基于微震監(jiān)測(cè)的覆巖裂隙演化規(guī)律相似模擬試驗(yàn)研究

肖 鵬，韓 凱，雙海清，吳銘川，高 振

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

0 引 言

隨著我國煤礦開采深度、強(qiáng)度及回采面積的不斷增大，越來越多的礦井，甚至低瓦斯礦井都發(fā)生了瓦斯災(zāi)害[1-2]，煤礦的安全高效開采受到嚴(yán)重制約。明確瓦斯運(yùn)移通道，加強(qiáng)瓦斯富集區(qū)的抽采強(qiáng)度，是礦井瓦斯災(zāi)害治理的主要措施之一。近年來國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)煤層開采過程中覆巖裂隙演化規(guī)律及機(jī)理方面做了大量的研究，并取得了豐碩的成果。針對(duì)裂隙演化與瓦斯抽采的關(guān)系許多學(xué)者做了大量的研究，“巖層控制的關(guān)鍵層理論”[3]， 采動(dòng)裂隙橢拋帶模型[4-5]相繼被提出，隨后肖鵬等[6]運(yùn)用自主研發(fā)設(shè)計(jì)的固氣耦合相似模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)一步明確了卸壓瓦斯在裂隙發(fā)育的各個(gè)階段發(fā)生運(yùn)移和匯集的區(qū)域范圍。程詳?shù)萚7]采用綜合研究方法研究軟巖保護(hù)層開采覆巖采動(dòng)斷裂帶演化特征。梁濤等[8]基于分形理論研究了采動(dòng)裂隙隨開采進(jìn)程在采煤工作面不同分區(qū)內(nèi)的分形演化規(guī)律。魏宗勇等[9]通過自主研制的煤與瓦斯共采三維大尺度物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)一步解決了煤與瓦斯共采模型試驗(yàn)研究手段不足的問題。

為了提升煤礦瓦斯回采過程中覆巖裂隙演化的監(jiān)測(cè)手段，國內(nèi)自20世紀(jì)80年代引進(jìn)和應(yīng)用微震設(shè)備。姜福興等[10-12]采用微地震定位監(jiān)測(cè)技術(shù)探測(cè)到采場(chǎng)圍巖的破裂形態(tài)，推演和總結(jié)了覆巖空間破裂形態(tài)與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系，為微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的推廣和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。程關(guān)文等[13]通過煤礦采動(dòng)影響微震區(qū)微震事件的空間和能量的時(shí)空分布規(guī)律分析,研究微震事件數(shù)沿垂直方向的突變性，進(jìn)而確定了煤礦頂板變形和破壞控制作用的關(guān)鍵層位置。隨后諸多學(xué)者針對(duì)微震設(shè)備參數(shù)識(shí)別技術(shù)方面做了深入的研究：不規(guī)則閉合“圓柱形橫臥體”裂隙區(qū)的[14]和基于各向異性條件的微震源矢量場(chǎng)重構(gòu)和裂隙識(shí)別方法[15]相繼被提出；之后的研究發(fā)現(xiàn)可以用巖層運(yùn)動(dòng)理論與微震監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法預(yù)測(cè)沖擊地壓[16]；采動(dòng)效應(yīng)和氣體梯度擾動(dòng)應(yīng)力引起的微震是巷道不穩(wěn)定特征的先兆[17]；巖爆激發(fā)了瓦斯通道的裂隙形成[18]；隨后基于改進(jìn)小波分解和ELM的礦山微震事件識(shí)別方法的提出[19]，震后迅速準(zhǔn)確量化和評(píng)估震源破裂的尺度和機(jī)制的建立[20]，進(jìn)一步提高了微震信號(hào)數(shù)據(jù)的識(shí)別精度。

