基于微震監測技術的3604 掘進工作面圍巖穩定性研究

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，現生產能力120 萬t/a，開采3#煤層，為高瓦斯礦井。候村煤礦3604 工作面煤層頂底板圍巖受巷道采掘影響，其穩定性及應力會發生變化。在3604 工作面掘進過程中采用微震監測技術對煤層頂底板巖體穩定性及應力進行動態實時監測，以保證采掘安全。

2 圍巖穩定性動態微震監測方案[1-2]

2.1 觀測系統

候村煤礦3604 工作面圍巖穩定性微震監測系統：共布設一套12 通道微震監測系統，分2 個6通道微震監測分站，每個微震監測分站連接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。監測臺網布設如下：

（1）3604 膠帶巷、回風巷各布設1 臺微震監測分站及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，覆蓋有效監測區域400 m。

（2）3604 面圍巖穩定性動態微震監測系統布設如圖1、圖2，微震傳感器編號S1～S8，微震監測分站編號1#～2#。

圖1 單巷微震監測系統布設示意圖

圖2 3604 掘進工作面微震監測系統布設示意圖（m）

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

2.2 電纜鋪設

3604 面圍巖穩定性動態微震監測區域中每個單軸微震傳感器需鋪設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 系統聯調及地震波速標定

微震監測系統安裝后，進行系統聯調及地震波速標定。地震波速標定根據現場實際條件進行現場煤層敲擊實驗完成。施工方法：在監測區域選取多個敲擊實驗點，如微震監測點附近約20 m、10 m處的煤壁幫和頂部；大錘結合金屬底板進行敲擊實驗，記錄敲擊時間；根據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 工作面頂板圍巖穩定微震監測分析

3.1 3604 工作面微震事件處理

2020.8.12—2021.2.4 期間，3604 面掘進期間共監測微震事件1986 次。通過拾取監測微震事件進行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產生的微震事件。通過對3604 面開采誘發產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域。根據微震事件分布特征，結合巷道圍巖地質、地層、巖性等資料，可初步分析工作面掘進引起的圍巖應力變化規律。通過對彈性波信息進行采集處理，獲取微震事件發生位置、大小、能量、地震矩、非彈性變形和震源機制等數據，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、實時監測。

3.2 工作面微震時空演化規律分析

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月微震事件數達到最大值后逐漸減少。表明8 月—10 月間3604 面掘進作業頻繁，巷道圍巖誘發較強烈的微震事件，因此10 月微震數據急劇增多，工作面巷道上覆煤巖體受開采擾動影響較大。

表1 監測區間定位微震事件月度統計

3.2.2 3604 工作面能量域分析

（1）3604 工作面能量區間分析

3604 工作面微震能量不同能量區分布統計見表2。近半數以上的微震事件其釋放的能量在100 J 以內，另外近39.78%的微震事件其釋放能量在1000 J 以內，初步推測這些微震事件是3604 工作面掘進生產擾動引起的圍巖應力變化、應變發展及延伸等產生的圍巖體應力調整活動。大能量事件相對較少、地震活動性頻度高，說明監測區域的應力積聚-調整-釋放-再積聚活動穩定持續進行。

表2 不同能量區間分布統計表

由表2 數據可知，在整個監測區間，有效定位的微震事件半數以上為100 J 以下的事件，屬于掘進生產活動擾動圍巖應力重分布產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 月微震事件數最多，該月每天平均微震事件數達25 次，后期微震事件數明顯減少，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生。

從圖3 可知，監測期間微震事件能量曲線呈現一定規律性。掘進初期，因煤巖體原有應力平衡的改變，微震能量有明顯變化，沖擊危險性增強；隨著掘進進行，煤巖體應力趨于新的平衡，相應的能量明顯下降；隨著掘進對巷道圍巖擾動的增加，應力重新分布，再加上斷層和采空區的影響，微震事件能量在一段時間會快速增加，應力釋放后又逐漸穩定；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果分析：根據2020 年8 月—2021 年2 月每月的微震事件定位結果，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是工作面掘進作業對巷道圍巖擾動引起。

根據微震事件定位結果，3604 工作面生產期間圍巖頂板影響高度和底板影響高度見表3。根據數據可知，工作面頂板圍巖影響高度呈現增大再降低的趨勢，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致。根據數據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計表 m

b 值是表征微震事件相對震級分布的函數，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 工作面內巖體處于相對平穩狀態，巷道圍巖的穩定性較好。變化趨勢呈現出逐漸增加、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 結論

（1）3604 工作面掘進期間共監測微震事件1986 次。從2020 年8 月開始，掘進產生的微震事件逐漸增多，到10 月微震事件數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測結果表明，礦山生產擾動3604 工作面巷道的圍巖應力發生變化，進而導致圍巖體應力產生調整。3604 面掘進初期圍巖穩定性較差，隨著掘進圍巖穩定性趨于穩定，掘進后期由于對圍巖擾動的影響，巷道圍巖穩定性再次變差，停止掘進后，圍巖穩定性趨于穩定。

（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 面微震數據中，b 值函數結果表明：3604 工作面內巖體處于相對平穩狀態，呈現逐漸增加、減小再增加趨勢。3604 工作面破壞風險表現為減小-增加-減小的過程。整體上，巷道圍巖穩定性較好。