采動誘發(fā)斷層帶巖體劣化微震響應特征

朱貴旺，任 波，余國鋒，汪敏華，黨保全，羅江發(fā)，李連崇，牟文強

（1.淮南礦業(yè)集團煤業(yè)分公司，安徽 淮南 232000；2.淮南礦業(yè)集團有限責任公司 深部煤炭開采與環(huán)境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232000；3.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責任公司，安徽 淮南 232000；4.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819）

隨著我國淺部礦產(chǎn)資源枯竭，礦井開采普遍受到高地應力的影響，瓦斯突出、沖擊地壓等強動力災害威脅也日趨嚴重[1-2]。尤其是在存在斷層等地質(zhì)構(gòu)造的采場內(nèi)，開采擾動所誘發(fā)的強烈動壓現(xiàn)象會顯著增多[3]。斷層是廣泛存在于地質(zhì)巖體中的弱體結(jié)構(gòu)，開采會強烈擾動圍巖的應力分布、層移，進而造成斷層的劣化、活化，極易引發(fā)頂板巖層的異常破斷而誘發(fā)礦震活動，這已成為礦井災害防治中的典型難題之一[4-6]。而斷層活化整個過程的微震活動與礦井生產(chǎn)活動密切相關(guān)[7]。分析采動下斷層活化下的巖體破壞、劣化過程及其主要參數(shù)特征，尤其是掌握先進技術(shù)手段監(jiān)測斷層劣化過程中所表現(xiàn)出的響應特征，對揭示煤巖體結(jié)構(gòu)的動力行為以及實施有效的災害控制技術(shù)具有重大指導意義[8]。

而微震監(jiān)測能夠?qū)崿F(xiàn)對巖體的動態(tài)破壞分析，可以實現(xiàn)巖體發(fā)生強動力災害的區(qū)域和等級的定量預警、反演巖質(zhì)巖體微破裂至失穩(wěn)的過程、得到采場中采動應力響應量[9-12]。據(jù)此可分析采場覆巖運動、構(gòu)造活化災害并提出預警技術(shù)[13]。而基于震源參數(shù)響應特征分析是有效技術(shù)的關(guān)鍵，其中，微震事件頻次和能量異常時，可表征巖體在采動支承壓力的影響下屈服破壞失穩(wěn)[14]；巖體損傷與微震b 值存在一定關(guān)系，可識別和圈定深部巖體損傷區(qū)域、反映巖體穩(wěn)定性[15]；能量指數(shù)突減、累計視體積突增等特征，可表征巖體發(fā)生如巖爆、冒頂?shù)群暧^的動力響應[16]。獲取深部礦井采動誘發(fā)斷層帶巖體劣化微震震源參數(shù)的響應特征，可以得到斷層帶巖層破壞時空特性，進而為礦井災害預防與控制提供有力的理論與技術(shù)支撐。為此，以潘二礦開采深部A 組煤的大范圍擾動斷層帶為背景，通過微震監(jiān)測系統(tǒng)分析了微震震源參數(shù)響應特征及其力學機制，嘗試為礦井災害預防與控制提供重要支撐。

1 工程概況

1.1 生產(chǎn)地質(zhì)概況

淮南礦區(qū)煤層賦存條件好、儲量巨大、煤質(zhì)優(yōu)良，部分礦井已完成自淺部向深部的E、D、C、B 煤層的回采作業(yè)，目前主要開采最底層煤A 組煤。A組煤的各項條件均優(yōu)于上部各組煤層，包含有累厚可達到7 m 的3#、1#煤層，且煤質(zhì)優(yōu)良、發(fā)熱量較高，因此被稱為是礦區(qū)的“新糧倉”，是礦區(qū)未來持續(xù)發(fā)展的主要支撐煤層。但A 組煤開采所面臨的條件也是極為復雜的，尤其是受到高地應力、多煤層回采、復雜地質(zhì)構(gòu)造等不利因素威脅。