以上學(xué)者針對(duì)礦井覆巖裂隙演化規(guī)律及微震監(jiān)測(cè)技術(shù)方面做了大量的研究，在實(shí)踐當(dāng)中取得了良好的應(yīng)用效果。但是對(duì)于在物理相似材料模擬試驗(yàn)中采用微震監(jiān)測(cè)覆巖裂隙演化規(guī)律少有研究。筆者以陜西某礦1508工作面工程背景開展物理相似模擬試驗(yàn)，利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和底板壓力傳感器研究回采期間覆巖微震事件分布規(guī)律與壓力變化規(guī)律，從微震能量積聚和釋放的角度探討上覆巖層裂隙演化規(guī)律，為1508工作面現(xiàn)場(chǎng)辨識(shí)瓦斯富集區(qū)和頂板治理提供科學(xué)依據(jù)，保障礦井安全生產(chǎn)。

1 微震試驗(yàn)方案

1.1 工程背景

試驗(yàn)工作面傾向長度150 m，走向長度2 500 m，煤層平均厚度5.0 m，平均傾角為3°，平均埋深310 m，煤層平均瓦斯含量為4.1 m3/t。采煤工作面采用后退式走向長臂綜合機(jī)械化一次采全高采煤方法。

回采工作面基本頂由較硬的K4中細(xì)粒砂巖構(gòu)成，直接頂由較硬的粉砂巖、砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，直接底由較松軟的砂質(zhì)泥巖構(gòu)成，基本底由較硬的粉砂巖構(gòu)成。在受構(gòu)造影響地段煤層厚度變化較大，工作面煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 工作面煤層頂?shù)装鍘r層力學(xué)參數(shù)

1.2 物理模擬平臺(tái)搭建

以試驗(yàn)工作面地質(zhì)條件為原型，搭建模擬模型(3.0 m×0.2 m×1.0 m)，模擬試驗(yàn)的幾何相似比例為100∶1(原型：模型)，考慮5號(hào)煤層埋深310 m，在試驗(yàn)中覆巖高度只模擬了110 cm(對(duì)應(yīng)原型值110 m，以下尺寸均為原型值)，其上200 m巖層按照巖石模擬容重，采用配重模擬載荷。模型兩邊各留寬10 m煤柱，開切眼寬10 m，模型采取寬2、3 m間隔推進(jìn)開采來避免來壓步距的偶然性，更符合現(xiàn)場(chǎng)工作面實(shí)際的開采過程。模型使用的主要材料是沙子、淀粉、石膏、水、煤粉，在本次試驗(yàn)中，相似材料的組成、強(qiáng)度等與實(shí)際差別很小，能較好地模擬實(shí)際巖層。在模型底部鋪設(shè)60個(gè)漢中精測(cè)電阻應(yīng)變式壓力傳感器開采時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力數(shù)據(jù)；在模型后表面埋裝SOS微震探頭監(jiān)測(cè)模型開挖時(shí)的能量變化情況，模型開采的同時(shí)記錄煤層底板應(yīng)力傳感器的數(shù)據(jù)變化、位移測(cè)點(diǎn)的運(yùn)移軌跡、裂隙位置、裂隙長度、裂隙張開度，同時(shí)進(jìn)行微震數(shù)據(jù)采集(圖1)。

圖1 物理相似模擬平臺(tái)Fig.1 Physical similarity simulation text bench

根據(jù)現(xiàn)有的相似法則和主采工作面的實(shí)際情況，確定模型的相似常數(shù)和模型模擬高度見表2、表3。選取相應(yīng)的材料配比后開展走向采動(dòng)覆巖裂隙演化物理相似模擬試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨瞥?shù)

試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦x取的相似試驗(yàn)材料中巖層是以沙子為骨料，煤灰作為煤層鋪設(shè)使用，一般與沙子對(duì)半作為煤層的骨料，石膏、大白粉為膠凝劑。根據(jù)鋪設(shè)巖層的抗壓強(qiáng)度選擇配比號(hào)，結(jié)合模型的大小，逐層計(jì)算各分層材料的用量。相似材料配比計(jì)算步驟如下：

1)計(jì)算每個(gè)巖層中所有材料的總質(zhì)量G，即

G=(lwhγm×103)/g

(1)

