基于微震與數(shù)值模擬的隱伏構(gòu)造活化識(shí)別方法研究

王四戌，李連崇，牟文強(qiáng)，余國鋒，魏廷雙，劉曉國，韓云春，任 波

（1.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.煤炭開采國家工程技術(shù)研究院 深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；3.淮河能源煤業(yè)分公司 潘二煤礦，安徽 淮南 232091；4.淮河能源煤業(yè)分公司 張集煤礦，安徽 淮南 232174）

隨著開采深度的不斷增加，我國多數(shù)煤田已進(jìn)入深部開采階段。工作面發(fā)生突水的風(fēng)險(xiǎn)越來越高，特別是華北型煤田，深部煤層受底板奧灰水影響較大，底板巖溶水極易通過斷層等導(dǎo)水構(gòu)造涌入礦井，而造成突水災(zāi)害[1-3]。斷層是天然的涌水通道，一旦受到擾動(dòng)活化，將會(huì)導(dǎo)通奧灰系含水層發(fā)生突水事故[4]。因此，如何及時(shí)采取有效的預(yù)防措施，對減少煤礦水害事故，保證安全帶壓開采具有重要意義。

微震監(jiān)測作為一種行之有效的監(jiān)測手段，現(xiàn)已成為深部礦山災(zāi)害監(jiān)測的基本手段。劉曉國等提出利用錨桿安裝微震傳感器，實(shí)現(xiàn)了對工作面突水危險(xiǎn)區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控[5]；王平等通過分析微震事件的分布特征，揭露了斷層的活化規(guī)律[6]；姜福興等根據(jù)微震監(jiān)測與數(shù)值模擬耦合結(jié)果，揭示了采動(dòng)引起的構(gòu)造活化和災(zāi)變的機(jī)制[7]；馬天輝等通過對比現(xiàn)場實(shí)際情況和微震監(jiān)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)了微震的時(shí)空演化與巖爆之間的關(guān)系[8]；趙周能等研究了深埋隧洞微震活動(dòng)區(qū)與巖爆之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了微震事件聚集區(qū)的巖爆規(guī)律[9]；Bokelmann、Fresno、Takada等研究了微震活動(dòng)與構(gòu)造應(yīng)力之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)了巖體的破裂過程與構(gòu)造應(yīng)力有關(guān)[10-12]；劉超等根據(jù)微震監(jiān)測信號(hào)屬性不同的特征規(guī)律，提出了微震事件的識(shí)別與標(biāo)定分析方法[13]；程關(guān)文等通過分析微震事件的空間分布特征和震源參數(shù)規(guī)律，識(shí)別出了工作面的隱伏構(gòu)造[14-16]。前人的研究成果證明，微震監(jiān)測技術(shù)對深部礦山巖石動(dòng)力災(zāi)害有良好的監(jiān)測效果。因此，通過微震系統(tǒng)監(jiān)測采場內(nèi)巖層異常破裂情況，基于數(shù)值模擬推演斷層帶應(yīng)力遷移、反演其活化過程。

1 工程概況

張集煤礦屬于淮南煤田，位于鳳臺(tái)縣城西20 km處，行政區(qū)劃隸屬于鳳臺(tái)縣張集鎮(zhèn)。1612A工作面位于礦區(qū)西三1煤上采區(qū)第2個(gè)工作面，北部為1611A工作面，南部為1613A工作面。工作面走向長約1569m，傾向長約200m，煤層水平位置約-540 m，1612A工作面及微震系統(tǒng)布設(shè)如圖1。

圖1 1612A工作面及微震系統(tǒng)布設(shè)Fig.1 Layout of1612A working face and MS system

1612A工作面軌運(yùn)巷共揭露21條斷層，其中對回采影響較大的斷層為F1611A76、F1612A77、F1611A78、F1611A80。1612A工作面開采煤層為1煤，厚2.1～9.1m，平均6.3m。在工作面底板法距120m以下發(fā)育有奧陶系灰?guī)r含水層，工作面斷層帶及裂隙發(fā)育處可成為奧灰系含水層的導(dǎo)水通道，威脅工作面的安全回采。

張集煤礦于2019年初搭建起1612A工作面實(shí)時(shí)微震監(jiān)測系統(tǒng)，并對高應(yīng)力區(qū)煤巖破裂進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、定位及分析[5]，形成微震數(shù)據(jù)24h實(shí)時(shí)連續(xù)采集、集中分析的模式，對微震活動(dòng)、斷層活化進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，并基于微震數(shù)據(jù)對可能發(fā)生涌水的區(qū)域預(yù)測預(yù)報(bào)。為提高斷層區(qū)域監(jiān)測精度，微震傳感器多分布于影響較大的斷層附近。在1612A工作面軌道巷、1613A底抽巷分別選擇12個(gè)測點(diǎn)安裝微震傳感器，其中，1號(hào)測點(diǎn)距離開切眼240m，13號(hào)測點(diǎn)距離左邊聯(lián)絡(luò)巷210m，相鄰2個(gè)測點(diǎn)間距離約100m。

