基于微地震监测的近水平厚煤层上覆岩层运动规律研究

梁运培，王海滨，李全贵，胡良平，姜志忠，宋明洋

(1.煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044；2.重庆大学 资源与安全学院，重庆 400044)

随着煤矿开采深度的不断增加，许多煤矿已进入了深部开采的范畴，我国的新汶矿业孙村煤矿开采深度已达到了1 500 m[1]。煤矿开采深度越大，地质条件越复杂，巷道掘进和煤矿开采过程中承受的围岩应力也越大。工作面开采造成的顶板岩层破裂和垮落通常会产生能量不一的微小震动，即微地震(微震)。微震监测技术的现场应用已经趋于成熟，该技术能够准确记录微震发生时的能量大小、位置和时间，同时具备远距离、实时观测、持续监测、随时调用等特点[2-4]，能够更加精准细致地研究井下开采活动与岩层运动之间的关系[5-7]。

微地震技术主要应用于岩体破坏及移动、矿压显现监测等领域。姜福兴[8]、Liu Jianpo[9]等根据微震能量在煤样中的传播特征，确定了微震监测合理的定位方法，同时提高了定位的准确度，为后续微震定位技术的研究提供了依据和参考；汤国水[10]、王德超[11]、郭小铭[12]等采用高精度微地震监测技术研究了采场周围岩层的破裂形态；石超弘等[13]利用监测设备对工作面推进过程中的矿压显现剧烈现象进行长期监测，认为局部微震能量和推进度不一致区域的产生是判定冲击事件发生的依据；王进尚等[14]针对深部开采时工作面承受的高地应力和高水平“双高”型煤层进行高精度微地震监测，成功推断出煤层底板岩体的破坏范围；李青锋等[15]通过理论分析确定了工作面采动时受影响较大的关键层和亚关键层；张明[16-17]、翟明华[18]等将理论分析、数值模拟和微震监测技术相结合，分析采动应力与硬岩运动之间的关系，研究表明岩层的软硬和厚度是造成覆岩结构多样性和应力演化复杂性的主要因素。目前，将微地震监测技术和实际周期来压步距数据相结合，开展微震能量变化与周期来压之间量化关系研究的文献较少，有必要针对这方面内容进行研究。

笔者通过研究微震事件发生的密集度、微震事件发生高度、工作面推进步距与周期来压及上覆岩层运动之间的关系，分析采动应力场对岩层运动的影响，以期得出工作面采动的有效影响范围、周期来压步距与微震能量之间的关系，对被研究工作面及相似条件采煤工作面的安全高效生产具有指导意义。

1 岩层移动的监测方案

1.1 煤矿地质条件

内蒙古察哈素煤矿设计产量为1 000 万t/a，3-1煤层位于侏罗系中下统延安组上部，属全区可采稳定煤层，是井田的主要可采煤层之一。31313工作面位于3-1煤层，煤岩组分以暗煤为主，亮煤次之。煤层倾角总体变化较小，煤层走向为165°，倾向为255°，为近水平煤层。工作面所在煤层厚度为5.11～6.95 m，平均煤厚为5.98 m。煤岩层结构简单，属于易采煤层。

1.2 微地震监测煤岩破裂的基本原理

煤岩层在周围岩体应力作用下发生破坏时会产生微小地震和声波。采用多组检波器实时采集微地震数据并传输至微震监测软件中，通过算法将微小地震发声位置显示在三维地图中[19]。同时可根据震源情况分析煤岩层破裂尺度和性质。

(1)

式中：τi为事件i发生的时间；u为慢速场；ds为路径单位长度。

震源坐标(x1，x2，x3)、微震发生时间、射线路径和慢速场都是未知的，到达时间和事件位置之间呈高度非线性关系。

(2)

式中Δxl(l=1,2,3)和δu分别为震源微震在三分量上的扰动和沿射线路径的地震慢速扰动。

式(2)代表微震事件i到达检波器k的观测与理论时间差，将式(2)减去另一微震事件j到达同一检波器的观测和理论时间差，得到式(3)：

(3)

