的特征值和特征向量決定[22]。

圖11 基于2D-PCA法的微震事件規(guī)范化示意

因此，為定量描述微震事件的聚集程度，提出“空間雙因子”的概念對(duì)其進(jìn)行分析，即通過(guò)計(jì)算置信橢圓的面積因子S以及確定長(zhǎng)軸線與煤層面所夾的角度因子α(0°≤α≤90°)分析微震事件的聚集程度及分布特征。① 若S越大，說(shuō)明在研究區(qū)域內(nèi)的微震事件相對(duì)越多，煤巖體內(nèi)的裂隙發(fā)展速度越快、破壞也越嚴(yán)重；② 若與煤層面的角度因子α越接近0°時(shí)，說(shuō)明裂隙橫向發(fā)育程度較大，此時(shí)更應(yīng)注意頂板巖層整體垮落以及大面積來(lái)壓，研究路線如圖12所示。

圖12 空間雙因子分析流程

對(duì)3個(gè)開采階段頂板的微震事件進(jìn)行平面坐標(biāo)投影，按照?qǐng)D12的技術(shù)路線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并分析，得出3個(gè)階段的頂板雙因子變化曲線如圖13所示：① 正常開采階段的面積因子S較小，主要分布在3 000～3 500 m2，而角度因子α則主要集中在30°～60°，其中大于45°的次數(shù)居多，表明正常開采階段的微裂隙穩(wěn)定發(fā)展的同時(shí)存在緩慢向高位巖層孕育的趨勢(shì)；② 在周期來(lái)壓期間，S突增而α突降，結(jié)合頂板能量離散系數(shù)可以很好的解釋基本頂?shù)钠茢噙\(yùn)動(dòng)，即來(lái)壓前以“小能量、微破裂”緩慢向上發(fā)展，來(lái)壓時(shí)以小角度發(fā)生斷裂并對(duì)工作面造成來(lái)壓顯現(xiàn)，導(dǎo)致頂板微震頻次與能量同步增大；③ 在廢棄巷圍巖開挖卸載以及廢置的過(guò)程中，其上部一定范圍內(nèi)存在巖體損傷區(qū)，而由于垂直應(yīng)力作用，在豎直方向上的巖體損傷范圍往往大于水平方向，因此當(dāng)裂紋擴(kuò)展至該損傷范圍時(shí)，巖性的不同會(huì)導(dǎo)致裂紋的擴(kuò)展方向出現(xiàn)很大的偏轉(zhuǎn)[23]，即繞過(guò)強(qiáng)介質(zhì)并沿弱面方向繼續(xù)擴(kuò)展。因此廢棄巷的存在，阻礙了微裂隙的橫向發(fā)展，進(jìn)而轉(zhuǎn)到豎直方向沿弱面擴(kuò)展并在2月29日出現(xiàn)了1個(gè)頂板局部失穩(wěn)的破壞級(jí)微震事件，該分析解釋了圖8中頂板微震事件總頻次、總能量以及圖10中能量離散系數(shù)異常增大的原因。

