復合頂板下沖擊地壓煤層綜放工作面微震特征分析

高永剛，葉 飛，趙維收

(陜西彬長小莊礦業有限公司，陜西 咸陽 713500)

隨著煤礦向深部開采，沖擊地壓作為一種常見的煤礦動力災害，許多學者對其進行了研究[1-4]。微震監測技術可以用來研究煤巖層的活動規律、煤巖體的破裂機制及礦震時空演化規律，可以對沖擊地壓等煤巖動力災害進行監測預警[5-10]。

國內外學者對微震活動特征開展了大量的卓有成效的研究。姜福興[11]、竇林名[12]、潘一山[13]等采用微震系統對三維空間內所有煤巖體破裂過程進行24 h連續監測，采集和分析煤巖體微破裂時產生的彈性波，判斷煤巖體破裂的時間、空間位置、震級、能量釋放等參數，實現對沖擊地壓的超前預警；夏永學等[14]提出了微震預測沖擊地壓的5個指標；CAO Anye等[15]運用微震系統的被動層析成像技術對孤島工作面沖擊危險源進行辨識。但上述研究大多針對厚層堅硬頂板開展，針對復合頂板條件下微震活動特征的研究尚顯不足。

筆者對小莊煤礦復合頂板條件下40204綜放工作面回采期間的微震活動特征進行研究，并由此制訂特厚煤層綜放工作面防沖措施。分析結果對類似條件下的沖擊地壓煤層安全回采具有借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工作面概況

40204綜放工作面主采4#煤層，其埋深約+518～+690 m，平均煤層傾角約3°～4°。40204綜放工作面走向長1 801 m、寬195 m，工作面區域內煤層賦存較為穩定，平均厚度22 m，南鄰40203采空區，其余3面均為實體煤。

工作面回采前煤巖體中蘊含集中靜載荷，在工作面開始回采后，由于綜放開采頂煤、頂板垮落或頂板彎曲下沉，導致在煤體中發生破裂事件。采用微震系統對工作面回采過程中產生的煤巖破裂事件進行監測，在工作面上下巷各布置3個探頭，同一巷道內探頭間距不超過300 m。

1.2 復合頂板概況

根據小莊煤礦40204工作面附近的1-2和2-4鉆孔柱狀圖可知，局部區域4#煤層上方垂距約60 m范圍內頂板巖層巖性及厚度如表1所示。

表1 40204工作面局部區域4#煤層上方頂板結構

由表1可知，勘探鉆孔附近區域多由厚度小于10 m的薄巖層組成，在1-2柱狀中煤層上方13層巖層中僅有2層厚度大于10 m，在2-4柱狀中煤層上方 13層巖層中僅有1層厚度大于10 m，并且在統計的13層巖層中，1-2柱狀包括7層砂巖，2-4柱狀包括6層砂巖，砂巖為鈣質或泥質膠結，硬度較高。對比1-2和 2-4 柱狀圖，發現兩鉆孔巖層結構差異較大。由此可見，鉆孔附近區域4#煤層上方垂距約60 m范圍內含有多層堅硬巖層但厚度較小，且頂板巖層賦存穩定性較差，頂板巖層內沒有起主要作用的亞關鍵層，頂板硬度是靠多層薄硬巖層疊加而得。

2 復合頂板下綜放開采微震活動特征分析

2.1 微震基本規律分析

選取40204綜放工作面及其周圍100 m范圍的微震數據進行分析，此時空范圍內共有46 529個有效微震事件，總能量為1.10×108J，平均能量為 2.36×103J，最大能量為3.13×105J。在數據監測時間范圍內，工作面共推進1 123.3 m，平均每米釋放能量為9.76×104J。

經統計，能量大于104J微震事件占總頻次的1.12%；能量小于104J微震事件占總頻次的70.39%，其能量和頻次均占主導地位；能量小于 103J 微震事件占總頻次的28.37%，這表明回采過程中圍巖積聚的能量釋放較為均勻，對沖擊地壓的防治較為有利。根據以往發生的動力現象來看，當微震事件能量在104J以上時，就有可能對巷道圍巖造成破壞，而在40204綜放工作面回采過程中，最大能量為3.13×105J，說明40204綜放工作面回采期間具有一定的沖擊危險性。但能量釋放還是以“高頻低能”的形式為主，這主要由于回采前和回采中采取的大量卸壓措施在煤層內形成了大量裂隙，導致能量的逐漸釋放，也說明了目前煤層大孔徑鉆孔卸壓參數較為合理，形成的裂隙場連續性較好。

