基于微震分析法的特厚煤层导水裂缝带高度研究

邓志刚，李国宏，盛继权，王元杰，王传朋

(1.煤炭科学研究总院矿山安全技术研究分院，北京100013;2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 (煤炭科学研究总院)，北京100013;3.抚顺煤业集团老虎台矿，辽宁抚顺113003;4.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

导水裂缝带是指岩体中裂缝相互连通，能使水流向采区的断裂带和冒落带的总称，是综合反映上覆岩体破坏范围及破坏后的导水性能的指标。研究复杂地质条件下的特厚煤层综放开采诱发导水裂缝带的高度，无论是从理论角度或是从煤矿安全生产的角度来说都具有很高的价值。

1 矿井概况

抚顺老虎台矿位于抚顺市区的南部，抚顺煤田中部，地质条件复杂，矿井范围内分布着数十条断层，煤层厚度较大，平均厚度为55.55m;同时，该矿地处浑河流域，一旦上覆岩层破坏产生的裂缝与地表水系导通，将会导致严重的矿井透水事故。因此，十分有必要开展关于老虎台矿回采工作面上覆岩层导水裂缝带高度的研究。

本文选取老虎台矿83002工作面作为具体研究对象。该工作面位于井田西部，东邻－730m水平的73001已采面，上部为83001，78002已采面，北部为井田边界，标高为 －825.514～－744.093m;工作面采用走向长壁综采放顶煤采煤方法，放煤步距1.2m，割煤高度2.9m，放煤高度8.7m，煤层开采厚度11.6m，坚固性系数为1.5～3，煤层赋存稳定;工作面直接顶为78002，83001已采面冒落煤岩堆积物，主要由油母页岩组成;基本顶为巨厚泥岩，两者强度都较低。

2 导水裂缝带划分理论

在工作面回采过程中，虽然任何一种岩性的顶板都会向下运动，但并不是整体运动，而是分为若干分层由下而上依次向下运动。因此不同层位的岩层其破坏的形式也是不同的，导致煤体上方岩层依次形成垮落带、裂缝带和弯曲下沉带，即通常所说的“三带”:

垮落带 破断后的岩层呈不规则形态垮落，排列极不整齐，碎胀系数比较大，一般可达1.3～1.5，经重新压实后，碎胀系数可降到1.2左右。此区域与所开采的煤层相邻，一般情况下是由直接顶岩层冒落后形成的。

裂缝带 岩层破断后，岩块仍然排列整齐的区域即为裂缝带，其位于冒落带之上，由于排列比较整齐，因此碎胀系数较小。垮落带与裂缝带合称导水裂缝带，意指上覆岩层含水层位于“两带”范围内，将会导致岩体水通过岩体断裂隙流入采空区和回采工作面。

导水裂缝带高度和岩性及煤层采高有关，覆岩岩性越坚硬，导水裂缝带高度越大。一般情况下，软弱岩层导水裂缝带高度为采高的9～12倍，中硬岩层为12～18倍，坚硬岩层为18～28倍。准确地确定导水裂缝带高度，对解决水体下采煤问题及下解放层开采瓦斯突出煤层有重要的意义。

弯曲下沉带 自裂缝带上部边界到地表的所有岩层称为弯曲下沉带。弯曲下沉带内岩层移动的显著特点是，岩层移动过程连续性、整体性较强，即裂缝带上部边界以上至地表的岩层移动是整层地、整体性发生的，在垂直剖面上，其上下各部分的下沉值很小［1，4］。

3 微震分析法原理简介

微震监测技术就是在矿井范围内不同采区、不同水平布置若干监测分站，组成一个监测网络，实现对全矿范围内发生的煤岩体破裂事件进行实时监测、记录、定位和计算。目前，我国煤矿主要应用微震监测技术对冲击地压等动力灾害进行预测预报，评价和优化解危措施，指导矿井的冲击地压防治工作［2－4］。

应用微震分析法研究导水裂缝带高度的基本原理是:在分析工作面上方不同高度区域内微震事件分布规律的基础上，结合现场煤岩体的结构特点，分析工作面不同层位上覆岩层的破坏特征，最终确定工作面导水裂缝带高度。分析认为，理论上工作面上方不同高度区域内岩体破坏产生的微震事件分布规律如下:

(1)垮落带作为离煤层最近的岩层，其岩性一般较软，厚度较小，承载能力也是最差的。在工作面推进过程中，随着煤体的采出，上部岩体的载荷瞬间加载到这部分岩体上，导致岩体完全破坏、垮落，堆积于采空区内。在这一过程中，一方面岩性较软，另一方面岩体破坏块度较小，其释放的能量也相对较小，基本不属于微震监测范围内。

(2)裂缝带内的裂缝主要来源于2个过程:一是岩体处于工作面前方超前支承压力作用区域时，在采动应力作用下，煤体发生破坏、形成采动裂缝;二是在垮落带随煤体垮落后，对其上部岩体有一定的承载作用，但该部分岩体仍然需要承载上覆岩层的大部分载荷，由于该部分岩层的承载能力相对较强，厚度较大，其破坏过程中释放的能量也相对较大，形成岩体破裂的数量也是“三带”中最多的，属于微震监测系统监测范围。

(3)处于“三带”最上部的是弯曲下沉带，该部分岩体的承载能力最强，虽然破坏过程较慢，但岩体破坏过程中释放能量最大，裂缝数量最少。一般情况下首先会产生离层，随着离层空间的不断加大，空顶岩体体积逐渐增大，最终发生破断，在这一过程中会释放大量能量，完全可以与裂缝带内形成裂缝过程加以区分［5］。

