大埋深工作面微震活動規(guī)律研究

楊波

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.河北省礦井微震重點實驗室，河北 邢臺 054000）

0 引言

煤炭作為一種地球上蘊藏量最豐富，分布范圍最廣的化石燃料，是我國經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，并且在可預(yù)見的未來里，煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)中仍將占據(jù)重要位置。近年來我國國民經(jīng)濟以及電力、建材、冶金、化工等行業(yè)高速發(fā)展，對煤炭的需求大幅度增加，從而導(dǎo)致當(dāng)前我國對煤炭的開發(fā)強度較大[1]。

在煤炭開采過程中面臨各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，煤炭深部開采底板水害防治形勢日益嚴峻[2]。為了有效預(yù)防礦井水害的發(fā)生，需要對回采工作面進行實時、動態(tài)、連續(xù)監(jiān)測。微震監(jiān)測技術(shù)是近年來逐漸發(fā)展并成功應(yīng)用起來的一種新的煤礦物探監(jiān)測技術(shù)，通過在大型煤礦井下進行提前施工埋設(shè)的大型高靈敏度檢波器對工作面進行監(jiān)測，從而判斷煤巖體受力及破壞特征[3]，為工作面安全回采提供依據(jù)。

本文通過對邢東礦現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合礦區(qū)相關(guān)資料，在12210 工作面建立高精度微震監(jiān)測系統(tǒng)，從而獲取該工作面微震監(jiān)測數(shù)據(jù)。以原始數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對監(jiān)測到的微震信號進行定位，獲得監(jiān)測區(qū)域巖體破裂位置的分布，研究工作面回采過程中微震事件分布規(guī)律及數(shù)量特征，從而指導(dǎo)該礦區(qū)工作面煤炭資源的安全開采。

1 工程概況

邢東礦位于河北省邢臺市東北約4 km 處，北距邢州大道1.2 km，東距京深高速公路3.2 km，西部毗鄰市區(qū)，井田面積約14.5 km2，12210 工作面位于12212 工作面以北，1224 工作面以南，1200集中運輸巷以東。

12210 工作面標高為-729 —-813 m，主采煤層為2 號煤，煤層平均厚度為4.6 m，工作面走向長度327.8 m（推進長度302 m），傾向?qū)?1 m，采用走向長壁式或短壁式一次采全高綜合機械化采煤，頂板管理采用充填法，礦井采用中央并列抽出式通風(fēng)方法，屬低瓦斯礦井。

12210 工作面采用超高水充填開采工藝，可有效降低底板破壞深度和范圍，主要受頂板水、底板水、斷層水、采空區(qū)積水等水害威脅，雖然已制定防治措施，但在回采過程中仍要加強水害監(jiān)測。在工作面安裝微震監(jiān)測系統(tǒng)，通過高精度微震監(jiān)測技術(shù)在巖體采動過程進行實時、動態(tài)、連續(xù)監(jiān)測，建立礦井突水危險區(qū)域，可以提前做出預(yù)警，避免礦井突水的發(fā)生，實現(xiàn)工作面安全回采[4]。

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

拾震傳感器網(wǎng)絡(luò)的空間陣列布置是影響微震監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性和有效性的關(guān)鍵因素。以往工程實踐表明，拾震傳感器陣列布置成趨向于立方體形狀的網(wǎng)絡(luò)是比較理想的微震監(jiān)測系統(tǒng)布置方案，才能量保證系統(tǒng)具有良好的靈敏度和定位誤差[5]。

12210 工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)共計布置9 個GZC10 檢波器，運料巷4 個、運輸巷4 個、1200集中運輸巷1 個，相鄰檢波器間距100 m；共計布置1 個KJ1073-Z 監(jiān)測分站（圖1）。檢波器采用深孔安裝，其優(yōu)點是與圍巖耦合度較高，受干擾程度低，有利于提高垂向定位精度，可對采空區(qū)一定范圍控制，檢波器需要埋置在鉆孔中，鉆孔具體位置及施工參數(shù)見表1。

表1 12210 工作面鉆孔布置統(tǒng)計表Table 1 Drilling layout statistics table of No.12210 Face

圖1 邢東礦12210 工作面微震監(jiān)測陣列Fig.1 Microseismic monitoring array of No.12210 Face in Xingdong Mine