2.2 微震頻次與能量的周期性變化

40204綜放工作面回采過程中每天的微震事件頻次和能量的變化曲線如圖1所示。從圖1中可以看出，在40204綜放工作面回采前期微震事件的頻次和能量保持在較低水平，中后期有3個明顯的微震事件活躍時段：

1)A時段：A活躍時段持續48 d，平均每日微震頻次為282，單日微震能量總和平均為6.72×105J。

2)B時段：B活躍時段持續35 d，平均每日微震頻次為311，單日微震能量總和平均為7.66×105J。B時段相對于A時段，微震活躍度進一步升高。在A和B活躍時段出現時，工作面內并沒有大的地質構造，采掘布置情況相對于開采初期也沒有大的變化，工作面回采速度也比較穩定，表明該區域頂板巖層結構硬度較大，從而出現了這2個微震活躍時段。

圖1 40204綜放工作面回采期間微震事件每天頻次和能量變化曲線

3)C時段：C活躍時段持續64 d，平均每日微震頻次為146，單日微震能量總和平均為2.70×105J。該時段相對于A和B時段，持續時間更長，但能量和頻次有所下降。該時段受停采煤柱及其附近巷道群的影響，微震能量和頻次大幅升高。

40204綜放工作面每推進5 m時的微震能量變化情況見圖2。可以看出，工作面回采的大部分時間均處于弱沖擊危險水平，少量時段工作面受頂板斷裂產生的動載擾動影響，沖擊危險性有所升高，達到了中等沖擊危險水平。

圖2 40204綜放工作面回采期間沖擊危險性分析

綜上分析，40204綜放工作面由于頂板巖層屬于多層復合膠結頂板，單層厚度通常小于5 m，并且堅硬巖層較少，因此微震能量和頻次較低，但局部頂板硬度加大，依然會導致微震活躍度的升高。

2.3 微震活動與采動應力的關系分析

研究表明，煤巖體破裂發生在應力差較大的區域，因此，煤巖體破裂區總是與高應力差區域相重合，并與高應力集中區域相接近，由此可見，只要監測到煤巖破裂區域，即可找到高應力區域和高應力差區域。每一次煤巖體破裂都會產生一次微震事件和聲波，而震動能量、頻次等又反映了煤巖體受力破壞程度，微震事件能量越大、震動越頻繁，則煤巖體應力集中程度越大，破壞越嚴重。因此，可通過微震監測開采過程中微震事件能量、頻次及發生位置等參數來分析采動對區域應力場分布特征的影響。

為研究工作面前方超前支承壓力的分布特征，采用固定工作面的方法(即假定工作面的位置是固定不動的)，根據定位結果及工作面推進進度，可以計算出每個微震事件相對于固定工作面的相對坐標。微震事件的絕對位置和相對位置關系如圖3 所示。

圖3 微震事件的絕對位置和相對位置關系

假設第i天第j個微震事件Pij的定位坐標為(x,y,z)，且第1天至第i天工作面的推進距離為Li，則選取第1天作為固定工作面，可求得該微震事件的相對坐標(X,Y,Z)：

X=x-Licosαcosβ

Y=y-Licosαsinβ

Z=z-Litanα

式中：α為工作面推進角度；β為工作面推進方向在水平面上的投影與x軸的夾角。

對于小莊煤礦來說，工作面走向方向可以認為是近似水平的，即α=0，則：

X=x-Licosβ

Y=y-Lisinβ

Z=z

通過固定工作面位置，將40204綜放工作面微震事件空間分布按照上述方法進行修正，取空間步長為10 m，得到工作面前方和后方微震事件分布特征，進而分析得到微震活動與采動應力的關系，如圖4 所示。總體來看，微震能量和頻次分布曲線同超前支承壓力曲線相類似，隨著與工作面距離的增大，微震能量和頻次快速降低。

