千米深井大能量事件多因素耦合分析

赵 丞 ，王 永 ，李志深 ，王 涛 ，王维斌 ，盖德成 ，于海峰 ，王存文 ，陈 洋 ，董春雨 ，吴陈贺

（1.北京科技大学 土木与资源工程学院, 北京 100083；2.山东李楼煤业有限公司, 山东 菏泽 274900；3.济宁矿业集团公司 安居煤矿,山东 济宁 272059；4.山东能源集团有限公司, 山东 济南 250014）

0 引 言

冲击地压是严重威胁矿山安全生产的煤岩动力灾害之一，具有突发性、复杂性等特点[1]。随着煤矿开采深度的增大，煤岩体的原岩应力水平逐渐增加，加之其他致灾因素，例如断层、褶曲等地质构造、开采强度、开采布局等的叠加影响，冲击地压的危险性越来越大，发生机理更加复杂，监测预警难度进一步增大[2]。为此，基于微震监测结果[3]，分析诱发冲击地压的因素。

微地震监测技术[4]的基本原理是：应力作用下的岩石破裂，产生微震和声波，通过在矿区顶底板上布置多组地震检波器，实时记录微地震数据。经过数据处理后，采用震动定位原理，确定断裂位置并显示在三维空间中。国内外众多学者对微震活动特征开展了卓有成效的研究[5-14]，姜福兴等[15]利用微震监测技术揭示了采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系，并提出了由微震事件分布推断区段煤柱稳定性的方法；夏永学等[16]基于微震监测系统研究了微震活动与煤岩破裂及应力分布特征的关系，提出了微震预测预报冲击地压的5 个指标；潘一山等[17]对大型逆断层区域的微震事件进行科学的统计分析总结出了开采活动对断层活化的影响规律。窦林名等[18]结合微震法的冲击危险定性和定量评价方法，建立了冲击危险专家诊断系统，实现了通过矿震冲击灾害远程在线预警平台防治冲击地压。上述研究表明，微震监测技术在冲击地压的发生机理，预测防治领域取得了显著的成果，但针对微震大能量事件诱发冲击地压的发生涉及较少。基于千米深井厚煤层工作面发生的大能量事件开展微震活动规律的研究，研究结果对类似条件下的冲击煤层安全回采具有借鉴意义。

1 矿井概况

山东某矿冲击危险区域共安排2 个采煤工作面生产、2 个掘进工作面掘进，分别为1303 工作面、1302（上）工作面、1306 运输巷、一采区辅助联络巷。共发生能量102J 以上微震事件12 921 个，各区域微震频率分布为1302（上）工作面5 326 次，1303 工作面6 633 次，1306 工作面412 次，其他地点412 次，具体分布如图1 所示。主要以研究1302（上）及1303 工作面为主。1302(上)工作面平均采深740 m；1303 工作面平均采深950 m，两工作面采用综放开采，工作面布置如图2 所示。

图1 各区域微震事件频次及能量分布情况Fig.1 Frequency and energy distribution of microseismic events in various regions

图2 工作面布置Fig.2 Plan view of working face position

2 大能量事件影响因素分析

根据现场监测分析可知，诱发大能量事件的因素主要有：支承压力、工作面“见方”、断层及回采速度等影响，以下作详细分析。

2.1 微震事件能量、频次与支承压力的关系

对2 个工作面支承压力分布规律研究主要采用微震监测，具体分析如图3、4 所示。1302（上）工作面采动影响范围约为170 m，超前应力峰值约为70 m。根据图3b 可知，微震事件主要分布在沿空巷道附近，整体向采空区一侧偏移，说明微震事件的发生受临近采空区的影响十分明显，沿空侧煤体应力明显高于实体煤侧。1303 工作面超前支承压力影响范围200 m，峰值约为80 m 位置。根据图4b 可知侧向分布形态呈双峰型，沿空侧应力集中程度高于实体煤一侧。

图3 1302（上）工作面微震能量与频次分布规律Fig.3 Law of microseismic energy and frequency distribution at 1302 (top) working face

图4 1303 工作面微震能量与频次分布规律Fig.4 Law of microseismic energy and frequency distribution at 1303 working face

2.2 微震事件能量、频次与回采位置和断层的关系

1302（上）工作面过断层前，大于104J 大能量微震事件在频次和能量上有所上升，102J、103J 级小能量事件则有所降低；1303 工作面见方前，微震事件频次和能量逐渐增高，见方后趋于平稳；在过断层前，微震事件逐渐升高，过断层期间急剧下降，过断层后逐渐趋于平稳。具体如图5 所示。

图5 回采过程中能量与频次的分布Fig.5 Distribution of energy and frequency in the process of mining