假设这两个事件距离较近，从两个事件到同一检波器的路径几乎相同，且速度结构已知，则式(3)可简化为：

(4)

公式(4)为双差地震定位算法[20-21]。

1.3 布置方案

基于煤体破裂定位方法的分析，将8个检波器平均分为2组，每组4个，检波器通过人工方式随工作面的推进而向前移动。微地震监测系统布置如图1所示。

图1 微地震监测系统布置示意图

检波器的布置参数如表1所示。

表1 检波器布置参数

HF1～HF4对应回风巷道的4个测点，JY1～JY4对应胶运巷道的4个测点，测点位于距离煤壁表面3 m深的孔中。察哈素煤矿煤岩层柱状图如图2所示。

图2 察哈素煤矿煤岩层柱状图

2 结果分析

2.1 微震事件整体分布范围分析

选取2020年5月份的微地震监测结果进行分析。

在监测时间段内工作面共推进了307 m，且推进工作面范围内的煤层地势平缓、煤岩体结构简单，能够完整反映工作面正常推进时岩层移动的全过程。

采用“固定工作面”法研究微震事件的分布情况，由此得到的固定工作面图能比较真实地反映工作面附近的微震事件分布情况。固定工作面微震事件分布揭示的岩层破裂范围如图3所示。

图3 固定工作面微震事件分布揭示的岩层扰动范围

由图3可知，在水平方向上，微震事件主要分布在工作面偏向采空区182 m，以及工作面前后分别为271、173 m的范围内；在垂直方向上，微震事件大致分布在煤层上方300 m，煤层下方45 m的范围内。回风巷道左侧是采空区，这表明，在采动影响下煤层顶板岩层的破裂主要发生在工作面推进方向的前方偏采空区一侧。

2.2 微震事件在岩层中的分布规律分析

对岩层运动的理论研究表明，在采动应力场的上覆岩层中，按照距离采场由远及近分别为：弯曲下沉岩层、基本顶岩层和直接顶岩层。在垂直方向上，距采场越近的煤层其破裂程度越高。可以通过分析微震事件的分布规律推断出岩层纵向断裂高度。

由图3可看出，在纵向方向上微震事件分布表现为：高密度、大能量事件集中发生在距离工作面较近的低位岩层中；低密度、小能量事件分布在距离工作面较远的中位岩层和高位岩层中。

将2020年5月份每天所发生的微震事件高度进行对比，得到不同高度岩层微震事件如图4所示。

A—高密度周期性破裂；B—密集破裂；C—高位岩层低密度破裂；D—低位岩层高密度破裂。

按照微震事件发生的密集程度，可将微震事件发生的高度按照距离采场所在层位远近划分为3个区域：低位岩层(0～18 m)，中位岩层(18～60 m)，高位岩层(60～300 m)。分析3个不同层位的微震事件分布规律可知：中位岩层和高位岩层断裂具有一定的周期性规律;低位岩层发生的微震事件密度明显比高位岩层大，观测不到明显的规律性。这表明低位岩层的破裂程度比中、高位岩层破裂程度大，即不同层位的岩层受采动应力场的影响程度不同。

结合矿山压力理论和微地震事件在采场上覆岩层的分布规律，对照31313工作面地质柱状图，进一步分析得到综采工作面在纵向方向上，发生高密度破裂的低位岩层为直接顶岩层，即垮落带；发生低密度周期破裂的中位岩层为基本顶岩层，即断裂带；60 m 以上为弯曲带。结合图3和图4的有效微地震的分布规律分析可知，在中高位岩层发生下沉、弯曲破裂后的1～2 d内，低位岩层持续发生破裂。之后，微地震事件再由低位岩层发展至高位岩层，表明高位岩层断裂强迫低位岩层断裂，同时伴随一系列破裂事件的发生。

