大埋深工作面微震活動規律研究

楊波

（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

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，是我國經濟發展的重要支柱，并且在可預見的未來里，煤炭在我國的能源結構中仍將占據重要位置。近年來我國國民經濟以及電力、建材、冶金、化工等行業高速發展，對煤炭的需求大幅度增加，從而導致當前我國對煤炭的開發強度較大[1]。

在煤炭開采過程中面臨各種復雜的地質條件，煤炭深部開采底板水害防治形勢日益嚴峻[2]。為了有效預防礦井水害的發生，需要對回采工作面進行實時、動態、連續監測。微震監測技術是近年來逐漸發展并成功應用起來的一種新的煤礦物探監測技術，通過在大型煤礦井下進行提前施工埋設的大型高靈敏度檢波器對工作面進行監測，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。

本文通過對邢東礦現場調研，結合礦區相關資料，在12210 工作面建立高精度微震監測系統，從而獲取該工作面微震監測數據。以原始數據為基礎，對監測到的微震信號進行定位，獲得監測區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律及數量特征，從而指導該礦區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，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），傾向寬61 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測。在工作面安裝微震監測系統，通過高精度微震監測技術在巖體采動過程進行實時、動態、連續監測，建立礦井突水危險區域，可以提前做出預警，避免礦井突水的發生，實現工作面安全回采[4]。

2 微震監測系統構建

拾震傳感器網絡的空間陣列布置是影響微震監測數據可靠性和有效性的關鍵因素。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絡是比較理想的微震監測系統布置方案，才能量保證系統具有良好的靈敏度和定位誤差[5]。

12210 工作面微震監測系統共計布置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 監測分站（圖1）。檢波器采用深孔安裝，其優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見表1。

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

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

3 微震監測結果分析

3.1 微震事件空間分布規律

微震信號蘊藏著豐富的煤巖物理信息，其頻次、時間- 空間、能量發育規律等反應了煤巖的應力狀態、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（圈內微震事件表示可能受構造影響產生的微震事件及隨著時間推移持續存在的微震事件），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及工作面周圍的斷層附近。其中回采工作面回采工作面內的微震事件發生位置隨著工作面推進有規律的向前移動，具有明顯的時空遷移性，主要是由于煤層回采過程中，在地層應力作用下，工作面回采位置前方覆巖中產生大量微小破裂，煤層回采后，采空區上方產生微小破裂的巖石在地層應力及自身重力作用下發生垮落及破裂，從而導致產生的微震事件隨著采線前移；遠離采線的時候工作面內的斷層附近持續出現微震事件，可能由于采動影響導致斷層活化、應力集中從而產生微震事件；5 月份期間工作面上方斷層附近持續出現微震事件，可能由于采線外工作面及兩巷外側斷層密集，應力集中，隨著采線的推進產生微震事件。

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，表明該區段煤巖體活動劇烈，分析回采擾動影響；兩側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微震事件較為密集且隨著充填活動轉移而轉移，表明充填過程中對附近的圍巖產生一定擾動從而發生微震事件，但整體活動率較低，且充填結束后逐漸穩定。

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生變形，進而使得頂板含水層存在潛在風險。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，具有重要的指導意義。對12210 工作面監測期間頂板破裂高度數據進行系統聚類，根據占比的差異性將頂板破裂高度數據分為6 類，聚類結果見表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，占頂板事件總數的95.41%，表明在0 ～39.50 m 內，頂板破壞較為嚴重。

表2 頂板破裂高度系統聚類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鍵。煤層底板奧陶系灰巖裂隙普遍發育且富水性強，若煤層回采過程中，煤層底板破壞深度過大，導通承壓水導升帶或與高承壓含水層耦合破壞隔水層，工作面將發生底板突水，因此底板破壞深度的確定對下組煤開采非常重要[6]。通過微震監測，分析微震事件的發育層段及分布特征，實時獲取底板釆動破壞深度，為底板防治水工作提供指導意見。對12210 工作面監測期間底板擾動深度數據進行系統聚類，將底板擾動深度數據分為6 類，聚類結果見表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，表明在此區間底板破壞較為嚴重。

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

3.3 過斷層探巷時微震響應特征

12210 工作面在開拓過程中，迫于其特殊地質條件不可避免地在平行巷道間布置了聯絡巷用于通風、運料、行人等。由于探巷靠近斷層，此區域屬于工作面薄弱區域，在回采過程中應加強微震監測。

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變能，深部巷道圍巖具有蠕變性質，隨時間推移，巖石發生破裂擴展導致微破裂事件，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聯通跡象；圖4（d） 所示，回采所產生的微震事件與此區域聯通；圖4（e） 所示工作面開始通過探巷，在采動應力及斷層影響下，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性分析

研究表明，回采進度、微震事件頻次、頂底板事件個數、頂板破裂高度、底板擾動深度存在一定的相關性[7-8]，但在此方面定性研究較多，定量研究較少，本節主要通過對各指標間的定量研究，選取2022.3.15—2022.5.10 期間的微震監測數據（回采過斷層前，該階段微震事件主要受回采擾動影響），運用皮爾遜相關系數來分析它們之間的相關性，結果見表4。

表4 回采速度與微震事件相關性分析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、頂板事件數、底板事件數呈極顯著正相關，與底板擾動深度最大值呈極顯著負相關，說明微震事件總數、頂板事件數、底板事件數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，相關系數分別為0.568、0.547、0.568、-0.376；微震事件總數與頂板破裂高度最大值呈顯著正相關，與底板擾動深度最大值呈極顯著負相關，說明微震事件總數越多，頂板破裂高度越大，底板擾動深度最大值越小，相關系數分別為0.292、-0.547；頂板事件個數與頂板破裂高度最大值呈顯著正相關，說明頂板事件個數越多，頂板破裂高度最大值越大，相關系數為0.295；底板事件個數與底板擾動深度最大值呈極顯著負相關，說明底板事件個數越多，底板擾動深度最大值越小，相關系數為-0.592。

4 結論

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

（2） 微震事件大多集中在頂板0 ～39.50 m 及底板0 ～31 m，分別占頂底板事件總數的95.41%、95.85%。

（3） 監測期間隨著采線推進SF84-3、SF84-2斷層，受采動應力和斷層構造的疊加影響，微震事件位置及數量出現相應變化，該區域屬于工作面的薄弱區域。

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