2 回采工作面內(nèi)隱伏構(gòu)造活化識(shí)別

2.1 基于微震監(jiān)測的隱伏構(gòu)造活化識(shí)別

1612A工作面完成微震系統(tǒng)組網(wǎng)監(jiān)測以來，監(jiān)測效果良好，共監(jiān)測到10～40000J能量微震事件3863個(gè)，1000J以上大能量微震事件446個(gè)。監(jiān)測得到的微震事件時(shí)空分布如圖2。

圖2 微震事件時(shí)空分布圖Fig.2 Top view of temporal and spatial distribution of MS events

微震事件密度云圖如圖3。由圖3可以看出，工作面存在典型的微震事件密集分布區(qū)域，第1個(gè)區(qū)域（Ⅰ區(qū)）為F1611A76～F1611A77斷層區(qū)域，在平面上以斷層為中心展開分布，該區(qū)域主要是受回采活動(dòng)的影響；第2個(gè)區(qū)域（Ⅱ區(qū)）位于距離開切眼約738～917 m范圍，該區(qū)域在巷道掘進(jìn)中未揭露斷裂構(gòu)造。從時(shí)間特征來看，微震事件密集區(qū)域具有典型的時(shí)間階段性，Ⅰ區(qū)于2019年4月17日出現(xiàn)微震事件，此時(shí)工作面距離Ⅰ區(qū)約102m，4月24日后（工作面距離Ⅰ區(qū)約56m），日微震事件數(shù)量逐漸增加，其后Ⅰ區(qū)微震事件開始呈現(xiàn)密集趨勢；Ⅱ區(qū)于5月6日出現(xiàn)微震事件，此時(shí)工作面距離Ⅱ區(qū)約113m，其后Ⅱ區(qū)微震事件逐漸增加。

圖3 微震事件密度云圖Fig.3 Cloud chart of MS event density

微震事件在空間范圍內(nèi)也出現(xiàn)了典型區(qū)域性分布的特點(diǎn)，斷層帶所產(chǎn)生的Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)相對比具有相似性。因此，Ⅱ區(qū)疑似有隱伏構(gòu)造，因擾動(dòng)產(chǎn)生大量微震事件。聚類分析微震事件，得到的微震事件數(shù)量時(shí)空變化如圖4。

圖4 微震事件數(shù)量時(shí)空變化Fig.4 Temporal and spatial distribution of MS events amount

微震事件多分布于頂板，頂板微震事件的高度根據(jù)集中趨勢大致可分為0～40、＞40～160、＞160m；底板微震事件多分布于底板近場區(qū)域，底板微震事件深度根據(jù)集中趨勢大致可分為0～40、＞40～160、＞160m。由圖4可以看出，微震事件集中產(chǎn)生于4—6月，且5月微震事件最多，該時(shí)期工作面回采Ⅰ區(qū)域，期間頂板微震事件最多；對比分析，5—7月期間產(chǎn)生底板微震事件最多，底板微震事件貫通范圍均達(dá)到了40m；其中，6月和7月工作面回采Ⅱ區(qū)域。此外，6月頂板微震事件數(shù)量遠(yuǎn)低于5月，與7月頂板微震事件數(shù)量相當(dāng)。據(jù)此，初步判定Ⅱ區(qū)及其臨近區(qū)域存在隱伏構(gòu)造。

微震能量可反應(yīng)巖層的破裂強(qiáng)弱，計(jì)算的微震能量分布時(shí)空如圖5。

圖5 微震能量時(shí)空分布Fig.5 Temporal and spatial distribution of MS energy

微震事件釋放的能量主要集中在煤層頂板區(qū)域，微震事件在煤層底板區(qū)域釋放能量較少，且超過1000J能量的微震事件較少。分析不同時(shí)期微震事件累計(jì)能量，發(fā)現(xiàn)微震事件釋放累計(jì)能量集中于4—6月，從4月開始微震事件累計(jì)釋放能量逐漸增加，至6月達(dá)到峰值，隨后減少。對4—6月各埋深范圍內(nèi)微震事件累計(jì)釋放能量進(jìn)行分析，6月累計(jì)釋放能量最多，且底板累計(jì)釋放能量也最多。該時(shí)期微震事件釋放較多能量，主要原因：①Ⅰ區(qū)采空區(qū)周期來壓，頂板逐漸垮落，頂板斷層下沉，產(chǎn)生大量微震事件；②該時(shí)期工作面回采Ⅱ區(qū)，隱伏構(gòu)造受回采影響，發(fā)生擾動(dòng)產(chǎn)生大量底板微震事件。綜上分析，大能量微震事件多分布于頂板巖層，Ⅰ區(qū)微震事件釋放能量較多，Ⅱ區(qū)主要分布大量底板內(nèi)小能量微震事件。由此可認(rèn)為，Ⅱ區(qū)隱伏構(gòu)造沿頂板延伸范圍有限，主要沿底板延伸分布。

