基于微震裂缝参数反演的深部矿井“两带”结构规律

左秋玲， 李景山

(1. 河南工程学院 资源与安全工程学院，河南 郑州 451191；2.铁道警察学院 治安学系，河南 郑州450053)

基于我国深部矿井开采成功推广新技术、新材料、新装备和新工艺的背景，在复杂环境(如高地应力、高地温、高瓦斯、高水压等)和高强度开采的作用下，矿井复合灾害时有发生，岩层移动引发的底板突水、顶板冒落、冲击地压等矿井事故严重影响着深部矿井的安全高效开采。

利用水力压裂技术来抽放矿井瓦斯可以降低高瓦斯煤矿采煤工作面的瓦斯浓度，但会使采煤工作面产生复杂的微破裂事件，尤其在断裂带和垮落带(简称“两带”)，一般会伴随着小强度的地震波。国内外学者在煤矿地震波监测方面开展了相关工作。Yoshihiro等[1]认为天然裂缝面在水力剪切作用下会剪切滑动，由此引发微地震事件。杨永杰等[2]监测和预报了煤矿采场覆岩破坏引起的微地震，对监测到的微地震事件进行定位计算，论证了微地震演化与采场覆岩破坏的密切关系。姜福兴[3]监测了煤矿冲击地压引发的微地震，论证了通过岩层破裂规律对冲击地压进行预测和预报的可能性。李会义等[4]研究了基于MATLAB软件的岩层微地震破裂定位求解方法及应用，借助地震波在连续介质中的传播机制，以P波到达时间为主指标编制了定位软件。

以上研究主要集中在利用微地震技术进行采场覆岩、岩层破裂和“两带”监测等方面，缺乏对特厚煤层放顶煤开采“两带”裂缝的尺寸、位移、压裂过程和发育规律的推导。因此，本研究拟利用自行研制的微地震定位监测系统监测深部矿井特厚煤层开采过程中“两带”的微地震震群分布，基于矩张量反演推导出“两带”裂隙相应的地震矩，基于岩石破裂力学理论推导“两带”裂隙的几何形状与压裂过程的关系，在此基础上进行“两带”裂缝的定量反演，推演“两带”的运动结构和采动应力场的分布，结合已发生微地震事件的震级和倾向方位角，推导剪切型裂缝的几何位置和发展进程，以期为矿山安全生产提供理论参考。

1 震源机制反演法流程

微地震事件是在岩石破裂或错动过程中产生的强度不大的地震波，一般产生在裂缝断裂面上[5]，主要处理工作包括有效识别监测到的微地震信号、拾取精确的抵达时间、准确定位微地震，主要步骤见图1。

图1 微地震事件处理步骤Fig.1 Microseismic event processing steps

震源机制是识别放顶煤开采时采煤工作面产生裂缝的重要表征参数，不同的观测模式应选用不同的反演方法[6]，方法的适用性对比见表1。本研究主要对采煤工作面的“两带”微地震事件进行反演，故拟借助矩张量反演法来推断“两带”震源的地质参数，用矩张量来描述相关属性。借助Aki等[7]的计算公式进行反演推导：

表1 P波初动与矩张量反演方法适用性对比Tab.1 Applicability comparison of P-wave initial motion and moment tensor inversion methods

U=M×G，

(1)

式中：U表示测得的地震事件；M表示描述震源的二阶矩张量；G表示强度较小的地震波传播过程的格林函数。假定已知地震事件U和格林函数G，可以通过反演线性方程(1)求得其二阶矩张量M[8]。

2 井下“两带”微地震事件监测

2.1 微地震事件监测系统

实验矿井位于山西大同市境内，全矿井大多为正断层，30 m以上的断距有8条，井田范围内共两组断层群。煌斑岩侵入井田内3～5号煤层上部6 m左右，侵入范围大致呈东北向，约占井田面积的一半。本次微地震监测系统布置在该煤矿8102工作面，在开采过程中监测放顶煤煤层及顶板岩石的破坏、破裂和垮落，确定“两带”裂隙的几何结构和采动应力场分布，分析其高度能否接近或通过第三含水层组，判定是否留设防隔水煤柱。所监测的采煤工作面煤层顶底板柱状图见图2。

