急倾斜煤层复杂条件下矿震时空演化规律研究

杨文连 赵象卓

（1.靖远煤电股份有限公司王家山煤矿；2.陕西延长石油巴拉素煤业有限公司）

目前，我国煤炭资源逐步进入深部开采状态［1-3］，急倾斜煤层深部开采因其地质条件复杂性以及采煤方法的特殊性，开采过程中易出现强矿压、冲击地压等动力失稳现象，严重制约了煤矿的安全生产［4］。回采工作面矿震时空强演化特征研究对冲击危险预测及卸压解危措施至关重要，前人在此方面进行了大量有益研究。蔡武等［5］根据采场矿震与采掘区域的相对时空关系，提出了工作面矿震应分区监测的观点，并自编程实现了采场矿震时空分区监测和筛选，分析了矿震时空分布特征。窦林名等［6］将矿震震动波速度层析成像和微震实时监测相结合，研究了强矿震与高波速区或高波速变化梯度区的关系。李康等［7］采用微震监测系统和冲击地压应力监测系统，确定了工作面临空巷道矿震诱发冲击显现的原因及规律。赵志鹏等［8］对微震事件时空演化规律展开研究，建立了反映煤岩体能量释放异常程度的微震能量和频次偏差值指标，分析确定了冲击地压发生前微震能量、频次、偏差值及空间分布的演化规律。李永灵［9］运用微震监测技术对深部开采导致的压力显现进行了研究，总结了深部岩层在开采条件下的运动规律。朱广民等［10］基于微震监测数据，分析了工作面回采过程中矿震“时—空—强”演化特征。赵毅鑫等［11］统计了现场矿震监测数据的时间统计特征及震源空间分布规律，分析了过断层前后矿震活动差异性。欧阳广臣等［12］利用微震、电磁辐射及地音多参量监测数据，实现了强矿震多参量监测预警，为工作面安全生产提供了指导。检索发现，目前对急倾斜煤层复杂开采条件下矿震活动规律研究较少，本研究基于现场微震监测数据，对某煤矿急倾斜煤层复杂开采条件下的回采工作面矿震时空演化规律进行研究，以期为后续工作面冲击危险监测预警及卸压解危提供有益指导。

1 工程概况

甘肃省某矿一号井一采区主采2#和4#煤层，煤层埋深400～450 m，倾角50°～60°，两煤层间距50～70 m。采煤工作面沿煤层水平布置，采用水平分段轻型综采支架放顶煤采煤方法，水平分段高度为30 m，回风顺槽沿煤层顶板布置，运输顺槽沿煤层底板布置。目前，一采区一403和一203工作面已回采结束，正回采一405工作面，两工作面分布见图1、图2。本研究基于一203工作面和一405工作面回采过程中矿震监测数据，重点分析临近不同急倾斜煤层工作面矿震活动规律。

2 一采区轻放工作面矿震活动时空强规律分析

2.1 微震时间序列分布

2018年3—7月，一203轻放工作面回采过程中微震监测系统共监测到有效事件约990个，其分级统计见表1。

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由表1可知，一203轻放工作面矿震以1×104J以下事件为主。不同能量级别微震事件的月震动频次与回采进尺关系如图3所示（其中条形图为各能量级震动的频次）。对比不同能级矿震频次柱状图可知，102～104J矿震事件日震动频次变化趋势相近，而能级为105J及以上的2次大能量矿震均发生3月份（一203工作面初采）；而在4月与5月份，工作面矿震事件频次明显增加，对比3—7月间矿震震动频次与月进尺可知，两者升降变化基本同步，月震动频次与一203工作面月进尺密切相关，说明回采工作面矿震活动性与工作面回采速度呈正相关关系。因此，在工作面监测到冲击危险时，可通过适当降低工作面推进速度，降低冲击危险性，保证工作面安全回采。

