工作面過聯絡巷微震時空能演化機制研究

趙立松

（1.河北煤炭科學研究院有限公司，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

在工作面回采過程中，由于受斷層等地質因素的影響或由于運輸任務的需要，會出現探巷、設備眼等聯絡巷，斜穿工作面，影響正常開采。許多學者對通過聯絡巷頂板支護、礦壓變化等方面做了研究分析，張黨育[1]等人以東龐煤礦9212 工作面過老巷為例，對其過老巷期間頂板微震響應的時空演化規律進行了描述，并應用主成分分析與熵權法確定綜合權重，基于脆弱性指數法建立了危險性評價模型，為類似條件下過老巷頂板支護管理提供了參考。柏建彪[2]等人通過建立空巷頂板穩定性的力學模型，對工作面前方空巷基本頂的穩定性進行了研究分析。張德寶[3]在其碩士論文中采用理論研究、數值模擬以及現場實測等方法研究了工作面推進過程中的礦壓顯現特征及空巷與工作面相互影響情況，分析了平行與工作面的空巷在回采過程中的礦壓顯現規律及破壞規律。郭富利[4]圍繞綜放工作面空巷圍巖關鍵結構穩定性等問題，提出了空巷“小結構”-錨桿與圍巖作用而形成的共同承載結構的觀點，形成了綜放工作面過空巷時空巷圍巖穩定及其控制的理論體系。任建峰[5]以斜溝煤礦8 號煤層為地質原型對大采高工作面過空巷時的支承壓力分布進行模擬分析，得出工作面回采過程中不同階段圍巖應力分布情況進行了分析。張浩、唐海波、徐躍強等[6-8]對工作面過空巷也都做了一些研究分析。張峰[9]采用理論分析和現場調研的方法總結深部破碎巷道圍巖的變形特征，提出了多種方法聯合支護對圍巖進行控制，并對支護效果進行了評價證明其支護方式的可行性。

本文以峰峰集團羊東礦8470 工作面為例，在基于礦井微震監測所得的連續實時數據，對頂板、底板微震事件時空、能量演化規律進行分析、研究，總結了其通過聯絡巷階段的特征，可為類似條件下工作面安全通過聯絡巷提供參考。

1 工程概況

羊東礦8470 工作面為4 號煤綜采工作面，標高為-611—-793 m，運料巷長為1 120 m，溜子道長1 340 m，采寬130 m。羊東礦8470 工作面東部以8468 工作面為界，西部以8466 采空區為界，南部以五二采區三條下山為界，北部以F30 斷層預留防水煤柱為界。該工作面地質條件較復雜，呈褶曲構造形態，外段為背斜，里段為向斜，煤巖層走向為N53°W ～N84°E，傾角2° ～28°，平均14°，煤層厚度1.20 ～1.96 m，平均厚度1.3 m，其柱狀圖如圖1 所示，受下伏奧灰水威脅，屬帶壓開采，水文條件復雜。

圖1 羊東礦8470 工作面柱狀圖Fig.1 Histogram of No.8470 Face in Yangdong Mine

該工作面開采4 號煤，頂板為野青灰巖含水層，該含水層富水性弱，隨巷道掘進揭露以滴淋水形式可逐漸疏干，一般不會對正常掘進造成影響。底板含水層依次為伏青灰巖含水層、大青灰巖含水層、奧灰含水層。伏青含水層近3 a 最高水位為-605 m，根據工作面周邊809 號鉆孔資料分析，距野青煤層最小間距29.56 m。8470 工作面（里段）區域治理目的層為奧陶系灰巖含水層頂面向下30～40 m。2020 年，對8470 工作面及巷道內小構造及構造導水性、富水異常區探查及治理。

2 8470 工作面微震系統布置

檢波器合理有效的布設對煤礦水害微震監測系統精確定位十分重要，本著立體化交錯布置、經濟合理等原則，該工作面微震監測項目共布置單軸檢波器20 個，共3 個分站，其平面位置如圖2 所示。通過檢波器接收煤巖體在變形、破裂過程中的微震事件信號[10]，進行微破裂發生位置定位，同時得出能量、震級、視體積等屬性參數。基于三維可視化地質建模理論和技術，根據羊東礦采掘工程平面圖及8470 工作面附近鉆孔柱狀圖，對煤系地層及巷道工程進行三維地質建模。經過收集原始資料結合采礦、水文地質對層段進行劃分，得到煤系相關地層的頂底界面，從上往下依次為2 煤淺部、2 煤-野青底、野青底-山伏青底、山伏青底-大青底、大青底-奧灰頂、奧灰以深。微震監測系統實時傳輸數據至服務器，根據礦方生產情況制定日報監測周期，每天進行數據處理，然后展點上圖，將頂板事件、底板事件等分別進行平面、順巷剖面、垂巷剖面展布。