2.3 微震事件频次、能量与回采速度的关系

为了增加区分度，回采速度放大十倍进行展现。图6 可知，在排除“见方”和过断层期间大能量事件下，随着回采速度的提高，累计能量逐渐升高，说明推进速度与释放能量成正比。当1302（上）回采速度为50 m/月，1303 工作面回采速度为60 m/月时，频次与能量最大，因此为减少大能量事件的发生，后续生产中1302（上）与1303 工作面的回采速度应控制在50 m/月与60 m/月以内。

图6 微震能量及频次与回采速度的关系Fig.6 Relationship between microseismic energy and frequency and mining speed

3 多因素耦合分析

3.1 大能量事件发生位置

2020 年1302（上）工作面发生104J 以上微震事件19 次；自2020 年至2021 年2 月28 日，1303 工作面发生104J 以上微震事件31 次。在工作面推进方向上，1302（上）工作面（一侧采空）大能量事件发生在工作面前方170 m 范围内；1303 工作面（两侧实体）大能量事件基本在工作面前方200 m 范围内，受煤层大直径钻孔预卸压施工扰动影响，发生了5 次大能量事件。

3.2 能量积聚型大能量事件分析

震源超前1302（上）工作面21 m，位于胶带巷道里侧35 m，距离FJ34 断层距离为132 m，震源标高-774 m，位于底板下6 m 处，能量3.3×104J。

根据图7 所示的能量演化规律，“03·01”大能量事件的诱发是由于工作面停产6 d 造成采场周边能量积聚，恢复时能量突然释放。

图7 “03·01”事件微震能量场演化规律Fig.7 The evolution law of the microseismic energy field of the “03·01”event

为防止能量积聚型大能量事件的发生，在工作面恢复生产前应采取大直径钻孔卸压，如图8 所示。施工参数为自停采处，沿区段平巷两帮，距当前停采处工作面以外200 m 范围内实施大直径卸压钻孔，每帮钻孔沿煤层单排布置，钻孔直径为125 mm，孔深为25 m，钻孔间距D为1 m，卸压钻孔至巷道底板的距离为1.5 m。大直径钻孔卸压后，利用钻屑法检测卸压效果。若仍存在冲击危险，可在两个钻孔中间补打大直径卸压钻孔。补打大直径钻孔卸压后，若危险仍无法解除，则采用爆破卸压。同时在复产初期，回采速度不应过大，应逐渐提高回采速度，并分析微震、应力在线等监测数据，逐渐达到合理的回采速度。

图8 能量积聚型事件防控布置Fig.8 Layout of the prevention and control of energy accumulation events

3.3 断层活化型大能量事件分析

震源超前1303 工作面71 m，位于胶带巷道外侧13 m，距离Yf19 断层最近距离为71 m，震源标高-919 m，位于煤层中，能量4.8×104J。大能量事件发生位置如图9 所示。

图9 “06·29”大能量事件发生位置Fig.9 Location of “6·29”large-energy event

“06·29”大能量事件其诱发是由于该区域处于Yf19 断层、Yf9 断层尖灭区域，断层残余构造应力造成1301 工作面、1303 工作面煤柱应力集中；且1303 工作面处于周期来压阶段，基本项的周期性断裂造成上覆岩层压力向工作面前方转移，诱发了大能量事件(图10)。

图10 “06·29”事件微震能量场演化规律Fig.10 The evolution law of the microseismic energy field of the “06·29”event

为了防止此类大能量事件的发生，针对断层影响区域制定预卸压措施，布置方式如图11 所示。具体布置参数如下：超前工作面200 m，对断层以里100 m 和断层以外30 m 范围内巷道两帮实施大直径钻孔预卸压，钻孔直径为150 mm，钻孔间距1 m，钻孔深度30 m，卸压钻孔至巷道底板的距离为1.5 m，同时加强断层区域支护和监测。

图11 断层活化型事件防控布置Fig.11 Layout of the prevention and control of fault-activated events

3.4 孤岛结构型大能量事件分析

第一次发生在2020 年12 月18 日，震源超前1302（上）工作面15 m，位于轨道巷道里侧25 m，距离FY12 断层最近距离为70 m，震源标高为-817 m，位于煤层中，能量为8.7×104J。第二次发生在2020年12 月15 日，震源超前1303 工作面294 m，位于运输巷外侧70 m，距离Yf18 断层最近距离32 m，震源标高-949 m，位于底板下24 m，能量4.8×104J。第三次发生在2021 年2 月8 日，震源超前1303 工作面93 m，位于运输巷外侧1 m，距离2 号联络巷最近距离为84 m，震源标高-922 m，位于顶板上12 m，能量2.5×105J。

