基于微震监测的近直立特厚煤层冲击危险区域划分

刘旭东，张玉良，田向辉

(1.神华新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830084；2.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083)

冲击地压是一种复杂的矿山动力现象，影响冲击地压危险性的因素复杂多样，不同的矿井成因和特征不同，同一矿井受地质构造、开采条件和开采方法的差异，也使得冲击地压的成因、性质、特征和破坏程度不同[1-3]。对冲击地压评估和危险区域划分方法有动态权重法、地质动力区划法[4，5]、数量化理论[6]、综合指数法[7]、现场实测法等。由于乌东煤矿南区近直立煤层赋存条件和开采条件相对特殊，冲击地压评估和危险区域划分尚未形成成熟有效的方法。根据冲击地压主要致灾因素，依据近直立特厚煤层的同一煤层地质赋存条件和开采技术条件相同的特点[8，9]，以上分层煤层开采期间的微震监测数据作为下分层冲击地压危险区域划分依据，对开采煤层冲击地压危险区域进行评估和初步划分。

1 矿井概况

神华新疆能源有限责任公司乌东煤矿南区井田位于准南煤田东南段，八道湾向斜南翼，为一单斜构造，煤岩层走向自西向东N58°～60°，倾向西北，倾角平均87°。井田含煤地层为西山窑组，含煤32层，编号B1-B32，现主采B1+2和B3+6组合煤层，其中B1+2煤层平均厚度37.45m，B3+6煤层平均厚度48.87m，属近直立特厚煤层。根据煤层赋存条件，巷道沿煤层顶底板布置，采用“锚杆+锚索”联合支护形式，采煤方法为水平分层综采放顶煤开采方法，阶段高度25m，采煤机切割高度3m，放顶高度22m，采放比1∶7.33，乌东煤矿南区工作面分布如图1所示。乌东煤矿南区开采+500水平期间，采深在300m左右，出现轻度冲击地压现象，导致巷道破坏和设备损坏。随着采深的增加，冲击地压显现越发明显。

图1 乌东煤矿南区工作面分布示意图

2 冲击地压致灾因素分析

通过前期地质资料收集分析、现场地应力测试及相关室内实验分析，乌东煤矿冲击地压主要致灾因素可总结为如下3种：①地质构造因素，乌东煤矿南区位于博格达山北麓弧形挤压带，属于山前二级构造的次级构造，区域内的主要构造体系呈现北东方向，如七道湾背斜、八道湾向斜、碗窑沟逆冲断层等，走向在70°～75°，由于褶皱是受博格达山峰隆起挤压形成，因此其主要水平应力方向与褶皱轴向相垂直，根据现场地应力测试，最大水平应力最大为14.31MPa，最小水平主应力最大为8.05MPa，以近南北方向水平应力为主，最大水平主应力方向与回采巷道轴线方向夹角大于70°，较高的构造应力场容易形成局部应力集中，易引起冲击地压；②顶底板岩体物理力学性质，B1+2和B3+6煤层直接顶为粉砂岩及灰质泥岩，直接底为粉砂岩，煤岩物理实验结果表明，顶板岩石弯曲能量指数为107.36kJ，底板岩石弯曲能量指数为24.01kJ，根据GB/T 25217.1—2010规定，该煤层顶板岩石应属Ⅱ类，具有弱冲击倾向性；③煤岩层结构，近直立特厚煤岩体赋存条件较为特殊，B1+2煤层和B3+6煤层形成“岩-煤-岩-煤-岩”的组合结构，以粉砂岩为主，属坚硬岩层，容易聚积大量的弹性能，随着开采深度增加，煤层两侧的岩体裸露高度增加，在水平构造应力和自重应力的共同影响下，岩体向采空区滑移和断裂并作用在煤体上，易发生冲击地压显现现象。