式中：γm為模型材料的容重；g為重力加速度；l、w、h為模型長度、寬度、高度。

2)計(jì)算每層中需要某種材料的質(zhì)量mi(i為層號(hào))，即

mi=GRi

(2)

式中：Ri為某料在每層中的比例，由配比號(hào)計(jì)算確定。

假設(shè)某配比號(hào)為XY(10-Y)，則其模型中砂子比例為X/(X+1) ，石膏比例為Y/(10(X+1)) ，大白粉比例為(10-Y)/(10(X+1)) 。計(jì)算求得各分層材料用量結(jié)果見表3。

表3 模型模擬高度

1.3 微震布置參數(shù)

SOS微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用0.1～600 Hz帶嵌入式信號(hào)傳輸模塊的震動(dòng)速度型礦震測(cè)量探頭，儀器本身抗干擾性能強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)濾波，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行過濾除噪，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體布置方式如圖2所示，在模型中安裝5個(gè)微震傳感器(編號(hào)1、2、3、4、5號(hào))。

圖2 微震傳感器分布Fig.2 Distribution of seismic sensors

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 采動(dòng)覆巖裂隙演化過程

煤層開挖至12 m時(shí)上覆巖層開始產(chǎn)生離層裂隙，推進(jìn)至27 m時(shí)直接頂發(fā)生初次垮落，垮落高度為3 m，離層裂隙高度發(fā)育至8 m。隨著工作面開采，離層裂隙不斷向上發(fā)育，推進(jìn)至工作面50 m開挖結(jié)束后，基本頂初次來壓，垮落高度為7 m,離層裂隙距底板最遠(yuǎn)距離15.3 m，空洞高度為2.3 m，如圖3a所示。

圖3 裂隙演化過程Fig.3 Crack evolution process

隨著工作面開挖，離層裂隙與破斷裂隙不斷向上發(fā)展，工作面開挖至65 m時(shí)出現(xiàn)第1次周期來壓，之后隨著工作面的不斷推進(jìn)直至工作面模擬回采結(jié)束總共發(fā)生了8次周期來壓，周期來壓步距有著明顯的一大一小間隔出現(xiàn)的規(guī)律。

從圖3可以看出，隨著工作面的不斷推進(jìn)垮落高度(即“豎三帶”中的斷裂帶)不斷增高而空洞高度不斷減小，在工作面推進(jìn)到160 m后垮落高度停止增高而空洞閉合。在此后的推進(jìn)過程中縱向“三帶”高度不再變化而只發(fā)生橫向三區(qū)的演化。

2.2 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果

在回采時(shí)標(biāo)記每次來壓時(shí)間，并根據(jù)來壓時(shí)刻拾取兩次來壓中間的微震事件來描述回采過程中的微震特征。主要是將微震事件散點(diǎn)圖和模擬底圖疊加在ORIGIN中可以更直觀地看到回采期間的微震特征，各次來壓微震事件特征如圖4所示。

圖4 各次來壓微震事件特征Fig.4 Characteristics of periodic weighting microseosmic events

在微震數(shù)據(jù)的采集過程中因?yàn)槭懿蓜?dòng)影響及外界干擾因素過多，圖4、圖5皆為降噪優(yōu)化處理后的數(shù)據(jù)。

從圖4可以看出各次來壓的微震事件特征，絕大多數(shù)事件能量集中在0～50 J，少部分事件能量大于50 J。同時(shí)可以直觀地發(fā)現(xiàn)在發(fā)生橫向離層裂隙的區(qū)域多拾取到0～50 J的事件，而在發(fā)生縱向破斷裂隙的區(qū)域多拾取到>50 J的事件，這可以說明發(fā)生縱向破斷裂隙時(shí)釋放的能量更多，縱向裂隙的產(chǎn)生在整個(gè)覆巖裂隙演化的過程中占據(jù)更為主導(dǎo)的地位。