圖13 頂板巖層雙因子變化

工作面開采進(jìn)入廢棄巷超前影響階段后，α先是以大角度(>60°)進(jìn)一步向上部巖層擴(kuò)展，即裂隙高位孕育期，后在周期來(lái)壓誘導(dǎo)下引發(fā)低位關(guān)鍵層破斷導(dǎo)致α突然降低(G區(qū)域)，但由于是超前斷裂，下部煤巖體對(duì)其具有一定的約束作用，因而往自由面運(yùn)動(dòng)的空間較小、面積因子S較小(G′區(qū)域)，另外結(jié)合能量離散系數(shù)AE進(jìn)行分析，可以得出微震事件以小角度聚集分布(<30°)，范圍較小而能量釋放較大(即低頻次、高能量)，說(shuō)明大能量微震事件頻發(fā)導(dǎo)致下部煤巖體破壞嚴(yán)重且橫向的宏觀裂隙發(fā)育程度大。之后應(yīng)力重新分布趨于穩(wěn)定后，α，S逐漸增大并維持在較高水平，表明微震事件隨工作面向前推進(jìn)開始向更高位的巖層孕育。覆巖高位關(guān)鍵層破斷后的α表現(xiàn)出與低位關(guān)鍵層破斷同樣的變化趨勢(shì)，即從60°以上突降到30°以下(F區(qū)域)，不同之處為面積因子S則呈現(xiàn)突增并保持一段高值(F′區(qū)域)，表明頂板巖層大結(jié)構(gòu)瞬時(shí)失穩(wěn)，出現(xiàn)頂板整體垮落、煤柱失穩(wěn)等現(xiàn)象，破壞范圍遠(yuǎn)大于前兩階段。另外，可以發(fā)現(xiàn)除G區(qū)域外，當(dāng)角度因子α較小時(shí)，裂隙以橫向發(fā)育為主，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頂板面積因子S往往處于高值，如D′點(diǎn)、E′點(diǎn)、F′區(qū)域；而關(guān)鍵層破斷前均會(huì)存在裂隙向高位巖層孕育的時(shí)期，表明角度因子能夠較好的描述頂板巖層的活動(dòng)狀態(tài)，而面積因子結(jié)合能量離散系數(shù)則可以解釋裂隙的發(fā)展速度以及煤巖體的損傷程度。

5 基于主成分-熵值法的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法

能量離散系數(shù)AE、空間雙因子S，α可以分別從不同的角度描述巖層的微震活動(dòng)特征以及損傷程度。AE，S越大，表明破壞越嚴(yán)重、危險(xiǎn)性越大；頂板α越小則表明橫向裂隙發(fā)育，頂板的整體垮落導(dǎo)致沖擊的危險(xiǎn)性越高。因此，在上述研究成果的基礎(chǔ)上，為綜合評(píng)價(jià)在不同開采階段的頂板危險(xiǎn)性程度，首先以AE，S和α作為影響因素，利用主成分分析進(jìn)行無(wú)量綱處理并與熵權(quán)法確定綜合權(quán)重Wi；之后通過(guò)建立脆弱性指數(shù)模型對(duì)頂板的危險(xiǎn)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)；最后借助GIS技術(shù)繪制危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)圖。

5.1 主成分-熵權(quán)法的權(quán)重確定

借助主成分分析法的思想對(duì)AE，S和α進(jìn)行歸一化處理，消除量綱的影響的同時(shí)將其轉(zhuǎn)變?yōu)?個(gè)相互無(wú)關(guān)的主成分F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，并通過(guò)計(jì)算主成分得分系數(shù)與相應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率確定權(quán)重[20]，即

(3)

式中，W′i為第i個(gè)影響因素的權(quán)重，i=1,2,3；aj為第j個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率，j=1,2,3；bij為第i個(gè)影響因素在第j個(gè)主成分中的得分系數(shù)。

為減少主觀判斷對(duì)權(quán)重的影響，采用熵值法確定影響因素的客觀權(quán)重，若熵權(quán)值越小，則說(shuō)明不確定性越大，對(duì)系統(tǒng)的影響程度也就越大，所以通過(guò)熵權(quán)法確定權(quán)重能夠很好的衡量各因素對(duì)于頂板危險(xiǎn)性的影響程度，其熵權(quán)W″i[24]為

(4)

式中，W″i為熵權(quán)值；Ri為第i個(gè)影響因素的熵。

根據(jù)主成分分析法、熵權(quán)法分別確定出權(quán)重W′i和W″i后，為結(jié)合2者在賦權(quán)上各自的優(yōu)點(diǎn)，采用線性分析[25]的方式進(jìn)行綜合權(quán)重Wi的確定，即Wi=γW′i+(1-γ)W″i，其中γ取0.5。使用SPSS25.0軟件對(duì)初始值進(jìn)行無(wú)量綱處理，并分別計(jì)算W′i，W″i，最后求取結(jié)果見表2。

