基于微震监测的综采面冲击地压防治技术研究

石超弘 丁国利 苏士杰 于辉华 刘晨阳 姚 锐

(中天合创能源有限责任公司煤炭分公司葫芦素煤矿，内蒙古鄂尔多斯市，017399)

冲击地压是世界范围内煤矿最严重的灾害之一。冲击地压发生原因极为复杂、影响因素较多、灾害后果严重，已成为岩石力学研究中的一个重大课题。随着我国煤矿开采深度不断增加，冲击地压灾害越来越严重。已经成为制约我国煤矿安全生产的主要灾害之一。尽管国内外学者在冲击地压发生机理[1-5]、监测手段[6-7]及控制[8-11]等方面已经取得了重要进展，但由于冲击地压发生机理极为复杂，到目前为止，还未从根本上解决冲击地压灾害的有效预测及防治问题。

目前在世界范围冲击地压监测领域中，微震监测技术相对于其他手段应用范围广、精度相对较高，是利用煤岩破裂产生的微震信息来研究煤岩结构和稳定性的一种实时、动态、连续的地球物理监测方法。能够给出煤体开挖后围岩应力平衡和再平衡过程的丰富信息，并通过分析研究地质构造、采掘活动、高应力区等与微震活动之间的相互关系[12-15]，研究岩爆、冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害发生过程中的微震活动空间分布规律与演化过程，并结合微震事件分布的位置，可以判断潜在的矿山动力灾害活动规律，进而实现危险性评价和预警。

笔者从微震监测在冲击地压监测预警中的应用出发，对微震事件在工作面推进过程中走向、倾向及层位上的分布情况进行了研究；并采用被动CT反演技术对微震事件进行平面投影，较为直观地展现了综采面推采过程中的应力分布状态以及过构造期间的发展情况，并对冲击危险区域提出了有针对性的防治措施。

1 工作面概况

21103工作面是葫芦素煤矿东翼一盘区继首采面21102工作面的第2个工作面，工作面倾向长度320 m，走向长4160 m，平均厚度2.54 m。其回采巷道3条，21103回风巷为前期21102辅运巷留巷。21103工作面布置如图1所示。21103工作面回采期间，回风巷受21102采空区侧向应力与超前支承压力的叠加影响，超前段围岩变形严重，顶底板移近量高达1.5～2 m，有时伴随着煤岩弹射或锚杆索崩断等冲击现象。

图1 21103工作面布置图

2 微震时空演化规律分析

2.1 时间序列上的演化规律分析

根据21103工作面历史微震监测数据，采用每5 d为一个计算单位统计频次、释放能量及推进度数据，得出微震事件能量-频次时间序列曲线,如图2所示。

图2 微震事件能量-频次时间序列曲线

由图2(a)可以看出，随着工作面推进，微震事件的日总能量与频次基本呈正相关关系，局部存在频次滞后于日总能量变化的趋势，该情况一般存在于刚发生大能量事件的1～2 d内，造成这一现象的原因是煤岩裂隙随大能量事件的震动而扩张，伴随采动扰动裂隙迅速贯通破裂并以低能级事件形式释放煤岩体内残余的部分弹性能。

由图2(b)与(c)可以看出，微震频次对推进度的变化敏感性更强，说明推进度越高，顶板受扰动越剧烈；微震能量变化整体上与推进度一致，但局部存在空白包络，主要是由于推进度越高，煤岩体内因受扰动积聚弹性能越多，弹性能可能会一直积聚，也可能会因煤岩体裂隙贯通而瞬间释放，因此空白包络的形成趋势可以作为判定大能量事件或冲击事件的发生依据。

2.2 空间上的演化规律分析

21103工作面微震事件沿工作面倾向的分布规律如图3所示。

图3 21103工作面微震事件沿工作面倾向的分布规律

由图3(a)与(b)可以看出，以工作面中部为轴，微震事件主要分布在工作面中部至回风巷附近，回风巷以西深入21102采空区60 m、以东100 m 为矿压显现剧烈区域。(-160 m，-180 m)区间在21103回风巷煤柱区，微震频次及释放能量曲线在该区间出现波峰、波谷两种极端状态，说明受集中静载荷影响的煤柱区在工作面回采扰动一直处于积聚能量的过程，极易从回风巷薄弱部位发生冲击事件。

21103工作面微震事件沿工作面走向分布规律如图4所示。由图4(a)与(b)可以看出，微震活动主要分布在工作面以南(采空区侧)200 m至工作面以北400 m范围，其中工作面以南50 m 至工作面以北300 m为微震活动频繁区域。

图4 21103工作面微震事件沿工作面走向分布规律

21103工作面以南50 m以外采空区基本顶已断裂垮落完全，采空区基本充实；工作面以南50 m至工作面煤壁，9.5%的微震事件发生在该区域，主要由采空区破碎顶板压实过程引发；74%以上的微震事件发生在超前工作面0～300 m范围，此区域受工作面采动影响最大，煤体上方顶板受采空区基本顶弯曲下沉、断裂及剧烈翻转的影响，且该区域微震事件释放能量为21103工作面微震事件总能量的90%以上。

