工作面不同采寬與微震監測時空分布規律研究

高杰濤

（1.河北煤炭科學研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.礦井水害探測與防控國家礦山安全監察局重點實驗室，河北 邢臺 054000；3.河北省礦井微震重點實驗室，河北 邢臺 054000）

1 概 況

針對目前開采中的采動活動實時監測難題，新集二礦引進河北煤科院KJ1073 微震監測系統，在220102 工作面開展了微震技術實時監測及預警研究。220102 工作面回采期間出現了采寬變化的特殊階段，通過對不同采寬變化下頂底板圍巖活動和底板破壞發育情況進行監測，分析了微震事件分布范圍、發育情況及空間展布特征，對工作面采寬變化期間底板破壞特征進行監測，為工作面采寬優化和底板破壞規律研究提供技術支持。

新集二礦隸屬于中煤新集能源股份有限公司，礦井于1996 年10 月投產，核定生產能力270 萬t/a，水文地質類型為復雜型。回采1 煤組主要水害隱患為下伏奧陶系灰巖水。

新集二礦220102 工作面位于二水平西翼2201采區，為該采區第5 個回采接替工作面，開采的1上煤屬礦井可開采煤層底層煤，距離奧陶系灰巖含水層有效隔水層厚度為114～131.3 m，平均121.1 m。奧陶系灰巖水位標高為-73.23—-58.56 m，奧陶系灰巖靜水壓4.56 ～4.74 MPa，突水系數為0.039 ～0.046 MPa/m。地面標高+18.0—+23.4 m，工作面標高-530—-489.3 m。該工作面采用單一走向長壁綜合機械化采煤方法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。可采走向長652 m，傾斜長117 m，后變為186 m，平均煤層厚度3.9 m，可采斜面積103 705 m2。上部距4-1 煤層平均92.7 m，下部距太原組1 灰平均17.6 m。回采范圍內煤巖層總體傾向為NNE 的單斜構造，局部受地質構造影響傾角變化較大，局部地質構造發育地段存在起伏。工作面平面布置如圖1 所示。

圖1 工作面平面圖Fig.1 Plane of the working face

2 微震監測系統的布置

2.1 微震監測關鍵層

新集二礦井田含煤地層為單斜構造，走向近東西，上覆第四系與新近系松散層，下伏石炭系太原組和奧陶系。結合礦井實際揭露及鉆探、物探探查情況，220102 工作面底板太原組地層厚96.17～106.64 m，平均厚99.80 m，其中灰巖總厚54.39～74.56 m，灰巖平均總厚62.5 m，占組厚62.63%。太原組C3Ⅰ組、C3Ⅱ組灰巖完整性未遭到破壞，巖性完整，太原組灰巖與奧陶系灰巖之間無明顯水力聯系，且未發現垂向隱伏構造，也未發現垂向隱伏導水通道。

太原組灰巖基本為弱富水性，以靜儲量為主，易疏干，缺少豐富補給水源，具有低存儲、少補給、弱富水的特征。在C3Ⅰ組灰巖含水層中，C33、C34層灰巖相對較厚、巖溶發育，是開采l 煤層底板直接充水含水層。

結合礦井水文地質類型劃分報告及淮南礦區早期研究成果，C3II 組灰巖含水層為相對隔水層。因此，微震監測過程中的底板監測關鍵層是C3II 組灰巖含水層。

2.2 監測布置

依據檢波器布置原則，結合礦井現有系統巷道，利用已有底板巷檢波器，在考慮完成監測任務的基礎上，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220102 工作面風巷、220102 工作面底板巷、220102 工作面機巷，并利用220106 底板巷，構成了全包圍監測陣列，如圖2 所示，共布置檢波器22 個（單軸19 個，三軸3個）、監測分站4 個，共計28 通道。

圖2 220102 工作面微震監測設計平面圖Fig.2 Plane of microseismic monitoring design of No.220102 Face

3 底板微震事件分布特征

220102 工作面微震系統自2021 年8 月24 日起開始監測，2021 年9 月1 日回采，于2022 年1月16 日回采結束，數據周期為2022 年3 月29 日停止監測。共計監測217 d，有效微震事件42 929個，日均198 個。

3.1 各層位微震事件

微震事件日變化統計情況見表1。

表1 微震事件日變化統計情況Table 1 Statistics of daily variation of microseismic events

從微震事件數量及比例分布情況來看，底板事件占比較大，底板深部事件均在50 m 以內，未突破底板監測關鍵層。

3.2 底板事件展布特征

對220102 工作面在回采過程中引發的微震事件進行統計分析，空間展布范圍如圖3、圖4 所示。

圖3 回采期間底板微震事件展布Fig.3 Floor microseismic events distribution during mining period

圖4 回采期間底板灰巖層段微震事件展布Fig.4 Floor microseismic events distribution in the limestone section during mining period

