基于微震監(jiān)測技術(shù)的3604 掘進工作面圍巖穩(wěn)定性研究

秦凱鋒

（沁和能源集團有限公司候村煤礦，山西 晉城 048000）

1 工程概況

候村煤礦礦井面積12.151 3 km2，現(xiàn)生產(chǎn)能力120 萬t/a，開采3#煤層，為高瓦斯礦井。候村煤礦3604 工作面煤層頂?shù)装鍑鷰r受巷道采掘影響，其穩(wěn)定性及應(yīng)力會發(fā)生變化。在3604 工作面掘進過程中采用微震監(jiān)測技術(shù)對煤層頂?shù)装鍘r體穩(wěn)定性及應(yīng)力進行動態(tài)實時監(jiān)測，以保證采掘安全。

2 圍巖穩(wěn)定性動態(tài)微震監(jiān)測方案[1-2]

2.1 觀測系統(tǒng)

候村煤礦3604 工作面圍巖穩(wěn)定性微震監(jiān)測系統(tǒng)：共布設(shè)一套12 通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，分2 個6通道微震監(jiān)測分站，每個微震監(jiān)測分站連接1 支三軸微震傳感器、3 支單軸微震傳感器，微震傳感器間距100 m。監(jiān)測臺網(wǎng)布設(shè)如下：

（1）3604 膠帶巷、回風巷各布設(shè)1 臺微震監(jiān)測分站及1支三軸微震傳感器、3支單軸微震傳感器。微震傳感器沿煤礦走向方向于膠帶巷和回風巷的非開采幫，覆蓋有效監(jiān)測區(qū)域400 m。

（2）3604 面圍巖穩(wěn)定性動態(tài)微震監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)如圖1、圖2，微震傳感器編號S1～S8，微震監(jiān)測分站編號1#～2#。

圖1 單巷微震監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)示意圖

圖2 3604 掘進工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)示意圖（m）

（3）S1、S3、S4 為單軸微震傳感器，間距100 m，通過電纜連接1#微震監(jiān)測分站；S2 為三軸微震傳感器，通過電纜連接1#微震監(jiān)測分站；S5、S7、S8 均為單軸微震傳感器，通過電纜連接2#微震監(jiān)測分站；S6 為三軸微震傳感器，通過電纜連接2#微震監(jiān)測分站。1#、2#微震監(jiān)測分站通過光纜連接井下環(huán)網(wǎng)中心。

2.2 電纜鋪設(shè)

3604 面圍巖穩(wěn)定性動態(tài)微震監(jiān)測區(qū)域中每個單軸微震傳感器需鋪設(shè)一根兩芯通訊屏蔽電纜到微震采集分站，電纜型號MHYVP2*7/0.37；每個三軸微震傳感器需鋪設(shè)一根六芯通訊屏蔽電纜到微震采集分站，電纜型號MHYVP3*2*7/0.37。

2.3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及地震波速標定

微震監(jiān)測系統(tǒng)安裝后，進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及地震波速標定。地震波速標定根據(jù)現(xiàn)場實際條件進行現(xiàn)場煤層敲擊實驗完成。施工方法：在監(jiān)測區(qū)域選取多個敲擊實驗點，如微震監(jiān)測點附近約20 m、10 m處的煤壁幫和頂部；大錘結(jié)合金屬底板進行敲擊實驗，記錄敲擊時間；根據(jù)敲擊實驗波的到時與敲擊點到傳感器的距離，計算地震波傳播速度，綜合測試結(jié)果獲得微震處理時使用的地震波速。

3 3604 工作面頂板圍巖穩(wěn)定微震監(jiān)測分析

3.1 3604 工作面微震事件處理

2020.8.12—2021.2.4 期間，3604 面掘進期間共監(jiān)測微震事件1986 次。通過拾取監(jiān)測微震事件進行P、S 波到時，利用基于微震到時和方位角相結(jié)合雙差定位算法的微震定位方法來精準定位掘進開采誘發(fā)產(chǎn)生的微震事件。通過對3604 面開采誘發(fā)產(chǎn)生的微震事件進行處理、分析，獲得底板破壞深度、頂板破壞高度以及開采影響區(qū)域。根據(jù)微震事件分布特征，結(jié)合巷道圍巖地質(zhì)、地層、巖性等資料，可初步分析工作面掘進引起的圍巖應(yīng)力變化規(guī)律。通過對彈性波信息進行采集處理，獲取微震事件發(fā)生位置、大小、能量、地震矩、非彈性變形和震源機制等數(shù)據(jù)，對掘進工作面圍巖體變形全過程和巖石微破裂情況進行全面、實時監(jiān)測。

3.2 工作面微震時空演化規(guī)律分析

3.2.1 3604 工作面時間域分析

2020.8.12—2021.2.4，3604 面掘進期間微震事件月度統(tǒng)計如表1 所示。從8 月開始，微震事件逐漸增多，到10月微震事件數(shù)達到最大值后逐漸減少。表明8 月—10 月間3604 面掘進作業(yè)頻繁，巷道圍巖誘發(fā)較強烈的微震事件，因此10 月微震數(shù)據(jù)急劇增多，工作面巷道上覆煤巖體受開采擾動影響較大。

表1 監(jiān)測區(qū)間定位微震事件月度統(tǒng)計

3.2.2 3604 工作面能量域分析

（1）3604 工作面能量區(qū)間分析

3604 工作面微震能量不同能量區(qū)分布統(tǒng)計見表2。近半數(shù)以上的微震事件其釋放的能量在100 J 以內(nèi)，另外近39.78%的微震事件其釋放能量在1000 J 以內(nèi)，初步推測這些微震事件是3604 工作面掘進生產(chǎn)擾動引起的圍巖應(yīng)力變化、應(yīng)變發(fā)展及延伸等產(chǎn)生的圍巖體應(yīng)力調(diào)整活動。大能量事件相對較少、地震活動性頻度高，說明監(jiān)測區(qū)域的應(yīng)力積聚-調(diào)整-釋放-再積聚活動穩(wěn)定持續(xù)進行。