表2 影響因素的權(quán)重匯總

5.2 頂板危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

圖14 影響因素歸一化專題

從圖15可以看出，工作面頂板巖層在不同開采階段的危險(xiǎn)性等級(jí)差異較大，其中正常開采階段基本以“Ⅴ級(jí)、Ⅵ級(jí)”為主，較為安全。廢棄巷超前影響階段的危險(xiǎn)程度基本可分為前后2個(gè)時(shí)段，前段以“Ⅱ級(jí)、Ⅰ級(jí)”為主，受低位關(guān)鍵層破斷的影響，高度主要集中在0～30 m，且危險(xiǎn)性等級(jí)呈上小、下大；后段則由于三角煤區(qū)域應(yīng)力集中，以“Ⅲ級(jí)”為主。過(guò)廢棄巷階段“Ⅰ級(jí)”區(qū)域主要集中在頂板0～60 m，而“Ⅱ級(jí)”區(qū)域則延伸到頂板上方110 m左右，說(shuō)明高位關(guān)鍵層破斷導(dǎo)致巖層出現(xiàn)不同程度的損傷，危險(xiǎn)區(qū)域的范圍遠(yuǎn)大于前兩階段?？傊?，在紅色的“Ⅰ級(jí)”很危險(xiǎn)區(qū)域，由于微震能量大、聚集程度高，且橫向裂隙發(fā)育，具有極大的沖擊危險(xiǎn)性；相反深藍(lán)色的Ⅵ級(jí)區(qū)域則表現(xiàn)為相對(duì)安全。因此，通過(guò)能量離散系數(shù)AE、空間雙因子S，α所進(jìn)行的危險(xiǎn)性分區(qū)能夠較好描述巖層的損傷程度與運(yùn)移特征，研究成果可為類似條件下工作面過(guò)廢棄巷時(shí)頂板支護(hù)管理以及災(zāi)害防治提供依據(jù)和參考。

圖15 頂板危險(xiǎn)性綜合評(píng)價(jià)

6 結(jié) 論

(1)正常開采階段、廢棄巷超前影響階段以及過(guò)廢棄巷階段分別以“低頻次、低能量”；“低頻次、高能量”；“高頻次、高能量”為主要微震響應(yīng)特征，高頻次說(shuō)明開采擾動(dòng)的影響范圍較大、微震活躍性較高，高能量說(shuō)明煤巖體出現(xiàn)的宏觀破裂較多、破碎嚴(yán)重。

(2)頂板強(qiáng)震發(fā)生時(shí)，存在前后2個(gè)AE異常區(qū)，前者以應(yīng)力異常作為主要誘發(fā)因素，導(dǎo)致AE突增到7以上，后者以周期來(lái)壓作為直接誘因，引發(fā)大規(guī)模強(qiáng)震現(xiàn)象，而前異常區(qū)結(jié)束并出現(xiàn)離散系數(shù)驟降的突變即為后異常區(qū)(即“災(zāi)變區(qū)”)出現(xiàn)的重要前兆。

(3)角度因子一般集中在30°～60°，但在周期來(lái)壓時(shí)α<30°，且關(guān)鍵層破斷前的α?xí)?60°的高角度向上孕育，后以<30°的小角度發(fā)生破斷；面積因子S在高位關(guān)鍵層破斷以及周期來(lái)壓時(shí)會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)突增，而低位關(guān)鍵層超前斷裂所導(dǎo)致的S較小，但AE值較大、煤巖體破碎程度較大。α能夠較好的描述巖層的活動(dòng)狀態(tài)，而S結(jié)合AE值則可以解釋裂隙的發(fā)展速度以及煤巖體的損傷程度。

(4)不同開采階段的危險(xiǎn)程度共劃分為6個(gè)等級(jí)，其中過(guò)廢棄巷階段煤層上方0～60 m以及廢棄巷超前影響階段的煤層頂板0～30 m區(qū)域發(fā)生整體垮落和大面積來(lái)壓的可能性最大，應(yīng)為重點(diǎn)防治區(qū)域。