潘二煤礦隸屬于淮南礦區(qū)，目前主要開采的A組煤存在斷層異常發(fā)育的問題。其中12123 工作面主采A 組煤，上限標高為-435.6 m，下限標高為-508.1 m。工作面可采走向長1 003 m，傾斜長221 m。12123 工作面內(nèi)存有4 條巷道：沿煤層底板布置的軌道巷、運輸巷，以及在太原組C32灰?guī)r中布置的上底抽巷、下底抽巷。煤層傾角平均10°。工作面回采期間揭露斷層27 條，其中落差大于、等于5 m 的有3 條、3～5 m 的有2 條、小于3 m 的有22 條，地質(zhì)條件較為復雜，其中F12224-10及F203斷層對于工作面的回采會產(chǎn)生較大的影響，尤其是在工作面切割F12224-10斷層時勢必會發(fā)生較大的破壞，實施微震監(jiān)測具有重要意義。12123 工作面平面圖如圖1。

圖1 12123 工作面平面圖Fig.1 The plan of 12123 working face

1.2 微震監(jiān)測系統(tǒng)

微震監(jiān)測技術(shù)是基于巖石破裂所產(chǎn)生的應力波，通過微震監(jiān)測系統(tǒng)、傳感器設(shè)備采集多組波形數(shù)據(jù)而計算震源參數(shù)，進而得到巖體的破裂信息[17-18]。4 個以上的微震監(jiān)測點需要在工作面具有高程差的2 條巷道內(nèi)布置以實現(xiàn)空間交錯式采動全覆蓋。在工作面的底抽巷內(nèi)安裝微震監(jiān)測系統(tǒng)，巷道高程差約為40 m、水平間距約為130 m，同時在巷道內(nèi)微震監(jiān)測點的間距設(shè)置在80～150 m 之間。則在微震監(jiān)測所包絡的監(jiān)控區(qū)內(nèi)，能夠滿足定位微震事件的精度要求，可有效監(jiān)測斷層帶頂?shù)装逅a(chǎn)生的微破裂。

2 斷層構(gòu)造區(qū)微震演化特征

2.1 微震事件分布特征

12123 工作面自2020 年11 月26 日開始與F12224-10斷層相切，此階段內(nèi)斷層完全處于采動影響的波及范圍內(nèi)，回采期間內(nèi)微震響應顯示出典型的構(gòu)造區(qū)特征：以斷層帶為中軸線傾斜偏移分布。微震事件密度云圖如圖2。

圖2 微震事件分布特征Fig.2 Distribution characteristics of micro-seismic events

微震事件集中在采動影響區(qū)內(nèi)，且沿著斷層帶的分布相對集中、密度較大，并在下煤巷附近的小斷層帶交叉區(qū)域產(chǎn)生較大密度的事件。同時，可以發(fā)現(xiàn)大能量事件集中的范圍位于F12224-10間的頂板圍巖內(nèi)。事件密度在頂板高度的集中范圍大約維持在100 m 范圍內(nèi)，且頂板的破壞程度明顯高于底板，具有一定的集中威脅。而工作面底板的深度集中分布在40 m 左右的范圍內(nèi)，且向斷層帶高度集中分布。其原因是該區(qū)域為工作面主回采時間的采動應力集中區(qū)，事件密度較大。而對于此區(qū)域內(nèi)的工作面底板，與無構(gòu)造帶相比，破壞深度有增大的趨勢，但并未波及底板承壓含水層。

2.2 微震震源參數(shù)演化特征

微震事件及其密度在空間內(nèi)的分布特征反應巖體破裂狀態(tài)，而微震震源參數(shù)可以作為巖體失穩(wěn)特征的前兆信息。其中能量表征巖體儲能強度及巖體破壞程度，b 值反映大小地震數(shù)的比例關(guān)系，能量指數(shù)與視體積表征巖體破裂強度關(guān)系[19-21]。微震事件能量與b 值變化如圖3。微震事件累計視體積與能量指數(shù)變化特征如圖4。

