不等长工作面微震响应特征分析

周金艳，桂二国，扈勇亮

（1.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 0540002.河北省矿井微震重点实验室，河北 邢台 054000；3.冀中能源峰峰集团 邯郸宝峰矿业有限公司 九龙矿，河北 邯郸 056200）

0 引言

为了提高煤炭资源采出率，许多煤矿将切眼布置在断层、陷落柱等地质构造附近，整个工作面呈现“刀把状”不等长的情况，推进过程中需要加减支架。这就导致应力场变化复杂，对工作面安全回采造成一定影响。很多学者对不等长工作面覆岩活动等进行了分析研究，王新丰[1]等采用有限差分软件FLAC3D 对不等长工作面覆岩破坏及支承压力的分布特征进行系统研究，并相应模拟出工作面前方应力场与位移场的演化规律。卢帮稳[2]以冀中能源股份有限公司邢东矿2225 不等长工作面为例研究不等长工作面的覆岩活动规律及受采动影响回采巷道的变形规律。李杨杨[3]等人采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法，分析了台阶区域覆岩结构运动特征和围岩应力演化规律。孙广义[4]等人对平岗东三采区中部右一不等长工作面进行矿压观测，研究不等长工作面顶板的活动规律。武文清[5]通过分析九龙矿突水事故数据对大采深奥灰水上工作面底板裂隙突水量进行了预测，对类似条件下的涌水量预测具有指导意义。

当前的研究方法主要集中于数值模拟和现场观测等，缺乏连续性，研究结果与实际相比有一定差距。而近年来迅速发展的微震监测系统具有实时、连续、全空间动态监测、主动扰动探测特点，因此对不等长工作面开展微震监测，对于研究其顶底板事件发育规律、保障安全回采具有重要的意义。

1 工作面概况

15240 工作面位于矿区南三采区东部，东部为NF27断层，东南部为F1-1断层，西部为正在回采的152下36 工作面，北部为15238 工作面和152下38工作面采空区。该工作面走向长度1063～1072 m，倾斜长度57～93 m，工作面煤层平均厚度为2.7 m，煤层倾角9°～15°。该面外切眼上方存在多条断层，2 条较大断层其中一条倾角为60°，落差为5 m，另一条倾角为65°，落差为6.5 m。结合多方面因素分析设计，最终将工作面布置成倾斜长度由57～93 m 的不等长工作面（图1）。

图1 15240 工作面布置Fig.1 No.15240 face layout

15240 工作面煤层顶板综合柱状图如图2 所示，直接顶板为2.2 m 厚砂质泥岩，直接底板为2.5 m 厚砂质岩层。

图2 15240 工作面顶底板综合柱状图Fig.2 No.15240 face roof and floor comprehensive histogram

在15240 工作面布置范围进行了地面区域治理，治理层段奥灰顶面以下11.4～40 m。经区域治理后水文地质条件相对简单，影响该工作面主要含水层有大煤顶板砂岩含水层、底板野青灰岩岩溶裂隙含水层、山伏青灰岩岩溶裂隙含水层、大青灰岩岩溶裂隙含水层、奥陶系灰岩岩溶裂隙含水层。奥灰含水层与2 号煤层的间距为160～173 m，由于其分布面积广、厚度大，具有巨大的动、静储水量，是威胁工作面安全生产的主要因素。

2 微震系统简介及布置

煤矿水害防治微震预测预报技术，是利用高精度微震监测系统，通过感知导水通道形成过程中的岩石破裂，精细定位处理解释，对导水通道形成过程进行监测。张党育[6]等基于微震监测系统研究工作面过老巷时期微震时空演化规律，掌握顶板岩层的损伤程度与运移特征，为其顶板支护管理以及进行针对性的灾害防治提供依据和参考。左建平[7]等针对邢东矿2222 工作面深部带压开采接近临界值且局部受隐伏断层等构造影响，可能出现底板突水的问题，采用微震监测系统实时监测导水裂隙带形成过程，为针对性注浆治理和安全开采提供了重要指导。

结合工作面监测范围和地质条件等布设检波器，通过检波器采集井下产生的震动信号，然后通过网络传输到地面。基于此微震水害监测监控系统能够感知极其微弱的破裂信号。通过对有效微震事件的定位与分析，同时结合微震多属性参数成图。微震系统结构如图3 所示。

图3 微震系统结构Fig.3 Microseismic system structure

结合该工作面巷道布置、地质条件等情况，设计安装了4 个监测分站，共计20 个单轴检波器，20 个通道。此次采用包围式方式布置在工作面底板，检波器间距80 ～100 m，如图4 所示。

图4 15240 工作面微震系统设计平面图Fig.4 No.15240 face microseismic system design plane

3 不等长工作面微震响应特征

15240 工作面为开采2 号煤工作面，于2021年2 月3 日正式回采。该次监测分析是不同倾斜长在相同推采长度下微震事件响应特征，结合工作面巷道布置情况（图5），倾斜长为57 m 时，共推进110 m，因此在倾斜长为93 m 时，也选取了推进110 m，因此采用的数据周期为2021 年2 月3 日～3 月28 日，共54 d，共监测到微震事件3394 个，日均63 个。