图2 煤层顶底板柱状图Fig.2 Columnar diagram of coal roof and floor

微地震监测系统的主体部分有深孔检波器、浅孔检波器和地面检波器等组件，包括4个钻孔、4个浅孔及9个地面检波器。4个钻孔共设置16个三分量检波器，4个浅孔中各装1个三分量检波器，9个地面检波器都是单分量检波器。在运输顺槽内共施工4个钻孔，第一个钻孔距工作面340 m左右，各钻孔间距为100 m左右。图3为检波器在运输顺槽钻孔中的布置示意图。

图3 检波器在运输顺槽钻孔中的布置示意图Fig.3 Schematic diagram of the layout of the geophone in the transportation along the groove

2.2 监测微地震事件的分布

声波在煤系地层中的传播速度为2 900～3 700 m/s，平均速度为3 000 m/s，可借助直达波信号处理微地震信号，图4是观测到的微地震事件的平面位置。图4中显示的破裂点分布与以往多数煤矿微地震监测结果有较大区别， 这取决于各个矿区微地震事件的发育规律和分布特征，且顶底板的岩层破裂高度也与煤层厚度、煤层埋深、地层岩性、采煤方法、矿井设计等因素有关。本监测煤矿是超厚煤层，其采放比为1∶4～1∶5，这使得监测结果与其他矿井有明显差异。如图4所示，94%以上的微地震事件发生在工作面回风巷道周边，以开切眼为固定坐标系，微地震事件的位置随工作面的动态推进而前移，与走向大致平行。

图4 微地震事件平面位置Fig.4 Plane location of microseismic events

3 结果与分析

3.1 采煤面“两带”微地震事件震级反演

杨心超等[9]在文献[6]的基础上，考虑了震源振幅这一信息参数，同时将极性和振幅与实际资料的匹配看作目标函数，解决了反演中由观测系统不齐备引发的多解性问题。

微地震事件的震级可以用BAIG公式[10]计算：

(2)

式中：Mw表示所监测微地震事件的矩震级；M0表示反演的标量矩震，N·m。

图5是整个放顶煤开采期间所有事件的矩震级，从中可以看出该采煤作业诱发的微地震震级主要为-3～0级。图6是各震级段对应的微地震事件的分布情况。从统计学角度来看，随着震级的变弱，微地震事件呈大幅增长趋势，当震级为-2.2级时，微地震事件已接近85个，此时最大。之后，随着震级的继续减弱，微地震事件又开始随之减少。这主要是因为微地震事件信号的减弱，使得能检测到的有效微地震信号变少，故当震级小于-3级时，微地震事件的信号已经监测不到。考虑到本次放顶煤引起的“两带”变化的具体情况，当埋深约880 m、震级为-2.2级时，所观测到的信号为对应的最强监测事件。

图5 微地震事件矩震级Fig.5 Matrix level of microseismic events

图6 震级与数量的分布Fig.6 Distribution of magnitude and number

3.2 采煤面“两带”微地震事件矩张量反演

在放顶煤采煤法作用下，煤层应力场的变动会使顶板产生剪切形变和张性形变，生成剪切型裂缝、张开型裂缝或混合裂缝。由于采煤工作面回采线后方的煤层顶板是暂时悬空状态，在重力作用下会自然下落。微地震事件产生的形变主要是剪切型裂缝[11]，本研究运用矩张量反演得到的剪切型裂缝走向，剖析剪切形变对应的应力场。

对“两带”约1 000个微地震事件进行矩张量反演，结果见图7。由图7可以看出，利用震源机制反演的结果是互相垂直的2个平面，而且这2个平面均有可能是剪切型裂缝所在的面。目前普遍结合实际压裂情况、地质认识综合分析和判定裂缝破裂面，如Fisher等[12]统计分析了大量实际的微地震压裂事件，发现在h深>1 219.2 m时为主发育高角度裂缝。基于产生剪切型裂缝的阐述，反演结果的裂缝方位角主要集中于240°～ 280°，裂缝倾角主要集中于40°～90°，大部分为60°～90°的大角度裂缝，见图8。