因此，在计算工作面导水裂缝带高度的过程中，主要是分析微震事件密集区域，确定其上部边界位置，同时参考大级别微震事件发生时间和发生位置，得出最终结论。

4 结果分析

在研究过程中，对2010年9月至2011年6月83002工作面附近发生的微震事件进行了统计分析，认为83002工作面附近的微震事件主要分布在2个区域，即F25断层附近区域和83002工作面上方区域，在这两个区域内发生的微震事件都非常密集。其中F25断层附近区域微震事件主要分布在断层与岩层、煤层之间“尖端”交界处，分布区域相对集中;微震事件能量级别大多在5×103J以上，属于中等级别微震事件，其发生的原因是F25断层的剧烈活动，受工作面采动影响较小，在具体的计算过程中，只需分析83002工作面上方区域微震事件的分布规律。

通过对83002工作面上方微震事件分布规律进行研究，认为83002工作面导水裂缝带上部边界为工作面上方345m左右。具体划分原因如下:

(1)83002工作面上部为78002，83001已采面煤岩堆积物，且78002和83001工作面采高较大，导致综合采高超过30m，顶板强度较低，按照理论计算，83002工作面导水裂缝带高度应该在270～360m之间。

(2)83002工作面上方区域微震事件呈“层”状分布，在煤层上方的不同层位上，呈现出不同的分布形态，从下到上依次为“少量事件—密集事件—零星事件”。

(3)83002工作面直接顶为78002和83001已采面煤岩碎块堆积物，并不是整体的岩层结构，上部岩层主要为油母页岩和泥岩，因此其微震事件分布规律也与正常工作面存在一定区别，煤层上方0～70m范围内的已采面冒落煤岩堆积区域，基本不存在微震事件;在煤层上方70～140m范围内存在少量微震事件，事件数量相对较少，未能形成相对集中的区域，同时事件能量级别较低，能量级别大多在8×102J左右，事件具体分布情况见表1。

表1 上覆岩层不同层位微震事件分布

(4)83002工作面上方140～345m范围内岩体结构仍以油母页岩和泥岩为主，但岩体坚硬、结构致密，该区域发生的微震事件能量级别远远大于下部区域，大多在6.5×103J左右，且分布区域相对集中，因此可以认为在83002工作面上方140～345m左右区域内存在一个相对集中的、大级别微震事件分布区域，该区域即为煤层上方主要的岩体破坏区域。

(5)83002工作面上方345m以上区域只存在零星微震事件，能量级别大多在4.7×104J左右，岩体结构相对稳定，极少发生岩体破坏情况。

因此，通过应用微震分析法进行分析后，认为345m左右以下区域分布大量高能量级别微震事件，岩体破坏情况相对集中;上部区域仅存在个别岩体破裂事件。因此，可以认为83002工作面上方345m为工作面导水裂缝带。

在应用微震分析法对83002工作面导水裂缝带高度进行研究的同时，北方工业大学相关专家应用可控源音频大地电磁法 (CSAMT法)，在老虎台矿也进行了关于探测导水裂缝带高度的相关现场试验。具体试验情况如下:在83002工作面附近，沿采区走向和倾向方向分别布置探测线，其中沿走向方向布设1条测线，编号为1－7剖面;沿采区南北方向共布设5条测线，从东向西测线编号依次为2－10剖面、2－11剖面、2－12剖面、2－13剖面和2－14剖面。现场试验测定6个观测剖面实际位置导水裂缝带高度分别为 368.1m，389.5m，381.4m，350.5m，341.4m和447.1m，平均高度为379.68m。

对比分析微震分析法和现场试验两种方法分别得到的计算结果发现，两者确定的工作面整体导水裂缝带范围很接近，基本可以反映出83002工作面导水裂缝带分布的实际情况。同时，两计算结果之间相差34.68m，约占微震分析法分析结果的9.7%，分析认为出现上述差别的主要原因是现场CSAMT法只在83002工作面附近选取了6个剖面，虽然具有一定的代表性，但同时也存在一定的片面性，其试验结果并不是一个绝对精确的数据，必然存在一定的误差;另一方面，微震分析法得出的结果，也只是通过分析一段时间内83002工作面区域内发生的微震事件所得出的结果，也不能完全代表整个83002工作面上覆岩层的实际情况。因此，可以认为运用微震分析法得出的83002工作面导水裂缝带高度计算结果较为真实可靠。

5 结论

根据研究结果，可以得出以下结论:

(1)通过运用微震分析法可以对工作面上覆岩层导水裂缝带高度进行计算。

(2)本次研究所得导水裂缝带高度与可控源音频大地电磁法 (CSAMT法)观测结果相比较，相对误差在10% 之内，微震分析法计算结果较为真实可靠，老虎台矿83002工作面上覆岩层导水裂缝带高度大致为工作面上方345m左右。

［1］孙世国.特厚煤层综放开采上覆岩体移动特点与破坏范围的研究［D］.北京:北京科技大学，2000.

［2］姜福兴，Luo Xun．微震监测技术在矿井岩层破裂监测中的应用［J］.岩土工程学报，2002，24(2):147－149.

［3］王 炜，庄昆元，宋俊高，等.测震学分析预报方法［M］.北京:地震出版社，1997.

［4］窦林名，何学秋.冲击矿压防治理论与技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2001.

［5］杨 贵.综放开采导水裂隙带高度及研究方法［D］.青岛:山东科技大学，2004.