圖4 微震活動與采動應力的關系

由圖4可知，大部分微震事件均集中在工作面附近，工作面前方40 m為微震能量和頻次的峰值區域，說明工作面回采過程中頂板垮落較為及時，頂板巖層的垮落性較好，有利于防沖工作。此外，在工作面后方0～100 m，微震能量和頻次也比較集中，但相對于工作面前方要降低很多。監測結果表明，隨著40204綜放工作面的回采，上部頂板垮落主要集中在工作面前方，而在工作面后方頂板破裂運動依然比較劇烈。由于工作面前后頂板破斷均比較充分，使得工作面超前區域的應力保持在較低水平。

2.4 區段煤柱影響下微震能量沿傾向分布規律

40204綜放工作面留設寬度為28.6 m的區段煤柱，沿煤層傾向微震事件能量和頻次的分布情況如圖5所示。

圖5 沿煤層傾向微震事件分布情況

由圖5可知，整個40204綜放工作面微震事件沿傾向呈近拋物線型分布，距離區段煤柱越遠則微震能量和頻次越低；在工作面回風巷附近微震能量和頻次出現了升高，而后再次降低，說明區段煤柱附近區域微震事件最為集中，相應的沖擊危險性最高，隨著與區段煤柱距離的增大危險性逐漸降低；工作面中部微震能量和頻次相對較小，在工作面回風巷端頭附近區域微震能量和頻次出現突然升高，說明該區域具有較高的沖擊危險性。

綜上所述，在區段煤柱及采空區側向壓力影響下，煤柱區、膠帶巷和回風巷端頭區域屬于應力增高區，煤巖體具有較強的活動性。

3 復合頂板下微震活動特征的成因分析

由微震監測結果可知，復合頂板條件下小面積的采空區對應力集中的影響較小，只有當采空區面積較大時才會產生較大影響，這是因為復合頂板單層巖層厚度較小，垮落性較好，當采空區面積較小時低位頂板垮落會填滿采空區，對層位較高的頂板形成支承效應；但是當形成大面積采空區時，頂板垮落高度開始上升，大面積采空區上方的高位頂板會形成聯動效應，這種聯動效應增加了復合頂板下采空區附近頂板圍巖的應力集中程度。

4 復合頂板下防沖卸壓措施

根據微震監測結果，制訂復合頂板下的防沖卸壓措施。在工作面回采期間，與40203采空區相鄰的膠帶巷采取煤層爆破卸壓，爆破孔孔徑44 mm、孔深 12～15 m，單孔裝藥4～6 kg，孔間距2～4 m；回風巷采取大直徑鉆孔卸壓，孔徑133 mm，煤柱側孔深 15 m，回采側孔深50 m，孔間距0.8～1.6 m。根據沖擊地壓監測及現場動力顯現情況，判定工作面沖擊危險等級，依據沖擊危險等級調整爆破孔和大直徑鉆孔間距。

目前，40204綜放工作面已回采結束，未發生沖擊地壓顯現，證明了回采過程中采取的卸壓解危措施較為合理，進一步驗證了微震監測結果符合客觀實際。

5 結論

1)復合頂板條件下，40204綜放工作面回采期間小于104J微震事件的能量和頻次占居主導地位，表明回采過程中圍巖積聚能量釋放較為均勻，避免了局部應力集中。

2)復合頂板條件下工作面附近微震事件主要集中在工作面前方，但在工作面后方頂板活動依然比較劇烈，頂板垮落較為充分，工作面超前區域的應力保持在較低的水平，降低了工作面沖擊危險性，說明復合頂板條件下40204采空區對工作面超前應力集中影響較小。

3)40204綜放工作面區段煤柱附近區域，以及工作面回風巷端頭附近區域微震事件最為集中，此區域沖擊危險性最高，工作面中部微震能量和頻次相對較小，沖擊危險性相對較低，說明復合頂板條件下相鄰采空區對鄰空巷道的影響較大。

4)由于復合頂板垮落性較好，當采空區面積較小時低位頂板垮落會充滿采空區，對層位較高的頂板形成支承效應，但是當形成大面積采空區時，采空區上方的高位頂板會形成聯動效應，增加了復合頂板下采空區附近頂板圍巖的應力集中程度。

5)根據微震監測結果，制訂復合頂板下的防沖卸壓措施。目前，40204工作面已回采結束，未發生沖擊顯現，表明微震監測結果符合現場實際。