由圖5統(tǒng)計(jì)可以知道，在模擬工作面回采過程中總共監(jiān)測(cè)到有效微震事件為1 652次，累計(jì)能量70 991 J，微震事件頻次隨著回采距離的增大頻次也逐漸增大，在推進(jìn)到87 m第2次周期來壓之后微震事件頻次變化趨于平緩但能量仍然在增大，微震事件能量在直接頂初次來壓至第4次周期來壓區(qū)間由4 620 J增加至最大能量峰值8 923 J，此后微震事件能量開始下降，這是由于在第6次周期來壓(推進(jìn)到160 m)時(shí)空洞閉合，斷裂帶發(fā)育到達(dá)最高位置，破斷裂隙及斷裂帶在此后已不向縱向發(fā)展。

圖5 工作面總體微震事件特征Fig.5 Characteristics of overall microseismic eventin working face

3 能量及應(yīng)力

3.1 采動(dòng)過程中能量分析

由圖6可知，從初次來壓到第4次周期來壓期間，能量釋放及裂隙增量隨來壓次數(shù)的增大而增大，隨著工作面開挖，采動(dòng)影響范圍增大，這一過程中破斷裂隙增量較大，因此釋放的能量也迅速升高，在第4次周期來壓的時(shí)候能量釋放和裂隙密度都達(dá)到最大。此后隨著周期來壓次數(shù)的增加采動(dòng)影響范圍也不斷增大，在第6次周期來壓時(shí)空洞閉合，豎向破斷裂隙基本停止向上發(fā)育，而破斷裂隙在能量釋放中占比較大，所以此后每次來壓釋放的能量都有所減小但是整體上趨于平穩(wěn)。

圖6 回采期間能量釋放及裂隙密度Fig.6 Energy dissipation and fissure densitychange with advancing distance

3.2 采動(dòng)過程中底板壓力分析

在整個(gè)試驗(yàn)過程中，工作面在初次來壓后發(fā)生了9次周期來壓，工作面的應(yīng)力分布大概可以分為3個(gè)區(qū)域(圖7)，即開切眼后方(4～10 m)應(yīng)力集中區(qū)、壓實(shí)區(qū)及工作面(工作面前方15～20 m)超前應(yīng)力集中區(qū)。

圖7 工作面回采期間應(yīng)力變化Fig.7 Changes in stress during working face mining

隨著工作面的推進(jìn)開切眼后方應(yīng)力集中區(qū)的位置不發(fā)生變化但應(yīng)力值會(huì)逐漸增加，壓實(shí)區(qū)的范圍變大應(yīng)力值也會(huì)相應(yīng)增大后穩(wěn)定，工作面前方超前應(yīng)力集中區(qū)的位置在不斷前移，應(yīng)力峰值也呈現(xiàn)先增大后平緩的趨勢(shì)。隨著3個(gè)區(qū)域應(yīng)力的不斷變化，工作面上覆巖層的裂隙也在不斷發(fā)展，經(jīng)歷了產(chǎn)生、擴(kuò)張、壓實(shí)3個(gè)過程，并最終形成了一個(gè)穩(wěn)定的“三帶”分布形態(tài)，為瓦斯運(yùn)移優(yōu)勢(shì)通道及富集區(qū)的確定提供了判斷依據(jù)。

隨著工作面的推進(jìn)，工作面一側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力峰值位置在不斷前移(圖8)，相應(yīng)的應(yīng)力峰值也隨著回采距離的增大而增大，根據(jù)工作面前方應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力峰值的變化，把工作面回采期間分為峰值上升區(qū)、峰值區(qū)、峰值平緩區(qū)，其中峰值上升區(qū)為直接頂初次來壓至第6次周期來壓，應(yīng)力集中系數(shù)峰值由1.285增長至1.872，峰值區(qū)為第6次周期來壓至第7次周期來壓，應(yīng)力集中系數(shù)峰值最大為2.075，峰值平緩區(qū)為第7次周期來壓至第9次周期來壓，應(yīng)力集中系數(shù)峰值在1.90～2.00波動(dòng)。