3 微震監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 微震事件空間分布規(guī)律

微震信號蘊藏著豐富的煤巖物理信息，其頻次、時間- 空間、能量發(fā)育規(guī)律等反應(yīng)了煤巖的應(yīng)力狀態(tài)、變形破裂演變過程等重要信息。分析已收集到的微震事件，將2022 年4、5、6 月微震事件將其展示在平面圖（圈內(nèi)微震事件表示可能受構(gòu)造影響產(chǎn)生的微震事件及隨著時間推移持續(xù)存在的微震事件），如圖2 所示。

圖2 微震事件平面分布Fig.2 Plane distribution of microseismic event

由圖2 可知，微震事件主要集中在回采工作面內(nèi)及工作面周圍的斷層附近。其中回采工作面回采工作面內(nèi)的微震事件發(fā)生位置隨著工作面推進有規(guī)律的向前移動，具有明顯的時空遷移性，主要是由于煤層回采過程中，在地層應(yīng)力作用下，工作面回采位置前方覆巖中產(chǎn)生大量微小破裂，煤層回采后，采空區(qū)上方產(chǎn)生微小破裂的巖石在地層應(yīng)力及自身重力作用下發(fā)生垮落及破裂，從而導(dǎo)致產(chǎn)生的微震事件隨著采線前移；遠離采線的時候工作面內(nèi)的斷層附近持續(xù)出現(xiàn)微震事件，可能由于采動影響導(dǎo)致斷層活化、應(yīng)力集中從而產(chǎn)生微震事件；5 月份期間工作面上方斷層附近持續(xù)出現(xiàn)微震事件，可能由于采線外工作面及兩巷外側(cè)斷層密集，應(yīng)力集中，隨著采線的推進產(chǎn)生微震事件。

采線附近的微震事件如圖3 所示。由圖3 可知，工作面前方0 ～80 m 微震事件較為密集，表明該區(qū)段煤巖體活動劇烈，分析回采擾動影響；兩側(cè)巷道超前采線存在微震事件可能受到超前支承壓力的影響；采線后方的充填采空區(qū)微震事件較為密集且隨著充填活動轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移，表明充填過程中對附近的圍巖產(chǎn)生一定擾動從而發(fā)生微震事件，但整體活動率較低，且充填結(jié)束后逐漸穩(wěn)定。

圖3 采線附近微震事件分布圖Fig.3 The distribution of microseismic events near the working face

3.2 頂板破裂高度及底板擾動深度聚類分析

在回采過程中，頂板懸露面積隨著增大，巖層也會受到一定破壞而發(fā)生變形，進而使得頂板含水層存在潛在風(fēng)險。研究微震頂板事件分布和破裂高度，對于工作面進行頂板管理工作、保障工作面安全有序開采，具有重要的指導(dǎo)意義。對12210 工作面監(jiān)測期間頂板破裂高度數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)聚類，根據(jù)占比的差異性將頂板破裂高度數(shù)據(jù)分為6 類，聚類結(jié)果見表2。由表2 可知，頂板0 ～10.3 m 微震事件分布最為密集，占頂板事件總數(shù)的74.17%，隨著破裂高度的增加，微震事件頻次整體下降；微震事件主要集中在0 ～39.50 m，占頂板事件總數(shù)的95.41%，表明在0 ～39.50 m 內(nèi)，頂板破壞較為嚴重。

表2 頂板破裂高度系統(tǒng)聚類Table 2 System cluster analysis of roof fracture height

為保證下組煤工作面回采安全，煤層底板破壞深度的確定非常關(guān)鍵。煤層底板奧陶系灰?guī)r裂隙普遍發(fā)育且富水性強，若煤層回采過程中，煤層底板破壞深度過大，導(dǎo)通承壓水導(dǎo)升帶或與高承壓含水層耦合破壞隔水層，工作面將發(fā)生底板突水，因此底板破壞深度的確定對下組煤開采非常重要[6]。通過微震監(jiān)測，分析微震事件的發(fā)育層段及分布特征，實時獲取底板釆動破壞深度，為底板防治水工作提供指導(dǎo)意見。對12210 工作面監(jiān)測期間底板擾動深度數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)聚類，將底板擾動深度數(shù)據(jù)分為6 類，聚類結(jié)果見表3。由表3 可知，底板0 ～13.6 m 微震事件分布最為密集，占底板事件總數(shù)的76.92%，隨著擾動深度的增加，微震事件頻次呈下降趨勢，95.85%微震事件分布在煤層以下31 m范圍內(nèi)，表明在此區(qū)間底板破壞較為嚴重。