图4为一采区回采工作面微震事件日震动频次及能量变化图。工作面矿震能量与矿震频次曲线变化趋势基本一致，局部差异较大，如3月4日、3月18日等，其中3月18日仅震动4次，而释放能量却达到3.5×106J，结合不同能量级别矿震频次变化趋势可知，工作面矿震频次变化主要受小能量矿震震动影响，而矿震能量则主要取决于当日发生的大能量矿震事件。

对比一采区一203与一405轻放工作面初采期间（3月—9月，图5）微震事件日震动频次、能量变化可知，两轻放工作面回采初期能量在104J及其以下的矿震事件日震动频次、能量变化基本一致，而一405工作面回采初期未发生105J以上大能量震动事件，推测其原因是上覆2#煤层开采对下层4#煤层起到了保护层卸压作用，降低了顶板受力，使得一405工作面回采时，其顶板活动程度有所降低。

2.2 微震空间演化规律

由采场矿震时空演化特征作为工作面覆岩运动破断研究的重要依据。为明确相邻煤层工作面开采覆岩运动特征，统计了工作面不同阶段矿震平剖分布。图6为一采区轻放工作面回采期间矿震震源平面位置分布情况（2018年3—9月），其中3—7月回采一203工作面，9月回采一405工作面。其中为102～104J事件，为104～105J事件为≥105J事件。

由图6可以看出，工作面矿震随工作面不断推进而逐渐向向停采线方向转移，且其分布较为离散。在煤层倾向方向上，震源在两煤层及其顶底板中均有分布，说明2#煤层工作面回采对下位4#煤层具有较强的采动影响，使得下位4#煤层工作面采空区上覆岩层断裂或已趋于稳定的结构再次失稳，诱发矿震。

105J及以上大能量事件均发生在3月份，即一203工作面初采期间，其中，3月4日能量为32×105J，3月18日能量为3.5×106J。由矿井采掘规划可知，上分层一201工作面回采后，转到下分层一403工作面进行回采，在此期间，一201工作面采空区内破碎覆岩在顶板压力作用下逐渐压实，活动性降低，应力逐渐恢复，在下分层一203工作面回采时，不仅使其直接顶岩层断裂，而且会使上覆已相对稳定的采空区覆岩再次失稳、回转，甚至顶板中更高层位关键层破断，从而导致大能量事件的发生。

图7为一采区一203轻放工作面回采期间矿震震源在不同回采位置剖面上的分布情况（2018年3月—9月），其中9月回采一405工作面。可知，在一203工作面回采期间，矿震震源分布具有明显区域特征，其中104J能级的矿震主要集中在2#煤层顶板岩层及上覆采空区内，而103J及以下能级矿震主要集中在两煤层之间的岩层中。对比2018年5月（一203工作面回采）和2018年9月（一405工作面回采）剖面上的震源分布可知，2#煤层回采时，大能量矿震主要集中在煤层顶板及其采空区中，而4#煤层回采时，大能量矿震主要集中在煤层底板及其采空区中。

3 结论

（1）工作面矿震活动性与工作面推采速度呈正相关关系，可通过适当降低工作面推进速度来降低工作面冲击危险性；工作面矿震频次的变化主要受小能量矿震影响，而矿震能量变化主要取决于大能量矿震；矿震活动主要集中在工作面附近，随工作面的推进不断演化；工作面区域内断层、褶皱等构造对工作面矿震活动有重要影响。

（2）对于研究矿井急倾斜综放工作面，2#煤层工作面回采时，其微震事件主要集中在煤层底板方向，而下位4#煤层开采时，其微震事件主要集中在煤层顶板方向，即两煤层间不足50 m的岩层为微震活动的主要区域，成为冲击地压防治的主要对象。

（3）对于研究矿井地质条件下的急倾斜水平分段工作面，其矿震的强度较急倾斜大倾角综放工作面有所降低，2#煤层工作面回采时，其微震事件主要集中在煤层顶板方向，而下位4#煤层开采时，其矿震主要发生在煤层底板岩层中，在工作面冲击地压防治时，应采取“分区管理，分类防治”的原则进行治理。