3 基于微震监测的冲击危险区域划分

基于微震监测进行冲击危险区域划分的实现可分为四个阶段。第一阶段，冲击地压防治初期，采用动态权重评价方法进行危险区域划分；第二阶段，冲击地压防治过程，进行微震监测数据验证；第三阶段，根据现场案例分析，确定微震能量特征分类；第四阶段，确定不同开采水平微震活动规律及关系，并利用上述规律和关系进行基于微震监测的冲击危险区域划分。

3.1 动态权重法评价冲击危险

矿井冲击地压防治初期，采用动态权重法进行采掘工作面冲击危险评价及危险区域划分。动态权重评价法[10]的步骤包括：评价指标的确定、动态权重的确定、隶属函数计算、计算模型与结果分析。其具体实施步骤如下：

1)指标确定。将影响集中动载荷和集中静载荷的因素分为两种：一类为自然因素，主要包括评价区域的地质条件及煤层赋存情况；另一类为开采因素，此类指标主要由回采过程开采条件组成。

3)隶属函数计算。根据每个评价指标的不同特点和实际情况，分别选用最合适评价指标特点的方法确定评价指标对于ui的隶属度，构成模糊集，也即是评价指标的隶属度函数。

4)计算模型及结果分析。运用多级模糊综合评价方法，建立单因素模糊评判矩阵，得到最终评价结果。

利用动态权重法对+500水平冲击危险进行了评价，综合乌东煤矿南采区+500水平B3+6采掘工作面的自然因素和开采因素两方面的评价结果，将危险等级高者作为最终评价结果。最终冲击危险性评价等级为三级，中等冲击危险。

进而划定主要冲击危险区为超前影响区域Ⅰ、高阶段区域Ⅱ(1360～1525m)、五一煤矿保护煤柱区域Ⅲ(930～1360m)、终采线区域Ⅳ(110～210m)，+500水平B3+6工作面冲击危险区域划分如图2所示。

图2 +500水平B3+6工作面冲击危险区域划分

3.2 危险区域微震监测验证

3.2.1 ARAMIS M/E微震监测系统布置

微震是煤岩体破裂萌生、发展、贯通等失稳过程，并伴有弹性波或应力波在周围岩体快速释放和传播的动力现象[11]。ARAMIS M/E微震监测系统[12]为集成数字通信系统(DTSS)，实现了矿山震动定位及震动能量计算。利用拾震器获得震动事件并将其处理为数字信号，然后由数字通信系统传送至地面，ARAMIS M/E 系统结构如图3(a)所示。系统可以监测震动能量大于100J、震动频率0～150Hz及动态范围低于100dB的震动事件，定位精度±20m。拾震器的详细布置如图3(b)所示。

图3 ARAMIS M/E 系统结构及布置

ARAMIS M/E微震监测采用微震网络进行现场实时监测，通过提供微震震源位置和发生时间来确定微震事件，并计算释放的能量，进而统计微震活动性的强弱和频率，并结合微震事件分布的位置判断潜在的矿山动力灾害活动规律，通过识别矿山动力灾害活动规律实现危险性评价和预警。

3.2.2 微震监测验证

通过现场实践发现，区域I属于采动影响显著区域，多次冲击发生在区域I范围，高能矿震发生在区域Ⅰ的比重也较大，而区域Ⅱ和区域Ⅲ发生冲击显现的概率最大，矿井几次较严重的冲击显现均发生在区域Ⅱ和区域Ⅲ。此外，微震监测表明，在区域Ⅱ和区域Ⅲ是矿井高能事件频发的区域，高能矿震发生次数占整个工作面高能矿震发生的80%以上，具有明显的区域特征。微震监测围岩活动剧烈程度与工作面的冲击危险一致性较好，该现象与前期基于动态权重法划定的冲击危险区域较为吻合。从而验证了上述危险区域划分的合理性与准确性。