表2 不同能量區(qū)間分布統(tǒng)計表

由表2 數(shù)據(jù)可知，在整個監(jiān)測區(qū)間，有效定位的微震事件半數(shù)以上為100 J 以下的事件，屬于掘進生產(chǎn)活動擾動圍巖應(yīng)力重分布產(chǎn)生的巖體微破裂事件，這些事件震源特性屬于高頻信號，不會對安全生產(chǎn)活動造成太大影響。

（2）3604 工作面能量最大值分析

對3604 工作面掘進中每天采集的微震事件頻次和微震事件能量進行分析。2020 年8 月—2021年2 月期間，2020 年10 月微震事件數(shù)最多，該月每天平均微震事件數(shù)達25 次，后期微震事件數(shù)明顯減少，日均10 次。微震事件主要是由于工作面回采期間對巷道圍巖造成的擾動所產(chǎn)生。

從圖3 可知，監(jiān)測期間微震事件能量曲線呈現(xiàn)一定規(guī)律性。掘進初期，因煤巖體原有應(yīng)力平衡的改變，微震能量有明顯變化，沖擊危險性增強；隨著掘進進行，煤巖體應(yīng)力趨于新的平衡，相應(yīng)的能量明顯下降；隨著掘進對巷道圍巖擾動的增加，應(yīng)力重新分布，再加上斷層和采空區(qū)的影響，微震事件能量在一段時間會快速增加，應(yīng)力釋放后又逐漸穩(wěn)定；當停止工作面掘進后，微震事件能量有所回落。

圖3 微震事件能量與微震事件個數(shù)折線圖

3.2.3 3604 工作面破壞空間域分析

基于2020 年8 月12 日—2021 年2 月4 日期間3604 工作面微震事件處理結(jié)果分析：根據(jù)2020 年8 月—2021 年2 月每月的微震事件定位結(jié)果，可見微震事件主要分布在掘進工作面附近，隨著掘進工作推進，微震事件逐漸向回采線移動，直至貫通。微震信號的分布空間位置說明了微震事件的出現(xiàn)是工作面掘進作業(yè)對巷道圍巖擾動引起。

根據(jù)微震事件定位結(jié)果，3604 工作面生產(chǎn)期間圍巖頂板影響高度和底板影響高度見表3。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，工作面頂板圍巖影響高度呈現(xiàn)增大再降低的趨勢，其中9 月和10 月影響的范圍最大，這是由于9 月和10 月的掘進累計進尺較大導(dǎo)致。根據(jù)數(shù)據(jù)底板影響深度呈駝峰型變化，9 月和11 月影響深度最深。無論是頂板還是底板影響區(qū)域都隨著掘進接近尾聲而逐漸縮小。受開采擾動影響，工作面巷道上覆煤巖體微破裂較多，范圍廣，巖體穩(wěn)定性略低于下伏巖體。

表3 頂板破壞高度和底板破壞深度統(tǒng)計表 m

b 值是表征微震事件相對震級分布的函數(shù)，2020 年8 月到2021 年1 月b 值變化趨勢圖如圖4。從圖4 可知，除8 月外，b 值均在1 以上，表明3604 工作面內(nèi)巖體處于相對平穩(wěn)狀態(tài)，巷道圍巖的穩(wěn)定性較好。變化趨勢呈現(xiàn)出逐漸增加、減小、再增加的趨勢。說明2020 年8 月至10 月小震級微震事件相對增加，大震級微震事件出現(xiàn)的概率相對減小，工作面圍巖體損傷或局部破壞的風險在減小。而10 月到12 月小震級微震事件相對減小，大震級微震事件出現(xiàn)的概率相對增加，工作面圍巖體損傷或局部破壞的風險在增加。到2021 年1 月由于掘進接近尾聲，大能量事件減少，工作面圍巖體損傷或局部破壞的風險也在減小。

圖4 3604 工作面b 值變化趨勢圖

4 結(jié)論

（1）3604 工作面掘進期間共監(jiān)測微震事件1986 次。從2020 年8 月開始，掘進產(chǎn)生的微震事件逐漸增多，到10 月微震事件數(shù)達到最大值后又逐漸減少。

（2）3604 工作面掘進期間微震事件及能量的監(jiān)測結(jié)果表明，礦山生產(chǎn)擾動3604 工作面巷道的圍巖應(yīng)力發(fā)生變化，進而導(dǎo)致圍巖體應(yīng)力產(chǎn)生調(diào)整。3604 面掘進初期圍巖穩(wěn)定性較差，隨著掘進圍巖穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定，掘進后期由于對圍巖擾動的影響，巷道圍巖穩(wěn)定性再次變差，停止掘進后，圍巖穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定。

（3）微震事件主要分布在掘進工作面附近，隨3604 工作面掘進推進，微震事件逐漸向回采線移動，直至貫通。說明這些微震信號主要是掘進工作對圍巖的擾動引起。

（4）3604 面微震數(shù)據(jù)中，b 值函數(shù)結(jié)果表明：3604 工作面內(nèi)巖體處于相對平穩(wěn)狀態(tài)，呈現(xiàn)逐漸增加、減小再增加趨勢。3604 工作面破壞風險表現(xiàn)為減小-增加-減小的過程。整體上，巷道圍巖穩(wěn)定性較好。