微震監測地質異常對工作面回采影響分析

張愛華，陳建東

（1.中煤新集能源股份有限公司 新集二礦，安徽 淮南 232000；2.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；3.河北省礦井微震重點實驗室，河北 邢臺 054000）

0 引言

底板突水是煤礦開采過程中遇到的主要水害之一，近年來隨著轉入深部開采，底板水害防治形勢日益嚴峻[1]。尤其應力擾動接近隱伏導水構造、裂隙薄弱帶，各含水層段連通發展的趨勢增強。斷層、陷落柱、隱性裂隙帶等地質異常體易受外界活動擾動而誘發突（涌）水等礦井水害，監測這些地質異常體在采動過程中的活化過程、探討其活化規律和機制，對減少該類地質災害的發生有重要的現實意義。

查明地質及水文地質條件是工作面安全開采的基礎[2-3]，開展隱蔽致災因素探查，查明各類致災“隱伏地質異常”，避免采掘誤揭造成重大安全事故。受外來推覆構造影響，新集二礦地面三維地震資料品質相對較差，致使煤系地層及下伏隔（含）水層構造不能有效探查。

為了確保工作面安全回采，通過微震大范圍實時監測手段查明復雜區水文地質情況[4-5]，盡量做到無遺漏，實現安全回采。微震監測技術通過在監測區周邊布置檢波器陣列，實時采集煤巖體在變形或斷裂過程中微震信號。進行事件定位，在三維空間中實時展示微震事件發生的空間位置，實時動態分析煤巖體的活動范圍、破裂規律及其穩定性，為工作面安全回采做出科學評價。與傳統巖體穩定監測技術相比，微震監測技術的優點是可以實時、精確給出煤巖體破裂或失穩的空間位置并提前進行水害監測預警。

1 工作面概況

新集二礦230102 工作面位于二水平東翼2301采區，為該采區首采面。工作面西起2301 采區輔助運輸上山，東至老人倉斷層防水煤柱線，南鄰210108 工作面（2014 年1 月采畢），北至1 上煤-650 m 底板等高線附近，北部為設計230106 工作面（未采）。地面標高+13.0—+23.7 m，工作面標高-613.0—-663.8 m。該工作面為走向長臂后退式一次采全高，可采走向長604 m，傾向長155 m，平均煤層厚度4.3 m，可采斜面積91 318 m2。上距4-1 煤層間距平均80.6 m，下距太原組1 灰平均18.8 m。回采范圍內煤巖層總體傾向為NNE 單斜構造，局部地質構造發育地段存在起伏。

2 微震監測系統布置

依據檢波器布置原則，結合礦井現有系統巷道，對檢波器位置及采集分站合理優化布置。微震檢波器布置在230102 工作面底板巷和230106 工作面下底板巷，構成了全包圍監測陣列。布置單軸檢波器16 個，間距100～110 m，監測分站3 個，共計20 通道（圖1）。

圖1 230102 工作面微震監測系統布置Fig.1 Microseismic monitoring system arrangement in No.230102 working face

3 工作面回采過斷層微震響應

自1996 年12 月皖北礦業集團發生巖溶陷落柱突水淹井事故后，兩淮礦區相繼發現了近30 個巖溶陷落柱。突水過程實質上是導水通道形成、發展及通道擴充，高壓水對圍巖的破壞過程，且必然伴隨微震事件的發生。工作面附近太原組地層厚105.56～138.36 m，平均109.8 m，其中灰巖總厚60.10～86.65 m，灰巖平均69.25 m，占組厚63.1%。太原組灰巖地層由12 層淺灰—深灰色灰巖，1 煤底板距1 灰16.5～22.1 m，平均18.8 m。

斷層的存在不同程度地破壞了煤層的連續性及原生結構，使煤體強度降低，滑面和裂隙也較為發育。230102 工作面構造揭露情況如圖2 所示。

圖2 230102 工作面揭露構造平面示意Fig.2 Structure plan schematic exposed in No.230102 working face

3.1 老人倉斷層微震響應

老人倉斷層，又稱為潁上斷裂，為華北型煤田南部邊界。該斷層為高角度正斷層，總體走向為東西向，斷層面傾向北。受老人倉斷層影響，附近伴生構造可能較發育，存在大量原生、次生裂隙。230102 工作面南部邊界為老人倉斷層80 m 保護煤柱線，于2020 年7 月初開始試采。

工作面回采初期，微震事件在切眼附近和斷層保護煤柱內密集發生。尤其底板微震事件，分析受底板巷斷層F230102d-3、F230102d-2、機巷斷層F230102j-1 以及老人倉邊界斷層影響內原生裂隙影響，太原組灰巖C3Ⅰ組和C3Ⅱ組層段事件較密集發生（圖3）。

圖3 回采初期底板微震事件平面示意Fig.3 Microseismic event under floor plan schematic during early mining period

