基于微震与数值模拟的隐伏构造活化识别方法研究

王四戌，李连崇，牟文强，余国锋，魏廷双，刘晓国，韩云春，任 波

（1.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.煤炭开采国家工程技术研究院 深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室，安徽 淮南 232001；3.淮河能源煤业分公司 潘二煤矿，安徽 淮南 232091；4.淮河能源煤业分公司 张集煤矿，安徽 淮南 232174）

随着开采深度的不断增加，我国多数煤田已进入深部开采阶段。工作面发生突水的风险越来越高，特别是华北型煤田，深部煤层受底板奥灰水影响较大，底板岩溶水极易通过断层等导水构造涌入矿井，而造成突水灾害[1-3]。断层是天然的涌水通道，一旦受到扰动活化，将会导通奥灰系含水层发生突水事故[4]。因此，如何及时采取有效的预防措施，对减少煤矿水害事故，保证安全带压开采具有重要意义。

微震监测作为一种行之有效的监测手段，现已成为深部矿山灾害监测的基本手段。刘晓国等提出利用锚杆安装微震传感器，实现了对工作面突水危险区域的实时监控[5]；王平等通过分析微震事件的分布特征，揭露了断层的活化规律[6]；姜福兴等根据微震监测与数值模拟耦合结果，揭示了采动引起的构造活化和灾变的机制[7]；马天辉等通过对比现场实际情况和微震监测结果，发现了微震的时空演化与岩爆之间的关系[8]；赵周能等研究了深埋隧洞微震活动区与岩爆之间的关系，发现了微震事件聚集区的岩爆规律[9]；Bokelmann、Fresno、Takada等研究了微震活动与构造应力之间的关系,发现了岩体的破裂过程与构造应力有关[10-12]；刘超等根据微震监测信号属性不同的特征规律，提出了微震事件的识别与标定分析方法[13]；程关文等通过分析微震事件的空间分布特征和震源参数规律，识别出了工作面的隐伏构造[14-16]。前人的研究成果证明，微震监测技术对深部矿山岩石动力灾害有良好的监测效果。因此，通过微震系统监测采场内岩层异常破裂情况，基于数值模拟推演断层带应力迁移、反演其活化过程。

1 工程概况

张集煤矿属于淮南煤田，位于凤台县城西20 km处，行政区划隶属于凤台县张集镇。1612A工作面位于矿区西三1煤上采区第2个工作面，北部为1611A工作面，南部为1613A工作面。工作面走向长约1569m，倾向长约200m，煤层水平位置约-540 m，1612A工作面及微震系统布设如图1。

图1 1612A工作面及微震系统布设Fig.1 Layout of1612A working face and MS system

1612A工作面轨运巷共揭露21条断层，其中对回采影响较大的断层为F1611A76、F1612A77、F1611A78、F1611A80。1612A工作面开采煤层为1煤，厚2.1～9.1m，平均6.3m。在工作面底板法距120m以下发育有奥陶系灰岩含水层，工作面断层带及裂隙发育处可成为奥灰系含水层的导水通道，威胁工作面的安全回采。

张集煤矿于2019年初搭建起1612A工作面实时微震监测系统，并对高应力区煤岩破裂进行实时监测、定位及分析[5]，形成微震数据24h实时连续采集、集中分析的模式，对微震活动、断层活化进行跟踪监测，并基于微震数据对可能发生涌水的区域预测预报。为提高断层区域监测精度，微震传感器多分布于影响较大的断层附近。在1612A工作面轨道巷、1613A底抽巷分别选择12个测点安装微震传感器，其中，1号测点距离开切眼240m，13号测点距离左边联络巷210m，相邻2个测点间距离约100m。

2 回采工作面内隐伏构造活化识别

2.1 基于微震监测的隐伏构造活化识别

1612A工作面完成微震系统组网监测以来，监测效果良好，共监测到10～40000J能量微震事件3863个，1000J以上大能量微震事件446个。监测得到的微震事件时空分布如图2。

图2 微震事件时空分布图Fig.2 Top view of temporal and spatial distribution of MS events

微震事件密度云图如图3。由图3可以看出，工作面存在典型的微震事件密集分布区域，第1个区域（Ⅰ区）为F1611A76～F1611A77断层区域，在平面上以断层为中心展开分布，该区域主要是受回采活动的影响；第2个区域（Ⅱ区）位于距离开切眼约738～917 m范围，该区域在巷道掘进中未揭露断裂构造。从时间特征来看，微震事件密集区域具有典型的时间阶段性，Ⅰ区于2019年4月17日出现微震事件，此时工作面距离Ⅰ区约102m，4月24日后（工作面距离Ⅰ区约56m），日微震事件数量逐渐增加，其后Ⅰ区微震事件开始呈现密集趋势；Ⅱ区于5月6日出现微震事件，此时工作面距离Ⅱ区约113m，其后Ⅱ区微震事件逐渐增加。