圖8 微震與底板應(yīng)力關(guān)系Fig.8 Relationship between microseism and stress

隨著工作面回采距離增大，采空區(qū)垮落高度逐漸增高，采空區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)也逐漸增大，在第6次周期來壓空洞閉合，斷裂帶高度停止發(fā)育后，采空區(qū)的應(yīng)力集中系數(shù)在0.4～0.6波動(dòng)?？傮w來看，底板壓力數(shù)據(jù)的變化規(guī)律和微震事件能量頻次的變化規(guī)律是大體一致的但是壓力數(shù)據(jù)具有一定的滯后性，壓力升高的區(qū)域內(nèi)發(fā)生的微震事件能量和頻次都在增大，壓力峰值和能量峰值也出現(xiàn)在同一個(gè)區(qū)域，壓力平穩(wěn)變化的時(shí)候拾取到的微震事件也在平穩(wěn)變化，但是微震事件波動(dòng)范圍大于壓力的波動(dòng)范圍。

3.3 瓦斯抽采模型

由前面裂隙演化過程和支承應(yīng)力變化規(guī)律的分析可以知道裂隙演化是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，微震大事件總是出現(xiàn)在工作面后方裂隙區(qū)內(nèi)的一個(gè)區(qū)域，這剛好也是瓦斯富集區(qū)的位置，應(yīng)力變化的分析表明其與微震能量的變化是相一致的，大事件能量的發(fā)生是裂隙區(qū)形成以及發(fā)育的內(nèi)在原因，而3個(gè)應(yīng)力變化區(qū)域則是裂隙發(fā)育的表現(xiàn)形式。

卸壓瓦斯抽采過程是在抽采范圍判別的基礎(chǔ)上進(jìn)行抽采模式的選擇及參數(shù)設(shè)計(jì)，而覆巖“兩帶”發(fā)育高度的精準(zhǔn)確定及瓦斯富集區(qū)域的辨識(shí)是實(shí)施瓦斯抽采的關(guān)鍵。將卸壓瓦斯抽采鉆孔終孔位置布置于覆巖卸壓瓦斯富集區(qū)域，可抽采高濃度的卸壓瓦斯，容易實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯高效共采。通過以上分析根據(jù)相似模擬試驗(yàn)和微震事件的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以大致知道回采過程中斷裂帶的位置，試驗(yàn)工作面垮落帶高度變化范圍為4.1～26 m(圖9)、斷裂帶高度變化范圍21.3～90 m、工作面一側(cè)垮落角變化范圍37°～71°，采動(dòng)斷裂帶瓦斯富集區(qū)位于距回風(fēng)巷20～50 m、距煤層頂板20～45 m。這一高度范圍基本位于斷裂帶之下、垮落帶之上，主要儲(chǔ)運(yùn)的是本煤層開采卸壓瓦斯，可以采用煤層頂板斷裂帶高位鉆孔抽采瓦斯的方法進(jìn)行治理。

圖9 瓦斯富集區(qū)辨識(shí)Fig.9 Identification map of gas-rich area

4 工程驗(yàn)證及應(yīng)用

為進(jìn)一步掌握試驗(yàn)綜采工作面采動(dòng)覆巖裂隙分布特征和驗(yàn)證筆者的試驗(yàn)結(jié)果，筆者課題組利用鉆孔窺視儀開展了不同層位覆巖裂隙演化特征及分布規(guī)律鉆孔窺視，根據(jù)鉆孔不同時(shí)段裂隙分布特征(圖10)，分析了試驗(yàn)工作面回采時(shí)上覆巖層裂隙演化規(guī)律。