圖2 8470 工作面微震監測陣列布置Fig.2 Microseismic monitoring array layout in No.8470 Face

3 過聯絡巷階段微震事件時空能演化機制

8470 面共存在2 條聯絡巷巷道（即聯絡巷），是羊東礦為分頭采煤拉運設備使用的，其中1 條在距離運料巷切眼96 m、溜子道切眼200 m 處，即本文中所監測區域范圍的聯絡巷，在4 號煤回采工作面中以53°的夾角與8470 工作面兩平巷斜交。

結合9 月1 日—9 月3 日微震日報平面分布圖，如圖3 所示。9 月1 日微震事件主要分布在采線與聯絡巷巷道之間的位置，尚未影響到聯絡巷區域。9 月2 日采線附近微震事件開始增多，且聯絡巷與下巷交叉三角區域開始出現事件，至9 月3 日時該位置持續有事件。9 月2 日時微震事件發育頻次比9 月1 日增大，能量參數振幅同時有大幅度增加趨勢。因此選擇9 月2 日為聯絡巷超前影響區開始的位置。此時推進15.1 m，超前影響范圍為采線前方105 m。10 月24 日工作面推至聯絡巷與運料巷交叉處，共推進93.1 m。

圖3 微震事件平面分布圖（9.1-9.3）Fig.3 Plane distribution of microseismic event（9.1-9.3）

考慮工作面巷道布置、微震事件超前影響范圍等多因素，將整個研究區域劃分為2 個研究階段，聯絡巷超前影響階段（9.2-10.23）、通過聯絡巷階段（10.24-12.15），如圖4 所示。

圖4 8470 工作面階段劃分示意Fig.4 Stage division of No.8470 Face

3.1 各研究階段頻次特征

聯絡巷超前影響階段共監測到微震事件14 744個，日均284 個。據微震監測數據統計，微震事件數量對比柱狀圖如圖5 所示，4 號煤以上事件5 963 個，占總數的40.4%，野青底-伏青底8 667個，占總數的58.8%，伏青底-大青底114 個，占總數的0.8%。

圖5 微震事件數量對比柱狀圖Fig.5 Histogram of microseismic events number comparison

通過聯絡巷階段共監測到微震事件14 899 個，日均276 個，相比超前影響階段有所下降。4 號煤以上事件5 277 個，占總數的35.4%，野青底-伏青底9 455 個，占總數的63.5%，伏青底-大青底167 個，占總數的1.1%。

結合圖5 可以看出，在通過聯絡巷階段中4 煤以下底板事件占比增加，且山伏青以深事件占比也有所上升，分析認為，在通過聯絡巷過程中巷道交叉處形成的三角區域應力集中釋放，應力傳導范圍增大，底板事件占比增大，擾動深度增大。

3.2 微震事件時空演化規律

根據所劃分的研究階段，選取起始日期以及通過聯絡巷的關鍵時間節點，結合微震日報，分析其事件隨著回采的推進在時空分布上的變化規律。結合微震平面分布圖可以直觀、深入的了解事件發育規律[11]。各研究階段微震事件平面分布趨勢變化圖如圖6 所示。9 月2 日工作面回采至15.1 m 處，采線距離聯絡巷90 m 處，聯絡巷附近微震事件數量開始增多，其位置主要是聯絡巷與運料巷交叉處，其平面分布如圖6（a） 所示，直到10 月23 日為聯絡巷超前影響區域，聯絡巷附近微震事件頻次開始增大。在整個超前影響階段內，微震事件主要是在聯絡巷與運料巷交叉處形成的三角區域內事件密度較大。分析認為，靠近聯絡巷一側煤巖體受到采動應力和超前支承壓力的疊加影響，上覆巖體載荷不斷增加，容易發育微震事件。

圖6 各研究階段微震事件平面分布趨勢變化圖Fig.6 The trend change diagram of microseismic events plane distribution in each research stage

10 月24 日，工作面推進至聯絡巷與運料巷交叉處，微震事件數量驟增，且底板事件增幅較大。如圖6（b） 所示，事件沿聯絡巷兩側密集分布，聯絡巷靠近工作面一側的應力與工作面超前支承壓力在推采過程中開始疊加，按照此時推采位置來看，采空區面積也不斷增大，巷道內圍巖應力急劇上升，圍巖破碎活動密集，微震事件高度發育。11月5 日，采線到達聯絡巷約21 m 處，如圖6（c）所示，微震事件數量仍持續處于高位，且事件主要分布在聯絡巷兩側，隨著工作面的推進，密集區域由聯絡巷與運料巷交叉處逐漸發育至聯絡巷與溜子道交叉口處。11 月16 日，回采至聯絡巷中間位置，微震事件密集帶位于采線前方，事件分布主要在聯絡巷與溜子道交叉處，此時形成的三角區域圍巖應力集中，如圖6（d） 所示，應力場變化受到巷道影響。12 月2 日，回采正在通過聯絡巷，推進速度的變慢，周圍圍巖應力長時間的釋放，如圖6（e） 所示，微震事件分布在聯絡巷附近且相對減少。12 月15 日安全通過聯絡巷。