3.3 不同水平冲击危险关系分析

冲击地压是相对复杂的煤岩动力灾害，影响因素复杂[13]。但从宏观方面看，地质和开采技术条件是导致冲击地压发生的重要因素[14]，由于近直立特厚煤层成因相对特殊，同一煤层上下水平综放面地质构造和开采技术条件基本相同，因此，上水平各工作面开采过程中监测的应力集中区域，可作为本分层开采期间冲击危险区域的划分依据，进行重点监测和治理。

3.3.1 不同水平危险区域具有反复与相似性

+500水平和+475水平B3+6煤层开采期间的各等级微震事件分布如图4所示，其中深色为+500水平发生的不同能量等级的微震事件，浅色为+475水平发生的不同能量等级的微震事件。从图4可以看出，+500水平出现微震事件的位置，+475水平也出现了微震事件，且微震事件主要分布在800～850m、1050～1100m、1300～1350m、1450～1500m四个区域。大能量微震事件的密集出现表明该位置处于应力集中区，煤岩体破裂频繁，已经从微裂隙演化为宏观破裂，为更大的煤岩体破裂创造了条件，为冲击地压易发区域。

图4 +500水平和+475水平B3+6煤层微震事件平面图

3.3.2 +475水平危险区域现场验证

提取+500水平和+475水平B3+6煤层综放工作面105J及以上能量等级事件。根据高能量事件的集中分布与冲击危险区域的关系，中等冲击地压危险共计4个，800～850m、1050～1100m、1300～1350m、1450～1500m，弱冲击危险区域有3个，1000～1100m、1350～1400m、1450～1550m，其他区域为无冲击危险区域。基于微震事件划分的危险区域与采用动态权重评价方法划分的危险区域比较吻合，+500水平划定的冲击地压危险区域，当延伸到+475水平后，仍具有类似的规律。

3.3.3 冲击危险微震能量特征分级

根据乌东煤矿微震监测数据及围岩活动的历史统计分析，将乌东煤矿南采区冲击危险等级共划分为4个冲击危险等级：①无冲击危险，微震能量等级小于105J，有轻微声响，巷道围岩未发生变化；②弱冲击危险，微震能量等级105～106J，伴有明显声响，巷道围岩未发生变化；③中等冲击危险，巷道围岩出现轻度变形，设备未损害；④强烈冲击危险，微震能量等级大于107J，急剧的脆性破坏，形成气浪，巷道出现破坏，设备损害。

根据不同等级微震能量对采掘作业场所的影响[15]，提出对上分层各综放面105J及以上能量事件进行分级防治，对弱冲击危险区域加强区域监测和预警，严管解危工程，以防能量等级升级；针对中等及强冲击地压危险区域，相应增加解危工程量，降低开采强度和能量等级。

3.4 基于微震的冲击危险区域划分

通过多水平分层分析与大量防冲实践验证，根据一定条件下，不同水平危险区域具有重复性与相似性，可形成基于微震的冲击危险区域划分的基本原则与步骤。以+450水平B3+6煤层综放面冲击危险区域评估和划分为例，选择走向方向800～1600m区域为例进行分析。根据上述原则与步骤，最终将+450水平B3+6煤层划定4个中等危险区域，分别为：800～850m、1050～1100m、1300～1350m、1450～1500m。

根据+450水平煤层冲击危险区域划分结果，进行分级防治，可为+450水平B3+6煤层开采冲击地压重点、精确管控提供指导，为有针对性地采取冲击地压防治措施奠定基础。

4 结 论

1)基于微震监测进行冲击危险区域划分可分为四个阶段，分别为：采用动态权重评价方法进行危险区域初步划分；现场微震验证；确定微震能量特征分类；基于微震监测进行冲击危险区域划分。

2)基于微震监测历史数据及现场围岩变化情况，将近直立煤层冲击危险划分为4个等级，并提出基于微震能量特征分级防治的思想。

3)基于近直立特厚煤层不同水平地质赋存相似、开采期间危险区域分布规律相似原则，划定了+450水平B3+6工作面4个中等冲击危险区域，为B3+6煤层安全开采奠定了基础。