图5 监测区域范围示意Fig.5 Monitoring area range

煤体周围原岩在受到回采扰动情况下，应力重新调整分布，岩体在这个过程中其内部会产生大量微破裂，从而密集发育微震事件。根据工作面布置特点、微震事件响应特征等将此次监测周期分为窄面阶段、由窄变宽阶段、宽面阶段3 个。整个监测周期微震事件发生频次柱状图如图6 所示。

图6 微震事件发生频次柱状图Fig.6 Microseismic events occurrence frequency histogram

3.1 微震事件频次特征

回采初期工作面宽度为57 m，2021 年2 月24日，工作面推进距离110 m，第一阶段回采结束，推进平均速度为4.8 m。在2021 年2 月3 日～23日窄面阶段内，共监测微震事件774 个，日均37个，如图7 所示。2 月10 日数量上达到一个小高峰，较其他时间增幅明显增大，微震事件顶板发育最大高度为61.2 m，此时工作面已推进30 m，整体能量值也有所上升。分析认为初次来压，围岩应力释放剧烈，微震事件响应明显。随着工作面的推进，围岩应力逐渐由失稳状态进入动态平衡状态，微震事件频次有所降低。

图7 各阶段总数与平均数变化Fig.7 Each stage total number and average number chart

2 月24 日～3 月28 日，即第二、三阶段内，工作面共推进110 m，推进平均速度为3.4 m。2 月24 日～2 月28 日，工作面进入由窄变宽阶段，微震事件数量为403 个，日均81 个。2 月26 日微震事件骤增，平面分布如图8 所示，主要分布在巷道由窄变宽处，多为近煤层事件，且当日顶板事件较多。分析为窄宽工作面对接过程中应力场变化波动大，应力集中现象明显，微震事件响应灵敏，事件密度增大。

图8 2 月26 日微震事件平面分布Fig.8 Microseismic events plane distribution on February 26

2021 年3 月1 日～28 日为宽面阶段，工作面倾斜长由57 m 增加至93 m，微震事件总数2218个，日均79 个，比窄面阶段要高，比由窄变宽阶段要低（图7）。受到过渡阶段岩层结构变化和能量释放的冲击影响，在回采过程中，微震事件发育密度较窄面明显增大。

3.2 微震事件平面分布特征

结合微震事件平面分布图可以直观、深入的了解事件发育规律。从图9 可以看出，回采初期，采线附近顶板事件密度大于底板事件密度，分析认为采动活动的进行导致煤层上覆岩体的缺失导致其内部受力不均衡，采场围岩应力重新分布，围岩发生塑性变形、垮落、破碎等，顶板事件发育频次较大，且主要分布在15240 工作面范围内，而底板事件分布在上下巷85 m 范围内，应力传导影响范围较大。另外一部分事件发育在断层附近及巷道拐弯处，分析认为该区域地质薄弱区，且应力较为集中，微震事件优势发育。随着回采的推进，岩石微破裂发生位置随之前移，形成超前扰动区域。

图9 窄面阶段顶、底板事件分布平面图Fig.9 Roof and floor event plane distribution on narrow plane stage

结合日报分析（图10），此阶段内微震事件超前扰动范围为40 m。

图10 2 月15 日微震日报平面图Fig.10 Microseismic daily report plane on February 15

从图11 可以看出，在由窄变宽后采线周围微震事件分布密集程度明显增大。2 号煤底～野青下层段事件偏向上巷分布，说明工作面上部、中部压力较大。分析认为，工作面变宽后，围岩垮落、变形等范围随之变大，工作面北部为15238 和152 下38 工作面采空区，在采动应力影响下，覆岩易失稳破断形成裂隙，易发育微震事件。同时随着回采推进，采线后方采空区顶板悬露面积增大，且顶板覆岩受到剪切破坏和拉伸破坏双重作用，微震事件发生频次增大。

图11 由窄变宽后顶、底板事件分布平面图Fig.11 Roof and floor event plane distribution after narrow to wide

结合日报分析（图12），此阶段内微震事件超前扰动范围为55 m，较窄面阶段扰动范围增大，且采线后方事件频次增大。

图12 3 月12 日微震日报平面图Fig.12 Microseismic daily report plane on March 12

3.3 微震事件垂向分布特征

3.3.1 微震事件发育层段分析

此次监测周期内各层段发育趋势如图13 所示，主要发育在2 号煤以上、2 号煤底～野青下两个层段，仅在3 月8 日日报中出现一个野青底～山伏青层位事件。在工作面由窄变宽后，顶板、底板事件数量均有增加，且底板事件增幅明显大于顶板事件增幅。分析认为一方面原因是工作面宽度增大时，采动应力增大，微震事件响应随之明显，顶板围岩移动变形量增大，底板破坏范围增大，尤其在工作面来压时更为明显。另一方面原因是工作面由窄变宽区域，同时为物探坑透异常区叠加处，为断层向工作面延伸的地质异常区，在采动应力影响下，应力集中区随之向下扩展延伸，底板事件发生频次增大。