图7 微地震事件与震源机制解Fig.7 Microseismic event and focal mechanism solution

图8 微地震事件的方位角与倾角Fig.8 Azimuth and dip of microseismic events

由测试结果可知，该采煤工作面的垂向应力为48.2～54.5 MPa，最大水平方向主应力为51.8～54.9 MPa，最小水平方向主应力为48.5～49.7 MPa，水平方向应力差异系数为0.05～0.13。按照应力差异系数小于0.30的标准，放顶煤采煤法在采煤工作面回采线的前方区域会形成裂缝网络，各应力关系为最大水平主应力<垂向应力<最小水平主应力。该区域裂缝应力模型如图9所示。图9中，SHx表示东西走向应力，SHy表示南北走向应力，Sv表示垂直应力，虚框表示剪切型裂缝面。

图9 应力模型与裂隙分布Fig.9 Stress model and crack distribution

3.3 采煤工作面“两带”微地震事件规律

微地震事件的横剖面(垂直于巷道方向)投影见图10。由图10可以看出，微地震事件在采煤工作面回采线的平面位置以“土”字型分布，采空区的微地震事件相对较少，大部分微地震事件点分布在煤层底板以下85 m至顶板以上335 m处，其中主要贯通破裂处为煤层底板以上15～80 m。距煤层较近的区域内，微地震事件的生成与煤层距离成反比，当标高在煤层底板295 m以上时，微地震事件变少了，强度也变弱了。在回风巷道上方和外侧出现部分微地震事件，可能是地表钻孔造成的，也可能是附近开采巷道与本工作面顶板组成大结构共同作用于煤岩体的结果。确定微地震事件的数量与震级关系、分布位置，能大致确定放顶煤作业时煤层顶板上方岩石冒落带和裂隙带的位置和高度。

图10 微地震事件横剖面投影Fig.10 Projection of cross section of microseismic events

因为工作面倾向长、煤层超厚、顶底板岩层复杂等特点，工作面一直无法正常推进，而且开采进度受到影响，使得工作面开采参数的规律性弱、不易判断。该工作面来压频繁，几乎每两天都能监测到压力，而且持续时间长。工作面非顶板断裂造成压力的状况经常发生，与顶板板块和顶煤厚度都有关系。因为是特厚煤层，顶煤和直接顶给支架造成的压力是持续性的，顶煤断裂或部分断裂后其上的残余顶煤或直接顶没有了支撑体，会进一步断裂，给周围的顶煤一种附带的黏性拉扯力，这种相互作用也给工作面造成了持续的压力。

图11是距离煤层底板每间隔10 m的微地震事件分布，可以看出微地震事件的密集区高度为底板上方10～70 m。经过分析，破裂点93.69%在底板以下100 m至底板以上200 m处，82.02%在底板以下50 m至底板以上100 m处，仅在底板上方10～70 m处就有62.78%的破裂点。

图11 距煤层底板每间隔10 m的微地震事件分布Fig.11 Distribution of the microseismic events at a distance of 10 meters from the coal floor

由此可见，破裂带在底板上方与下方同时存在，底板下方破裂较浅，底板上方较高处也发生了破裂。另外，底板至上方12 m处破裂较少，上方12～55 m处破裂密集，即上部顶煤和直接顶、邻近老顶的破裂较深，较高处的老顶也有比较贯通的破裂带。

4 结论

对我国山西某深部矿井放顶煤开采引起的顶板“两带”进行了实际观测和微地震监测，得出主要结论如下：

(1)基于震源机制反演求得微地震事件震级为-3～0级。随着震级的变弱，微地震事件呈大幅增长趋势，当震级为-2.2级时，微地震事件已接近85个，此时最大。之后，随着震级的减弱，微地震事件开始随之减少。

(2)基于地质应力场分布理论，放顶煤采煤法在采煤工作面回采线的前方区域会形成裂缝网络，且最大水平主应力<垂向应力<最小水平主应力，反演的剪切型裂缝方位角大多集中在260°左右。

(3)以开切眼为固定坐标系，微地震事件的位置随工作面的动态推进而前移，与走向大致平行。基于震源机制反演回采线区域的应力张量，考虑到本次放顶煤引起“两带”变化的具体情况，当埋深为880 m、震级为-2.2级时，所观测到的信号为对应的最强监测事件。