圖3 能量與b 值變化Fig.3 Energy and b values

圖4 累計視體積與能量指數(shù)變化特征Fig.4 Variation Characteristics of cumulative apparent volume and energy index

1）微震能量。能量值自11 月7 日開始出現(xiàn)顯著增長趨勢，后一直處于波動穩(wěn)定狀態(tài)，分多個階段：①第1 階段：受F12224-10斷層及F203保護煤柱產(chǎn)生的應力集中影響，能量值在該階段內(nèi)處于較大的值；②第2 階段：F203斷層區(qū)域的影響消失，處于F12224-10斷層的單一影響區(qū)，此時的能量較低；③第3 階段：由于回采線切割斷層中部后，下順層附近的斷層進入影響區(qū)，三角孤島區(qū)域的影響力提升而造成能量處于波動增長期。但所有的能量值均未達到巖體異常的閾值線15 kJ。

2）b 值。可以發(fā)現(xiàn)b 值也具有階段特征：①第1階段：受2 個斷層的雙重影響，此時的b 值處于較低的范圍內(nèi)；②第2 階段：F203影響消失后，b 值呈增大的趨勢并維持在較大值；③第3 階段：b 值呈現(xiàn)波動降低的趨勢。與能量、能量指數(shù)、累計視體積的變化階段基本一致，主要是受斷層三角孤島區(qū)及應力集中的影響，同時b 值在切割斷層期間一般大于0.6，未達到前期的異常表征的極小值0.55。

3）能量指數(shù)和累計視體積。在工作面推采斷層后出現(xiàn)典型的3 個階段：①參數(shù)增長期：此階段內(nèi)斷層圍巖處于應力逐漸集中的蓄能期，巖體發(fā)生微破裂累計視體積平穩(wěn)增長；②參數(shù)穩(wěn)定期：顯著增長后穩(wěn)定至穩(wěn)定出現(xiàn)下降的過渡階段，該階段內(nèi)巖層處于應力集中最大階段內(nèi)的能量平衡期；③能量指數(shù)遞減期：斷層圍巖已出現(xiàn)較大的破壞、能量釋放，而后再次進入圍巖的波動變化新階段。

斷層在回采階段內(nèi)未發(fā)生明顯的異常破斷，且對比整個階段內(nèi)的參數(shù)變化與微震事件能量變化、b值等均具有一定的對應關(guān)系，在12 月9 日產(chǎn)生了突減（可能發(fā)生異常），而能量值較小且b 值仍處于較大值（未發(fā)生異常），則斷層帶發(fā)生了較大的劣化現(xiàn)象，但是未發(fā)生災變。也進一步驗證了采用單一震源參數(shù)預測巖體異常的局限性，以及采用多源參數(shù)實施預測所具備的可行性。

2.3 能量遷移特征

累計視體積與能量指數(shù)變化特征如圖5。能量密度空間分布特征如圖6。

圖5 能量密度空間分布特征Fig.5 Spatial distribution characteristics of energy density

圖6 微震能量遷移過程Fig.6 Micro-seismic energy transfer process

1）空間遷移特征。微震事件能量的空間變化可以反映巖體破壞遷移特征。由圖5 可知，在相同能量密度下，-450 m 集中范圍主要是下煤巷區(qū)域和中部斷層參數(shù)的變化區(qū)域；-350 m 范圍內(nèi)主要發(fā)生在上煤巷斷層交叉影響范圍內(nèi)；-300 m 無明顯的能量集中范圍，各個能量值普遍較小。則隨工作面回采，微震事件的高能釋放范圍主要集中在-350 m 以下的范圍內(nèi)，同時在斷層中部交叉變化位置、下部復雜位置上的單位能量釋放量普遍較大。巖體破壞在-450 m以斷層中軸線集中、以-400 m 在兩端部集中，表明了斷層在中部及下端部在-450 m 深層位發(fā)生了較大的劣化→活化現(xiàn)象，在淺部以兩端部劣化為主而破壞程度較小，下端部受斷層帶影響而呈現(xiàn)較大的縱向貫通破壞。