图3 微震事件密度云图Fig.3 Cloud chart of MS event density

微震事件在空间范围内也出现了典型区域性分布的特点，断层带所产生的Ⅰ区与Ⅱ区相对比具有相似性。因此，Ⅱ区疑似有隐伏构造，因扰动产生大量微震事件。聚类分析微震事件，得到的微震事件数量时空变化如图4。

图4 微震事件数量时空变化Fig.4 Temporal and spatial distribution of MS events amount

微震事件多分布于顶板，顶板微震事件的高度根据集中趋势大致可分为0～40、＞40～160、＞160m；底板微震事件多分布于底板近场区域，底板微震事件深度根据集中趋势大致可分为0～40、＞40～160、＞160m。由图4可以看出，微震事件集中产生于4—6月，且5月微震事件最多，该时期工作面回采Ⅰ区域，期间顶板微震事件最多；对比分析，5—7月期间产生底板微震事件最多，底板微震事件贯通范围均达到了40m；其中，6月和7月工作面回采Ⅱ区域。此外，6月顶板微震事件数量远低于5月，与7月顶板微震事件数量相当。据此，初步判定Ⅱ区及其临近区域存在隐伏构造。

微震能量可反应岩层的破裂强弱，计算的微震能量分布时空如图5。

图5 微震能量时空分布Fig.5 Temporal and spatial distribution of MS energy

微震事件释放的能量主要集中在煤层顶板区域，微震事件在煤层底板区域释放能量较少，且超过1000J能量的微震事件较少。分析不同时期微震事件累计能量，发现微震事件释放累计能量集中于4—6月，从4月开始微震事件累计释放能量逐渐增加，至6月达到峰值，随后减少。对4—6月各埋深范围内微震事件累计释放能量进行分析，6月累计释放能量最多，且底板累计释放能量也最多。该时期微震事件释放较多能量，主要原因：①Ⅰ区采空区周期来压，顶板逐渐垮落，顶板断层下沉，产生大量微震事件；②该时期工作面回采Ⅱ区，隐伏构造受回采影响，发生扰动产生大量底板微震事件。综上分析，大能量微震事件多分布于顶板岩层，Ⅰ区微震事件释放能量较多，Ⅱ区主要分布大量底板内小能量微震事件。由此可认为，Ⅱ区隐伏构造沿顶板延伸范围有限，主要沿底板延伸分布。

根据岩层破裂所释放能量在空间内的分布特征，可以得到单位体积所释放的能量，即能量密度，其能反映区域内岩体破裂及其应力集中后的释放程度。微震反映了岩体弹性能释放的过程，完整岩体的集中应力和积蓄能量都较大，极易发生大能量微震事件，如冲击地压等。因此高能量密度与较完整岩体相对应、低能量密度与非完整岩体相对应，进而反映了岩石的完整度。微震事件的产生与岩体结构所受应力相关，即微震事件是岩体结构对应力的响应。微震事件其实是应力场的“显现”，岩体处于原岩应力状态不会产生微震事件，而回采活动导致岩体的扰动应力高于原岩应力，便会产生微震事件。扰动应力越大，微震事件释放的能量越大。当岩体破坏后，应力发生转移，岩体将达到新的平衡状态[17]。1612A工作面微震事件能量密度云图如图6。

图6 微震事件能量密度云图Fig.6 Energy density cloud chart of microseismic events

微震事件释放能量最大区域并非断层区域，而是Ⅰ区与Ⅱ区之间的过渡区域。实际上，由于该过渡区两端存在断裂构造，即该区域形成孤岛工作面[18]，出现应力集中现象。同时微震能量密度在Ⅱ区存在1个明显的偏转现象，则进一步推断该区域存在破碎带。