根據(jù)巖層破裂所釋放能量在空間內(nèi)的分布特征，可以得到單位體積所釋放的能量，即能量密度，其能反映區(qū)域內(nèi)巖體破裂及其應(yīng)力集中后的釋放程度。微震反映了巖體彈性能釋放的過程，完整巖體的集中應(yīng)力和積蓄能量都較大，極易發(fā)生大能量微震事件，如沖擊地壓等。因此高能量密度與較完整巖體相對應(yīng)、低能量密度與非完整巖體相對應(yīng)，進(jìn)而反映了巖石的完整度。微震事件的產(chǎn)生與巖體結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力相關(guān)，即微震事件是巖體結(jié)構(gòu)對應(yīng)力的響應(yīng)。微震事件其實(shí)是應(yīng)力場的“顯現(xiàn)”，巖體處于原巖應(yīng)力狀態(tài)不會(huì)產(chǎn)生微震事件，而回采活動(dòng)導(dǎo)致巖體的擾動(dòng)應(yīng)力高于原巖應(yīng)力，便會(huì)產(chǎn)生微震事件。擾動(dòng)應(yīng)力越大，微震事件釋放的能量越大。當(dāng)巖體破壞后，應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，巖體將達(dá)到新的平衡狀態(tài)[17]。1612A工作面微震事件能量密度云圖如圖6。

圖6 微震事件能量密度云圖Fig.6 Energy density cloud chart of microseismic events

微震事件釋放能量最大區(qū)域并非斷層區(qū)域，而是Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)之間的過渡區(qū)域。實(shí)際上，由于該過渡區(qū)兩端存在斷裂構(gòu)造，即該區(qū)域形成孤島工作面[18]，出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)微震能量密度在Ⅱ區(qū)存在1個(gè)明顯的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，則進(jìn)一步推斷該區(qū)域存在破碎帶。

2.2 基于數(shù)模應(yīng)力場反演分析

為更好地解釋該種能量釋放-應(yīng)力集中現(xiàn)象，構(gòu)建1612A工作面簡化的數(shù)值模型，模擬該區(qū)域應(yīng)力場演化過程。為驗(yàn)證Ⅱ區(qū)是否存在斷裂構(gòu)造，分別構(gòu)建對Ⅱ區(qū)的2種不同工況的數(shù)值模型：①過F1611A76～F1611A77斷層后為完整巖層帶，即Ⅱ區(qū)不存在隱伏構(gòu)造；②過F1611A76～F1611A77斷層后為軟弱破碎巖層帶，即Ⅱ區(qū)存在隱伏構(gòu)造?；贛ohr Coulomb準(zhǔn)則分別構(gòu)建模型進(jìn)行應(yīng)力演化計(jì)算，數(shù)值計(jì)算模型如圖7。Ⅱ區(qū)無構(gòu)造影響下的應(yīng)力場演化如圖8，Ⅱ區(qū)有構(gòu)造影響下的應(yīng)力場演化如圖9。

圖7 數(shù)值計(jì)算模型Fig.7 Numerical calculation model

圖8 Ⅱ區(qū)無構(gòu)造影響下的應(yīng)力場演化Fig.8 Stress field evolution without structure influence in ZoneⅡ

圖9 Ⅱ區(qū)有構(gòu)造影響下的應(yīng)力場演化Fig.9 Stress field evolution under the influence of structure in ZoneⅡ

在初始和初期開挖狀態(tài)下，在只有一端存在破碎區(qū)域的情況下（F1611A76～F1611A77），應(yīng)力集中范圍僅分布于工作面煤壁附近，影響范圍有限；若兩端均存在破碎區(qū)域時(shí)，過渡區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，影響范圍較大。第1種工況下，隨著工作面推進(jìn)，巖體應(yīng)力分布無明顯變化規(guī)律，影響范圍僅限于破碎區(qū)域附近；第2種工況下，隨著工作面推進(jìn)，過渡區(qū)巖體應(yīng)力集中明顯，當(dāng)工作面靠近另一端破碎區(qū)域時(shí)，破碎區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力釋放現(xiàn)象。