總體來看，工作面內的聯絡巷為薄弱區域，在采動應力、聯絡巷圍巖應力以及斷層構造等疊加作用影響下，聯絡巷處圍巖特別是與上下巷連通形成三角形的應力集中區更易發生微破裂事件。隨著回采推進，在靠近聯絡巷附近有一個突變，微震事件擾動深度增加，深部事件增多，而后事件逐漸較少。

3.3 能量分布規律

在本文中用的能量參數為振幅A，能量E 與振幅A 的平方成正比。對該監測周期內的微震數據進行統計，微震事件振幅分段柱狀圖如圖7 顯示，微震事件的振幅集中在1 000 以內，占總數的94%，絕大多數集中在0 ~ 300。小能量事件占比較大，說明推采過程中，聯絡巷圍巖發生較多小破裂，結合微震事件發育層位，在超前影響和通過聯絡巷階段，近煤層事件較多，深部發育趨勢不明顯。

圖7 微震事件振幅分段柱狀圖Fig.7 The segmented histogram of microseismic event amplitude

將單日微震事件數量與振幅總和做成點線圖如圖8 所示，這也反映了振幅時間分布特征。在超前影響階段大能量事件較少，在采線剛剛推至聯絡巷處，數量突增，大能量事件分布密度明顯增大，特別是采線前方50 m 范圍內大能量事件占比大，在通過聯絡巷四分之三處大能量事件密度降低。通過聯絡巷階段，微震事件整體呈現出高頻次高能量、高頻次低能量、低頻次低能量3 個階段變化。

圖8 微震事件數量與振幅變化曲線圖Fig.8 Curves of number and amplitude variation of microseismic events

從微震事件振幅空間分布圖9 中可以看出隨著離煤層距離越遠，微震事件的數量和振幅都有減少的趨勢。大振幅主要集中在頂板30 m～底板23 m范圍內，距離煤層較近。煤層底板以上方向上來看，頂板0 ～30 m 微震事件聚集，說明該空間范圍內上覆圍巖巖體破碎、變形程度較大，裂隙充分發育，30 m 以上微震事件頻次、能量均有大幅減小，說明該范圍巖石變形程度較差。煤層底板以深方向上來看，距離煤層底板0 ～25 m 微震事件頻次高。

圖9 微震事件能量空間分布圖Fig.9 Spatial distribution of microseismic event energy

3.4 垂向分布特征

垂向上微震事件每日頂底板分布范圍如圖10所示，超前影響階段微震事件擾動范圍要大于通過老巷階段。在采線推進至聯絡巷時，微震事件響應劇烈時，頂板發育高度和底板破壞深度都有大幅增加，在4 d 之后，擾動范圍減小。分析認為，在超前影響階段，采動應力、原巖應力積聚，在通過聯絡巷時逐漸釋放，在應力突變期有急劇擴展，是應力場由增大到集中，然后到釋放的一個過程。

圖10 微震事件每日頂底板分布范圍圖Fig.10 Distribution range of daily microseismic events in roof and floor

整個監測周期內，頂板事件99.3%事件集中發育在50 m 范圍內，底板事件中64.28%的微震事件集中在野青底至伏青，平均發育深度在底板下31.4 m，山伏青底至大青底含水層事件較多，無大青底以深微震事件發生。表明8470 工作面微震事件主要由回采擾動造成，且采線中部位置底板破裂較為嚴重，但采動破壞深度有限，未形成深部有效導水通道。

4 結 論

（1） 工作面通過聯絡巷時呈現階段性特征。隨工作面的推進，靠近聯絡巷附近有1 個突變，微震事件擾動深度增加，深部事件增多，而后事件逐漸較少。

（2） 聯絡巷與其他巷道交叉處為應力集中區，易發育微震事件，說明其圍巖易破碎，屬于薄弱區域。在今后工作面中出現類似老巷情況時在超前影響范圍內應做好頂板管理工作。

（3） 在超前影響階段內事件能量較低，隨著工作面的推進，離聯絡巷位置越近，大能量事件開始增多。在到達聯絡巷四分之三處，能量分布開始減少。

（4） 在通過聯絡巷期間，垂向上主要是近煤層事件，深部發育特征不明顯。