2.3 微震事件发生层位分析

21103工作面微震事件投影如图5所示。由图5可以看出，21103工作面推进过程中，微震事件主要分布在煤层上下-20～+40 m范围，在煤层上下-10～+20 m范围出现丛集现象，4次方以上微震事件主要集中分布在煤层上方10～20 m范围，个别发生在煤层上方20～40 m。从21103工作面直接顶、基本顶结构分析，4次方及以上事件大多数是由厚硬砂岩基本顶断裂诱发的矿震事件。从工作面倾向上来看，临空宽煤柱侧向直接顶板悬顶作用，在高强采动应力叠加影响下导致回风巷附近高能事件较多。

图5 21103工作面微震事件投影

2.4 ARIMIS M/E 被动CT反演

采用3个时期内的微震数据作为数据来源，分别绘制波速AVR云图，以研究21103工作面区域应力场演变规律，如图6所示。

图6 分阶段被动CT反演

由图6可以看出，21103工作面回采过程中，回风巷附近始终是应力集中程度高、冲击危险性较高的区域。回风巷受到高强采动影响和21102采空区侧向支承应力的叠加影响，宏观上呈现出围岩破碎、大变形现象，微观上呈现出微震各能级事件丛集现象；在运输巷揭露断层、背斜等构造时，工作面逐步推进至构造过程中，受到构造应力集中影响，冲击危险会呈现逐步向运输巷附近转移的趋势。因此微震事件的显现规律在一定程度上能预知煤岩动力灾害的发生。

3 防治措施

21103回风巷为临空巷道，受超前支承压力和采空区侧向支承应力的叠加作用，由于底板为无支护弱面状态，煤岩体中积聚的弹性能一大部分通过底板变形释放出来。

针对21103回风巷设计采用由上至下分源治理措施：超前顶板水力压裂钻孔卸压；煤层大直径钻孔卸压；超前高强度起底卸压。

3.1 顶板“钻-切-压”水力压裂钻孔

在21103回风巷沿走向超前施工顶板水力压裂钻孔，每组施工2个钻孔，钻孔位于顶板上靠两侧帮肩窝位置，组间距15 m，钻孔施工完毕后采用30～60 MPa高压水进行切缝、压裂。一是切断临空巷道上覆坚硬岩层，降低采空区侧向支承应力对回风巷的影响；二是对坚硬厚层砂岩顶板进行分层切缝、压裂，降低顶板的蓄能能力，降低动载荷对回风巷的影响，降低了坚硬厚层顶板难垮落、易造成大面积来压的风险。具体施工参数见表1。

表1 21103回风巷顶板压裂钻孔参数

3.2 大直径钻孔卸压

随着工作面回采，在21103回风巷超前工作面300 m范围两帮施工煤层大直径钻孔，钻孔距底板1～1.5 m，孔深15 m，孔间距1 m，孔径ø150 mm，钻孔方位角90°/270°，顺煤层施工。一是释放煤层中积聚的弹性能，降低超前段巷道冲击危险；二是冲击显现时，通过对大直径钻孔孔壁的挤压、破裂、密实过程释放掉一部分冲击能量，降低冲击危险程度。

3.3 临空巷道起底卸压

对回风巷采取“二次起底”超前主动释放底板中积聚的能量：“一次”超前单体外段高强起底卸压，平均起底1.0 m以上，保证巷道高度在1.8 m左右，释放底板中积聚的弹性能；“二次”超前单体前起底卸压，平均起底0.4 m，保证巷道高度在2.0 m以上。确保超前单体支护及通风行人需要。

在回采期间，除采取以上常规卸压措施外，对于监测具有冲击危险区域，采取大直径钻孔或小孔径爆破解危措施，降低了21103回风巷冲击危险程度，确保21103工作面的安全回采。

4 结论

(1)微震事件的日总能量与频次基本呈正相关关系，局部存在频次滞后于日总能量变化的趋势。微震能量变化整体上与推进度一致，但局部存在空白包络，空白包络的形成趋势可以作为判定大能量事件或冲击事件的发生依据。

(2)在工作面倾向上微震频次及释放能量曲线在21103回风巷煤柱区出现波峰、波谷两种极端状态，说明受集中静载荷影响的煤柱区在工作面回采扰动一直处于积聚能量的过程，极易从回风巷薄弱部位发生冲击事件。

(3)在工作面走向上，微震事件主要分布在工作面以南50 m至工作面以北300 m，74%以上的微震事件发生在超前工作面0～300 m范围，该区域释放能量占总能量的90%以上，因此，21103回风巷超前工作面300 m为回采过程中冲击地压重点管控区域。

(4)21103工作面推进过程中，微震事件在煤层上下-10～+20 m范围出现丛集现象，受厚硬砂岩基本顶断裂诱发，4次方及以上微震事件主要集中分布在煤层上方10～20 m范围，且高强采动及采空区侧向支承应力叠加影响下导致回风巷附近高能事件较多。

(5)21103工作面回风巷受到高强采动及采空区侧向支承应力的叠加影响，宏观上呈现出围岩破碎、大变形现象，微观上呈现出微震各能级事件丛集现象；在运输巷揭露断层、背斜等构造时，工作面逐步推进至构造过程中，受到构造应力集中影响，冲击危险会呈现逐步向运输巷附近转移的趋势。

(6)针对21103回风巷冲击危险性高的问题，设计采用由上至下分源治理措施，并针对监测具有冲击危险区域采取大直径钻孔或爆破解危措施，降低了21103回风巷冲击危险程度，确保21103工作面的安全回采。