同時(shí)，在無隱伏構(gòu)造干擾下，隨著工作面回采一般在圍巖中存在規(guī)律性的應(yīng)力集中分布，其釋放能量則不會(huì)存在較大的轉(zhuǎn)變特征，這與現(xiàn)場監(jiān)測得到的能量變化特征是不一致的；而在假定其存在隱伏構(gòu)造的狀態(tài)下，在完成其過渡區(qū)回采后而到達(dá)Ⅱ區(qū)時(shí)，在巖層內(nèi)不存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，與微震事件所釋放的能量密度云圖是一致的：即在2個(gè)破碎帶的過渡區(qū)內(nèi)存在明顯的高能現(xiàn)象，即應(yīng)力集中較大，但在過了破碎區(qū)域后進(jìn)入新階段，此時(shí)的能量釋放量會(huì)出現(xiàn)明顯改變，與應(yīng)力在進(jìn)入破碎區(qū)的演化規(guī)律是一致的。因此，含隱伏構(gòu)造下的模擬結(jié)果對微震監(jiān)測的能量釋放現(xiàn)象具有良好解譯性，即兩端存在斷裂構(gòu)造的過渡區(qū)，受到擾動(dòng)應(yīng)力后，原巖應(yīng)力場發(fā)生轉(zhuǎn)移，應(yīng)力釋放產(chǎn)生大量微震事件，且對應(yīng)微震事件釋放的能量偏大，即過渡區(qū)域易形成微震事件數(shù)量和能量的聚集區(qū)。因此，數(shù)值模擬下的第2種工況符合監(jiān)測結(jié)果，可判定Ⅱ區(qū)存在隱伏構(gòu)造。

3 現(xiàn)場驗(yàn)證

通過監(jiān)測結(jié)果預(yù)先圈定隱伏構(gòu)造區(qū)域，2019年5月6日至2019年5月17日Ⅱ區(qū)微震事件聚集，聚集區(qū)域主要為靠近1612A工作面軌運(yùn)巷一側(cè)距離開切眼738～781m范圍。由于該微震事件聚集區(qū)域在軌運(yùn)巷掘進(jìn)過程中并未揭露斷層，懷疑存在隱伏構(gòu)造，于2019年5月21日下井現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)軌運(yùn)巷距離開切眼約746m位置頂板和側(cè)壁煤層均出現(xiàn)小范圍破碎現(xiàn)象。從而證實(shí)，Ⅱ區(qū)確實(shí)存在未探明隱伏構(gòu)造，該隱伏構(gòu)造受到回采活動(dòng)影響，發(fā)生擾動(dòng)而產(chǎn)生大量微震事件。同時(shí)，在工作面實(shí)施了槽波勘探，對其異常區(qū)進(jìn)行探測，1612A工作面槽波勘探結(jié)果如圖10。

圖10 1612A工作面槽波勘探結(jié)果Fig.10 Exploration results of guided waves in1612A working face

由圖10可以看出，槽波勘探對構(gòu)造異常比較敏感，其探測異常區(qū)可作為存在地質(zhì)構(gòu)造的間接反映。對1612A工作面進(jìn)行槽波勘探，結(jié)果表明：1612A工作面共劃定9處異常區(qū)：異常區(qū)1～異常區(qū)3位于工作面切眼附近，異常區(qū)4～異常區(qū)5位于工作面中部，異常區(qū)6～異常區(qū)9位于工作面收作線附近。其中，異常區(qū)4～異常區(qū)5與Ⅱ區(qū)范圍重疊，結(jié)合微震監(jiān)測分析結(jié)果，表明該異常區(qū)域存在隱伏構(gòu)造。

4 結(jié) 語

1）利用微震技術(shù)對工作面斷層區(qū)域破壞進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，受采場內(nèi)地質(zhì)條件、回采進(jìn)度等綜合影響，微震事件及其震源參數(shù)在采場內(nèi)有鮮明的時(shí)空特征，通過微震事件可追蹤巖層破裂、斷層活化的過程。

2）結(jié)合微震數(shù)據(jù)及數(shù)值模擬應(yīng)力場分析，提出了采場隱伏構(gòu)造活化的識(shí)別預(yù)測方法，分析圍巖應(yīng)力場演化特征，解譯了兩端存在破碎帶的孤島工作面應(yīng)力集中現(xiàn)象，解釋了孤島工作面微震事件數(shù)量和能量密集特征。

3）通過現(xiàn)場探勘和物探手段，發(fā)現(xiàn)微震事件密集Ⅱ區(qū)軌運(yùn)巷頂板和煤壁存在破碎現(xiàn)象，工作面槽波勘探異常區(qū)4～異常區(qū)5與微震事件密集Ⅱ區(qū)重疊，驗(yàn)證了微震事件密集Ⅱ區(qū)存在隱伏構(gòu)造。