工作面回采前2301 采區地面區域治理及底板注漿加固工程已完畢，且附近無封閉不良鉆孔，受老人倉邊界斷層、采動和底板破壞應力傳導影響，底板事件發育較深，最深至1 煤底板下73 m（圖4）。

圖4 微震事件投影Fig.4 Microseismic event projection

監測期間深部事件（C3Ⅱ組）聚集在老人倉斷層保護煤柱和230102 工作面切眼附近，工作面內零星發育。回采初期礦壓顯現劇烈，應力擾動下微震事件密集發生，深部事件（C3Ⅱ組）占比較大。回采后期，工作面揭露斷層均為1m 左右（小于1/2 煤厚），回采通過后未見深部（C3Ⅱ組）事件，偶見C3Ⅰ組事件（圖5）。

圖5 監測期間深部事件（C3Ⅱ組）平面分布Fig.5 Deep event（No.C3Ⅱgroup）plan distribution during monitoring period

老人倉邊界斷層、工作面和底板巷揭露斷層影響，煤巖體在此區域較為薄弱。回采初期底板微震事件發育較深，只發育在老人倉斷層上升盤，即工作面和保護煤柱內，且距離老人倉斷層越近，底板事件深度越深，隨著回采推進，底板事件發育深度變淺，最終穩定在某一范圍。工作面外段煤巖體相對較為完整，應力擾動較淺，底板破壞深度較淺。整個回采過程未監測到C3Ⅱ組層段及深部事件持續密集發生，工作面未發生突水，表明老人倉斷層未發生活化，監測過程老人倉斷層不導水，未形成垂向有效導水通道。

3.2 斷層帶微震響應

230102 工作面為2301 采區首采面，緊鄰井田南部邊界老人倉正斷層。受其影響，工作面內尤其是東段小斷層、褶曲及裂隙等地質構造發育相對較密集，煤層及其頂板局部較破碎，傾角變化較大，巷道施工區域地質構造復雜。

3.2.1 初采期間斷層影響微震響應

工作面于2020 年7 月8 日開始試采，7 月11日微震事件頂、底板（圖6～圖7），受揭露斷層影響，230102 工作面初采期微震事件在機巷偏底板巷聚集程度高，頂、底板近煤層事件在斷層附近較聚集，底板C3Ⅰ組事件在斷層走向方向零星發育，此時仍存在C3Ⅱ組事件。

圖6 微震監測頂板事件平面示意Fig.6 Microseismic monitoring event at roof plan schematic

圖7 微震監測底板事件平面示意Fig.7 Microseismic monitoring event under floor plan schematic

微震事件多為小能量事件，頂板事件發育最大高度為37.31 m，底板事件發育仍較深，最大深度為61.18 m。

3.2.2 斷層影響期微震響應

以F230102h-2 為例，分析斷層對回采工作面的影響。該斷層沿走向延伸約100 m，落差1.2 m。8 月11 日，微震事件沿斷層走向零星發育（圖8），此時，采線距離斷層揭露位置約118 m。

圖8 微震監測事件平面示意（2020.8.11）Fig.8 Microseismic monitoring event plan schematic（August 11,2020）

受采動和斷層的影響，煤巖體薄弱區應力較集中。8 月15 日，斷層附近微震事件聚集程度開始增大（圖9），且事件在斷層走向區域密集程度較高，巖體較破碎，應力集中釋放。

圖9 微震監測事件平面示意（2020.8.15）Fig.9 Microseismic monitoring event plan schematic（August 15,2020）

隨著回采推進，9 月1 日開始揭露斷層（圖10～圖11），受前方實體煤采線前方超前支撐應力距離變大。

圖10 微震監測事件平面示意（2020.9.1）Fig.10 Microseismic monitoring event plan schematic（September 1,2020）

圖11 微震監測事件平面示意（2020.9.10）Fig.11 Microseismic monitoring event plan schematic（September 10,2020）

工作面推過斷層，微震事件在采空區后方仍大量聚集。工作面過斷層期間，零星發育C3Ⅰ組層段事件，底板事件擾動深度為1 煤底10.25～43.80 m。受采掘揭露斷層和采動礦壓影響，微震事件在近煤層呈區域性密集，沿斷層走向發育，未見C3Ⅰ組以深層段事件，未發現揭露斷層活化跡象，未發現垂向導水通道（圖12）。

圖12 微震監測事件平面圖（2020.9.20）Fig.12 Microseismic monitoring event plan view（September 20,2020）

4 結論

地質異常對工作面回采有一定影響，微震事件在相應區域呈現不同的聚集度及發育深度。

（1）回采初期，受老人倉斷層、采掘揭露的斷層影響，微震事件在斷層上升盤一側密集發育，且事件發育深度較深。斷層附近煤巖體較為破碎，存在“吸能”作用，阻擋了應力向另一盤傳遞，老人倉斷層未活化。

（2）回采后期底板只零星發育C3Ⅰ組層段事件，未發現向深部延展跡象，表明采掘揭露的構造未活化，未形成有效導水通道。