近煤層底板微震事件主要分布在220102 工作面及220106 采空區范圍內，220102 工作面微震事件較為密集，因220106 工作面已經回采完，在220106 采空區范圍內持續監測到較為分散的頂底板事件，分析為采空區應力場恢復影響。影響范圍為距離220102 機巷90 m 范圍內，在220102 機巷180 m 范圍內分散分布。

由圖可知，底板C3Ⅰ組層位微震事件主要分布在工作面初采、220102 工作面中部及220102 機巷斷層帶這3 個區域。主要是初采應力場變化、工作面“窄變寬”區域、風巷斷層帶破碎等因素。需要重點關注220102 工作面C3Ⅰ組事件密集發育區域，關注工作面采寬變化區域的煤柱穩定性。

4 工作面采寬變化期間的微震響應特征

4.1 采寬變化期間微震演化規律

220102 工作面屬于不規整“刀把型”工作面，220102 工作面回采過程中寬度由117 m 變為186 m。

工作面“窄變寬”階段，微震事件響應明顯，受采動影響的微震事件隨之急速增長。10 月7日、8 日，工作面逐漸變寬，微震事件開始增長，采場區域微震事件聚集，事件分布情況如圖5、圖6 所示。

圖5 微震監測事件平面圖（2021.10.07）Fig.5 Microseismic monitoring events plane（2021.10.07）

圖6 微震監測事件平面圖（2021.10.08）Fig.6 Microseismic monitoring events plane（2021.10.08）

進入“窄變寬”初期，微震事件主要分布在采場區域，事件進一步聚集，且在附近區域監測到底板C3Ⅰ組事件，底板發育最大深度較深。主要受該工作面超前支承壓力和臨近采寬變化區域的疊加影響所致。

工作面通過“窄變寬”階段，微震事件數量出現“尖峰點”，主要是在采場采寬變化由117 m 變為186 m，增加58.9%。10 月21 日微震事件總數為633 個，微震事件明顯聚集的為10 月19 日～21日，10 月24 日微震事件總數開始下降，事件分布情況如圖7、圖8 所示。

圖7 微震監測事件平面圖（2021.10.19）Fig.7 Microseismic monitoring events plane（2021.10.19）

圖8 微震監測事件平面圖（2021.10.21）Fig.8 Microseismic monitoring events plane（2021.10.21）

在工作面“窄變寬”期間（10 月1 日～11 月12 日），微震事件在10 月17 日開始增長，21 日聚集明顯，24 日事件開始回落。在此期間，持續出現C3Ⅰ組層位事件，底板事件擾動深度為煤底18.11～36.64 m，最深36.64 m 位于寬面，說明隨著采寬增加，底板破壞深度進一步加大。受采場采動及采寬變化影響，主要受采動超前支承壓力及“窄變寬”壓力集中影響，微震事件在采場前方30 m 密集出現。

4.2 采寬變化期間微震特征

在采寬變化初期，微震事件總數開始緩慢增長，進入寬面階段，事件總數突增，此時回采速度減慢，事件回落后繼續增長至高點，應力充分釋放，微震事件平穩。

對該工作面窄面、寬面回采期間監測到的底板微震事件進行統計分析，見表2，從垂向上展布范圍來分析采寬模式下回采期間微震響應。

工作面采寬變化期間，微震事件總體上呈現高頻次。此階段微震事件變化主要受采寬影響，220102 寬面采寬約186 m，220102 窄面采寬約117 m，采寬比1.59；微震事件日均頻次比1.40，深部微震事件日均頻次比1.83，均呈正相關；底板平均擾動深度比1.20，底板最大擾動深度比1.38，均呈正相關。

5 結 論

采用KJ1073 微震監測系統對新集二礦220102工作面采寬變化期間頂底板圍巖活動和底板破壞發育情況進行監測，分析了微震事件分布范圍、發育情況及空間展布特征，監測過程中未發現與奧灰含水層溝通引發突水的趨勢。

（1） 微震事件主要分布在開采活動范圍內，影響范圍為距離機巷90～180 m，底板事件破壞深度為煤底18.11～36.64 m。

（2） 從頻次和占比情況來分析采寬變化，采寬比1.59，微震事件日均頻次比1.40，底板事件破壞深度為煤底18.11～36.64 m，最深36.64 m，位于寬面，底板最大擾動深度比1.38，說明了底板破壞深度受采寬影響，且正相關。研究結果可為工作面采寬優化和底板破壞規律研究提供一定參考。