2）時間遷移特征。選擇了在11 月26 日、12 月11 日、12 月24 日回采期間內(nèi)的能量密度進行對比分析，由圖6 可知，能量的集中度隨著斷層與工作面的切割點移動而發(fā)生遷移，由原來的上煤巷集中區(qū)域轉(zhuǎn)移到下煤巷集中區(qū)域，同時下煤巷的集中區(qū)域的能量密度普遍較大。構(gòu)造斷層帶的能量釋放與斷層參數(shù)有關(guān)。隨著工作面推進，斷層帶表現(xiàn)出明顯的向下遷移特征，且由斷層軸線向下端部的斷層區(qū)集中。

3 微震響應的成因機制分析

自11 月26 日開始回采線“切割”斷層，應力集中、巖層破碎、斷層參數(shù)等的影響會產(chǎn)生較多的能量事件，此類微震事件的分布會呈現(xiàn)復雜的狀態(tài)。分別選擇11 月26 日、12 月11 日、12 月24 日的回采進尺，可以得到應力狀態(tài)，回采過程中的應力集中分布如圖7。

圖7 回采過程中的應力集中分布Fig.7 Stress concentration distribution during mining

11 月26 日左右回采線切割斷層，斷層在上煤層附近處于超前應力范圍之內(nèi)，且存在斷層間交叉區(qū)域，所以會造成微震事件相對集中；12 月11 日左右回采線前移，其超前應力集中區(qū)也會前移；12 月24 日左右回采線繼續(xù)前移，此時大斷層與下煤巷附近小斷層附近的交叉區(qū)域開始進入超前應力集中范圍內(nèi)，且此時斷層的落差和間距增大，因此會造成微震事件相對集中。而上煤巷區(qū)域內(nèi)的斷層構(gòu)造區(qū)進入采空區(qū)的應力穩(wěn)定區(qū)。

同時，由于斷層構(gòu)造的影響，回采線與斷層交叉區(qū)域發(fā)生集中的微破裂首先發(fā)生垮落，隨著破碎帶能量釋放而發(fā)生跨落后，位于非斷層區(qū)域內(nèi)的煤巖層（如上煤巷附近、下煤巷遺留區(qū)）會在后期造成較大的超前后的二次應力集中而產(chǎn)生大的能量事件。同時隨著回采斷層結(jié)束集中現(xiàn)象逐漸消失，工作面斜切斷層誘發(fā)斷層帶圍巖存在孤島性特點，基于微震事件分布所推斷的可能存在的超前應力集中區(qū)域，在交叉點的端部區(qū)域存在較大應力集中和破壞。在煤層開采中，若開采面存在走向與工作面相切的斷層時，在回采過程中應當應加強頂板管理及礦壓觀測以排除存在的風險。

4 結(jié) 論

1）在斷層帶完全處于采動影響的波及范圍內(nèi)后，受斷層帶、回采面的三角非穩(wěn)定區(qū)等因素影響，微震響應顯示出典型構(gòu)造區(qū)下的時空特征：以斷層帶為中軸線呈現(xiàn)傾斜偏移分布，斷層圍巖出現(xiàn)波動的高能卸壓狀態(tài)，且存在異常趨勢。

2）斷層受回采擾動階段內(nèi)的微震事件能量變化、b 值與能量指數(shù)、視體積等均具有一定的對應關(guān)系，表征了斷層帶回采期間發(fā)生了較大的劣化現(xiàn)象，驗證了采用單一震源參數(shù)預測巖體異常的局限性，以及采用多源參數(shù)實施預測所具備的可行性。

3）隨著工作面推移，受回采所造成的高應力集中下的空間切割分布影響，斷層區(qū)內(nèi)微震事件及能量出現(xiàn)明顯遷移：以中部、深層位的高能分布向端部、淺層位的高能分布轉(zhuǎn)化。應力集中區(qū)域而誘發(fā)的大能量事件響應特征，可以為巖層控制提供技術(shù)支持。