统计2020年5月份每天微地震事件能量和的分布情况，如图5所示。

图5 2020年5月份每天微地震事件能量和的分布情况

由图5可知，微震事件能量和的分布具有明显的规律性，同样伴随着波峰和波谷周期性出现，即每隔一段时间微震事件能量和就会迎来一次最大值。能量和周期性分布及高位岩层破裂周期性的出现均验证了微震事件的发生具有规律性。研究结果表明，应用微震监测手段得到的数据能够较好地反映岩层运动的实际情况。

2.3 微震频次与周期来压规律分析

结合前文分析可知，在微地震监测到的上覆岩层运动中，直接顶的破裂处于比较活跃的状态，直接顶的破裂可以由周期来压步距进行判断。通过分析日微震频次研究监测数据和工作面上覆岩层矿压显现之间的关系。结合31313工作面的具体情况，以事件数大于10作为工作面基本顶破裂的判据，将监测结果及其对应的工作面推进距离绘制成图，如图6 所示。

图6 微地震事件数揭示的工作面周期来压

由图6可知，31313工作面5个周期来压步距分别为26、23、19、27、22 m，平均周期来压步距为23.4 m。为确定察哈素煤矿31313工作面周期来压步距,需验证由监测数据推断得到的周期来压规律的准确性。察哈素煤矿在2个月时间内周期来压步距的统计数据如表2所示。

表2 周期来压步距统计数据

由表2求得2个月的平均周期来压步距为12 m。由图6可以看出，两相邻波峰出现的时间段内工作面走过的距离的平均值与周期来压步距之间有确定的数量关系，即：通过分析记录微震事件日频次曲线得到两相邻波峰出现的时间段内工作面推进的平均距离是23.4 m，是实际来压步距的2倍左右。该结果证明，通过设定单日微地震事件数阈值作为顶板岩层破裂的判据，利用微地震监测技术研究工作面上覆岩层的矿压显现规律是切实可行的。

3 上覆岩层运动规律的数值模拟

为了验证低位岩层、中位岩层和高位岩层分布范围的准确性，利用3DEC数值模拟软件进行验证。3DEC是三维离散单元数值模拟软件，能够很好地模拟煤层开挖后上覆岩层的变形和破坏过程，故采用3DEC软件对上述规律进行验证。

各煤岩层的物理力学性质参数如表3所示。

表3 各煤岩层物理力学性质参数

依据3煤取心得到的岩层柱状图划分模型中各岩层范围，按照采场工作面实际走向长度将模型开挖单元长度设置为160 m，开挖煤层厚度设置为5.5 m。31采区煤层倾角为1°～3°，属于近水平煤层，设置模型倾角为0°。煤岩层划分模型如图7所示。

图7 煤岩层划分模型

根据实际情况，采用莫尔-库仑塑性模型进行求解。模型开挖后的覆岩位移模拟结果如图8所示。

图8 开挖后上覆岩层位移云图

由图8可知，数值模拟所得低位垮落破碎岩层和中位断裂带岩层的厚度分别为20、55 m。这与上文分析得到的低位岩层高度0～18 m，中位岩层高度18～60 m的结论基本一致。数值模拟结果较好地验证了微地震监测的可靠性和数据分析的准确性。

4 结论

1)分析周期性的微震事件，能够确定不同层位之间的位置关系，即：采场上方0～18 m为直接顶(低位岩层)，18～60 m为基本顶(中位岩层)，60～300 m为高位岩层；高位岩层微震事件发生频率比中位岩层微震事件发生频率低。

2)内蒙古察哈素煤矿31313工作面2个月平均周期来压步距为 12 m，分析微震事件单日频次曲线图中两相邻波峰出现的时间段内工作面平均推进距离为23.4 m，约为实际周期来压步距的2倍。通过分析察哈素煤矿31313工作面采区微震事件，发现微震单日频次曲线能够与周期来压步距之间建立确定的数量关系。

3)利用3DEC数值模拟软件验证了综采工作面上覆岩层不同破裂程度所对应的岩层分布范围，证明微震监测技术能够有效反演上覆岩层的破裂和运动规律，可为矿井的安全高效生产提供有效指导。