图13 各层段事件趋势变化图Fig.13 Each layer events trend

在本文的监测周期内，仅在3 月8 日日报中出现一个野青底～山伏青层段事件，此时工作面进入宽面推进了28 m，当日日报中微震事件数量较前期增加64%，达到一个新的小高峰，顶板最大发育高度为51.83 m，底板最深扰动为64.85 m。分析为进入宽面后的初次来压，采动压力释放剧烈，应力集中使得微震事件数量增加，扰动深度增加，但未波及到山伏青强含水层，未影响正常回采。

15240 工作面野青灰岩含水层与山伏青、大青灰岩含水层之间无水力联系或水力联系微弱。微震事件在此层段内呈聚集状分布，形成导水通道的可能性极低，如图14 所示。

图14 微震事件沿顺巷方向剖面图Fig.14 Microseismic events profile along the roadway direction

3.3.2 底板破坏深度分析

在充分认识采动过程的应力特征和变化规律的基础上，通过微震监测技术对其扰动产生的微震事件进行监测解释，分析微震事件垂向发育层段及分布特征，实时获取底板釆动破坏深度，为底板防治水工作提供指导意见。15240 工作面在回采前对煤层底板薄弱地段进行加固改造，使工作面奥灰含水层富水性进一步减弱，改造为相对隔水层，确保工作面安全开采。

根据监测周期内微震底板事件发育深度统计，在回采初期，底板发育深度平均值为11.1 m，由窄变宽之后，底板发育深度平均值是13.6 m。

根据施龙青[8]教授针对煤矿开采底板破坏问题，得到的非线性回归修正公式。

通过式（1） 分别计算底板破坏深度回采初期为10.7 m，由窄变宽后为13.8 m，见表1。

表1 微震监测底板破坏深度分析Table 1 Floor damage depth analysis under microseismic monitoring

3.3.3 顶板破裂发育高度分析

在采动活动进行过程中，围岩受到采动应力、地应力和静水压力等多方面的作用，出现不同程度的破坏。随着回采推进，形成采空区后，采场围岩的原岩应力场被破坏，使得围岩应力场会不断变化趋向再次平衡。采空区上覆岩层在失去支撑的情况下，受自身重力和地应力共同作用下向采空区移动，直到岩层内的应力场达到平衡[9]。研究微震顶板事件分布和破裂高度，对于工作面进行顶板水害防治工作、保障工作面安全有序开采，具有重要的指导意义。

根据回采过程中工作面内2 号煤以上事件发育高度进行3 个阶段统计，绘制成折线如图15 所示。3 个阶段内占比最大的均为0～10 m，且随着破裂发育高度的增大，呈现占比逐渐减小的倒梯形分布趋势。但在由窄变宽阶段明显顶板破裂发育高度增大，分析认为此阶段在采动影响下应力变化剧烈，覆岩结构瞬时突变集中破断，微震事件破裂发育高度10～20 m、30～40 m 所占比例明显增加。

图15 15240 顶板破裂高度变化折线图Fig.15 No.15240 face roof fracture height range line chart

3.4 微震事件能量分布特征

结合微震事件能量所做的趋势变化如图16 折线所示，窄面阶段能量较小。由窄变宽阶段，能量值大幅增大，结合大能量事件平面分布如图17所示，大能量事件主要分布在由窄变宽处（图中包络线范围内），占大能量事件总数的65.3%，分析认为原因是窄宽对接区域内应力场波动大、微震事件触发频次变高，围岩破碎活动频繁。结合监测周期内微震事件能量变化折线图与频次散点图（图17），呈现出“低频次、小能量”—“高频次、大能量”—“高频次、小能量”的变化趋势，这与围岩应力场被破坏—积聚—平衡这一过程是相吻合的。如图17 所示，随着工作面的正常推采，大能量事件密度由低变高，而后又逐渐降低。在“高频次、大能量”阶段矿方应注意加强水文地质观测。

图16 每日事件能量变化与频次示意Fig.16 Daily event energy range and frequency indication

图17 大能量事件（>10000 J） 平面分布图Fig.17 Large energy events plane distribution（＞10000 J）

整体分析认为，工作面较宽时能量大于工作面较窄时，在由窄变宽处有一个能量值突增的过程。且工作面变宽后，初期是采动应力增大，其能量值较高。在工作面变宽回采一段时间后，围岩应力重新进入动态平衡状态，能量释放变得舒缓，能量值有所下降。

4 结 论

（1） 不等长工作面的微震响应，具有阶段性特征。

（2） 不等长工作面由窄变宽阶段微震事件频次明显增大，能量增幅大，应力集中显现，应注意加强顶板支护，预防事故发生。

（3） 不等长工作面变宽之后，底板事件增幅大于顶板事件增幅，平均底板扰动深度增大。在由窄变宽阶段要注意加强工作面水文地质观测。