圖10 鉆孔窺視結(jié)果Fig.10 Borehole peeping results

鉆孔窺視結(jié)果表明在深0.7 m處出現(xiàn)離層裂隙，2 m處出現(xiàn)破碎裂隙，隨著孔深增加裂隙會(huì)出現(xiàn)發(fā)育、變大、閉合等過程，20 m(對(duì)應(yīng)垂直距離14.4 m)時(shí)出現(xiàn)了環(huán)狀裂隙，40 m(對(duì)應(yīng)垂直距離28.8 m)出現(xiàn)一個(gè)大裂隙區(qū)，57 m(對(duì)應(yīng)垂直距離41.0 m)時(shí)發(fā)生了孔錯(cuò)位隨后到達(dá)孔底。由窺視結(jié)果可知，在垂距20～40 m裂隙發(fā)育較為充分可以劃分為瓦斯富集區(qū)，這驗(yàn)證了筆者模擬試驗(yàn)關(guān)于瓦斯富集區(qū)位置的結(jié)果，在瓦斯抽采鉆孔布置參數(shù)的選擇上可以參考這一結(jié)論，將鉆孔的終孔位置布置在20～40 m。

上述研究基本確定了回采過程中裂隙區(qū)和瓦斯富集區(qū)的位置，根據(jù)生產(chǎn)安排及試驗(yàn)工作面實(shí)際條件，在回風(fēng)巷距工作面120 ～300 m布置高位鉆孔進(jìn)行試驗(yàn)，共布置5個(gè)鉆場(chǎng)，其布置方式如圖11所示。

圖11 瓦斯抽采布置Fig.11 Schematic of gas drainage fromhigh-position boreholes

根據(jù)試驗(yàn)工作面高位鉆場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年1月至2019年4月高位鉆場(chǎng)抽采瓦斯量及其占總涌出量的比例、瓦斯抽采濃度隨時(shí)間變化，高位鉆場(chǎng)鉆孔抽采瓦斯?jié)舛茸兓鐖D12所示。

圖12 工作面回采期間應(yīng)力變化Fig.12 Changes in stress during working face mining

由圖12可以得到，從2019年1月至2019年4月，高位鉆場(chǎng)抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.49%～2.97%，平均1.51 %，抽采瓦斯純量0.29～4.09 m3/min，平均0.86 m3/min，抽采量占瓦斯涌出總量的7.65%～77.53%，平均39.1%，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果布置的高位鉆場(chǎng)可以有效提高礦井瓦斯抽采效率，但因?yàn)橥咚惯\(yùn)移通道受到諸多因素影響[21-22]，所以部分抽采鉆孔瓦斯抽采效率較低，后續(xù)的研究會(huì)進(jìn)一步解決這一問題。

5 結(jié) 論

1)模型回采期間總共發(fā)生9次周期來壓，來壓步距有明顯的一大一小規(guī)律，第6次周期來壓之后空洞閉合，斷裂帶高度不再向上發(fā)育，此后斷裂帶隨著回采只發(fā)生橫向的變化。

2)采動(dòng)過程中覆巖裂隙演化是一個(gè)復(fù)雜的能量釋放過程，在回采初期至第4次周期期間微震事件頻次和能量都在增加并在第4次周期來壓之后到達(dá)峰值，在第6次周期來壓之后空洞閉合縱向破斷裂隙基本停止向上發(fā)展，此后微震事件頻次和能量都在穩(wěn)定減小。

3)底板壓力數(shù)據(jù)的變化規(guī)律和微震事件能量頻次的變化規(guī)律是基本一致的，但是壓力數(shù)據(jù)變化的分區(qū)更加明顯且具有滯后性，微震事件波動(dòng)范圍大于壓力的波動(dòng)范圍，但是2種變化在增大過程中的協(xié)同變化現(xiàn)象要大于減小過程的這一現(xiàn)象。

4)由模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔窺視監(jiān)測(cè)確定出了上覆巖層的瓦斯富集區(qū)域，根據(jù)這一研究成果布置高位鉆孔抽采瓦斯后，工作面采動(dòng)斷裂帶、上隅角高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域的瓦斯富集得到了較好的控制，保證了工作面的安全高效生產(chǎn)。