表3 底板擾動深度系統(tǒng)聚類Table 3 System cluster analysis of floor disturbance depth

3.3 過斷層探巷時微震響應(yīng)特征

12210 工作面在開拓過程中，迫于其特殊地質(zhì)條件不可避免地在平行巷道間布置了聯(lián)絡(luò)巷用于通風(fēng)、運料、行人等。由于探巷靠近斷層，此區(qū)域?qū)儆诠ぷ髅姹∪鯀^(qū)域，在回采過程中應(yīng)加強微震監(jiān)測。

如圖4（a） 所示，采線未推進至探巷附近時，微震事件已在此處零星分布；圖4（b） 所示，由于巷道埋深大，應(yīng)力較集中，支護強度相對較高，致使圍巖體本身積聚了大量的應(yīng)變能，深部巷道圍巖具有蠕變性質(zhì)，隨時間推移，巖石發(fā)生破裂擴展導(dǎo)致微破裂事件，探巷附近微震事件增多；圖4（c） 所示，隨著工作面的推進，探巷附近的微震事件與工作面前方的微震事件開始出現(xiàn)聯(lián)通跡象；圖4（d） 所示，回采所產(chǎn)生的微震事件與此區(qū)域聯(lián)通；圖4（e） 所示工作面開始通過探巷，在采動應(yīng)力及斷層影響下，微震事件頻次增加；圖4（f） 所示工作面通過探巷期間由于推進速度緩慢，周圍圍巖應(yīng)力長時間的釋放，微震事件分布在探巷附近且相對減少；如圖4（g） 所示工作面通過探巷后，探巷附近區(qū)域微震事件逐漸消失，微震事件主要分布在斷層附近。

圖4 過斷層探巷期間微震響應(yīng)特征Fig.4 Microseismic response characteristics during working face passing through fault exploration roadway

3.4 回采速度與微震事件相關(guān)性分析

研究表明，回采進度、微震事件頻次、頂?shù)装迨录€數(shù)、頂板破裂高度、底板擾動深度存在一定的相關(guān)性[7-8]，但在此方面定性研究較多，定量研究較少，本節(jié)主要通過對各指標間的定量研究，選取2022.3.15—2022.5.10 期間的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)（回采過斷層前，該階段微震事件主要受回采擾動影響），運用皮爾遜相關(guān)系數(shù)來分析它們之間的相關(guān)性，結(jié)果見表4。

表4 回采速度與微震事件相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of mining speed and microseismic events

由表4 可知，回采速度與微震事件總數(shù)、頂板事件數(shù)、底板事件數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與底板擾動深度最大值呈極顯著負相關(guān)，說明微震事件總數(shù)、頂板事件數(shù)、底板事件數(shù)隨著回采速度的增加而增加，底板擾動深度最大值隨著回采速度增加而減小，相關(guān)系數(shù)分別為0.568、0.547、0.568、-0.376；微震事件總數(shù)與頂板破裂高度最大值呈顯著正相關(guān)，與底板擾動深度最大值呈極顯著負相關(guān)，說明微震事件總數(shù)越多，頂板破裂高度越大，底板擾動深度最大值越小，相關(guān)系數(shù)分別為0.292、-0.547；頂板事件個數(shù)與頂板破裂高度最大值呈顯著正相關(guān)，說明頂板事件個數(shù)越多，頂板破裂高度最大值越大，相關(guān)系數(shù)為0.295；底板事件個數(shù)與底板擾動深度最大值呈極顯著負相關(guān)，說明底板事件個數(shù)越多，底板擾動深度最大值越小，相關(guān)系數(shù)為-0.592。

4 結(jié)論

（1） 微震事件主要集中在回采工作面內(nèi)、工作面內(nèi)的斷層及兩巷外側(cè)斷層周圍，考慮與采礦活動、采動影響下斷層活化導(dǎo)致應(yīng)力集中有關(guān)。

（2） 微震事件大多集中在頂板0 ～39.50 m 及底板0 ～31 m，分別占頂?shù)装迨录倲?shù)的95.41%、95.85%。

（3） 監(jiān)測期間隨著采線推進SF84-3、SF84-2斷層，受采動應(yīng)力和斷層構(gòu)造的疊加影響，微震事件位置及數(shù)量出現(xiàn)相應(yīng)變化，該區(qū)域?qū)儆诠ぷ髅娴谋∪鯀^(qū)域。

（4） 回采速度對微震事件總數(shù)、頂板事件數(shù)、底板事件數(shù)、底板擾動深度最大值存在一定影響。