2.2 基于数模应力场反演分析

为更好地解释该种能量释放-应力集中现象，构建1612A工作面简化的数值模型，模拟该区域应力场演化过程。为验证Ⅱ区是否存在断裂构造，分别构建对Ⅱ区的2种不同工况的数值模型：①过F1611A76～F1611A77断层后为完整岩层带，即Ⅱ区不存在隐伏构造；②过F1611A76～F1611A77断层后为软弱破碎岩层带，即Ⅱ区存在隐伏构造。基于Mohr Coulomb准则分别构建模型进行应力演化计算，数值计算模型如图7。Ⅱ区无构造影响下的应力场演化如图8，Ⅱ区有构造影响下的应力场演化如图9。

图7 数值计算模型Fig.7 Numerical calculation model

图8 Ⅱ区无构造影响下的应力场演化Fig.8 Stress field evolution without structure influence in ZoneⅡ

图9 Ⅱ区有构造影响下的应力场演化Fig.9 Stress field evolution under the influence of structure in ZoneⅡ

在初始和初期开挖状态下，在只有一端存在破碎区域的情况下（F1611A76～F1611A77），应力集中范围仅分布于工作面煤壁附近，影响范围有限；若两端均存在破碎区域时，过渡区域应力集中现象明显，影响范围较大。第1种工况下，随着工作面推进，岩体应力分布无明显变化规律，影响范围仅限于破碎区域附近；第2种工况下，随着工作面推进，过渡区岩体应力集中明显，当工作面靠近另一端破碎区域时，破碎区域出现应力释放现象。

同时，在无隐伏构造干扰下，随着工作面回采一般在围岩中存在规律性的应力集中分布，其释放能量则不会存在较大的转变特征，这与现场监测得到的能量变化特征是不一致的；而在假定其存在隐伏构造的状态下，在完成其过渡区回采后而到达Ⅱ区时，在岩层内不存在明显的应力集中现象，与微震事件所释放的能量密度云图是一致的：即在2个破碎带的过渡区内存在明显的高能现象，即应力集中较大，但在过了破碎区域后进入新阶段，此时的能量释放量会出现明显改变，与应力在进入破碎区的演化规律是一致的。因此，含隐伏构造下的模拟结果对微震监测的能量释放现象具有良好解译性，即两端存在断裂构造的过渡区，受到扰动应力后，原岩应力场发生转移，应力释放产生大量微震事件，且对应微震事件释放的能量偏大，即过渡区域易形成微震事件数量和能量的聚集区。因此，数值模拟下的第2种工况符合监测结果，可判定Ⅱ区存在隐伏构造。

3 现场验证

通过监测结果预先圈定隐伏构造区域，2019年5月6日至2019年5月17日Ⅱ区微震事件聚集，聚集区域主要为靠近1612A工作面轨运巷一侧距离开切眼738～781m范围。由于该微震事件聚集区域在轨运巷掘进过程中并未揭露断层，怀疑存在隐伏构造，于2019年5月21日下井现场查看，发现轨运巷距离开切眼约746m位置顶板和侧壁煤层均出现小范围破碎现象。从而证实，Ⅱ区确实存在未探明隐伏构造，该隐伏构造受到回采活动影响，发生扰动而产生大量微震事件。同时，在工作面实施了槽波勘探，对其异常区进行探测，1612A工作面槽波勘探结果如图10。

图10 1612A工作面槽波勘探结果Fig.10 Exploration results of guided waves in1612A working face

由图10可以看出，槽波勘探对构造异常比较敏感，其探测异常区可作为存在地质构造的间接反映。对1612A工作面进行槽波勘探，结果表明：1612A工作面共划定9处异常区：异常区1～异常区3位于工作面切眼附近，异常区4～异常区5位于工作面中部，异常区6～异常区9位于工作面收作线附近。其中，异常区4～异常区5与Ⅱ区范围重叠，结合微震监测分析结果，表明该异常区域存在隐伏构造。

4 结 语

1）利用微震技术对工作面断层区域破坏进行实时监测，受采场内地质条件、回采进度等综合影响，微震事件及其震源参数在采场内有鲜明的时空特征，通过微震事件可追踪岩层破裂、断层活化的过程。

2）结合微震数据及数值模拟应力场分析，提出了采场隐伏构造活化的识别预测方法，分析围岩应力场演化特征，解译了两端存在破碎带的孤岛工作面应力集中现象，解释了孤岛工作面微震事件数量和能量密集特征。

3）通过现场探勘和物探手段，发现微震事件密集Ⅱ区轨运巷顶板和煤壁存在破碎现象，工作面槽波勘探异常区4～异常区5与微震事件密集Ⅱ区重叠，验证了微震事件密集Ⅱ区存在隐伏构造。