结合其能量场演化规律，如图12 所示，分析三次大能量事件的诱发原因。“12·18”大能量事件主要分布在1302（上）工作面前方邻近1302 工作面终采线附近，分析其诱发是由于1302（上）工作面回采位置距离1302 采空区的停采线仅剩余24 m，1302（上）、1302 与FY12 断层形成类孤岛煤体，随着工作面的推进，类孤岛煤体的面积减小，而总应力不变，单位面积上的应力增加，造成前方煤岩体应力集中程度增大，致使前方煤体产生剪拉混合破裂。“12·15”大能量事件主要分布在1303 工作面前方两巷道、Yf18 断层以及2 号联络巷形成的孤岛结构内，其诱发原因是由于1303 工作面两巷道、Yf18 断层与2号联络巷形成孤岛结构，与工作面超前支承压力叠加，形成高应力区。“02·08”大能量事件主要分布在工作面前方Yf18 断层、2 号联络巷等形成的孤岛结构内，分析其诱发原因主要有两方面，一是1303 工作面地应力水平高。工作面埋深-980～-1 025 m，自重应力高；一采区位于八里庄断层与田桥断层控制的地垒构造内，区域构造应力集中；区域主水平应力为34.5 MPa，与巷道夹角为75°。二是区域采动应力高，工作面两巷道、Yf18 断层与2 号联络巷形成应力孤岛结构，与工作面超前支承压力叠加，形成高应力区。

图12 孤岛结构型大能量事件能量场演化规律Fig.12 Evolution law of the energy field of island structured large-energy events

对于孤岛结构型大能量事件的防控从降低围岩应力和软化煤岩物理力学性质两个方面着手。具体为在孤岛结构煤体区域，沿两巷道回采帮，实施大直径钻孔卸压。每帮钻孔沿煤层单排布置，钻孔直径为150 mm，孔深为30 m，钻孔间距D为3 m，卸压钻孔至巷道底板的距离为1.5 m。同时在卸压孔之间布置爆破孔，爆破孔直径为42 mm，深度为20 m，距离底板为1.5 m，布置参数如图13 所示。

图13 孤岛结构型事件防控布置Fig.13 Layout of island structure type events prevention and control

3.5 大能量事件震源机制分析

对选择的5 个代表性大能量微震事件的震源破裂机制[19-20]进行了分析，分析事件的破裂方式、角度以及破裂半径，大能量微震事件微震机制解及参数见表1，得出李楼煤矿大部分的大能量事件发生在超前支承压力影响范围内，部分大能量事件见方效应与超前支承压力相互作用、超前支承压力和断层相互耦合作用诱发，具体可划分为：断层附近顶板岩层的张拉断裂，工作面前方煤体的剪切、剪拉混合破裂，底板岩层的张拉、剪切断裂等。

表1 大能量微震事件微震机制解及参数Table 1 Microseismic mechanism solutions and parameters of high-energy microseismic events

结合其震源定位，见表2，在走向方向上，5 次大能量事件均发生在工作面前方。最近的发生在超前工作面15 m 处的煤层中，1302（上）工作面回采接近1302 采空区终采线位置，1302 未完全回转下沉的高位岩梁与1302（上）采空区覆岩联动，形成“S”型覆岩结构，应力向1302（上）工作面运输巷位置转移，由于前方FY12 断层的阻隔，造成该处煤体应力集中，引发了此次大能量事件；最远位置处于超前工作面294 m 处，由于钻孔卸压及断顶爆破的影响，顶板断裂下沉，应力向工作面前方转移，致使Yf18 断层活化，造成应力释放，引发此次大能量事件。

表2 代表性微震大能量事件清单Table 2 List of representative microseismic large-energy events

4 结 论

1）1302（上）工作面采动影响范围约为工作面后方30 m 至工作面前方170 m，超前应力峰值约为工作面前方70 m，侧向上整体向采空区一侧偏移；1303 工作面采动影响范围为工作面后方15 m 至工作面前方200 m，超前应力峰值约为工作面前方80 m，受宽煤柱影响，侧向上运输巷应力集中程度较高。

2）工作面“见方”或前方遇断层时，存在应力异常区域。工作面“见方”前，微震事件频次和能量逐渐增高，“见方”后趋于平稳；在过断层前，微震事件逐渐升高，过断层期间急剧下降，过断层后逐渐趋于平稳，事件峰值位置距离“见方”前或断层前40 m左右。

3）当1302（上）回采速度为50 m/月，1303 工作面回采速度为60 m/月时，频次与能量最大，为减少大能量事件的发生，后续生产回采速度应不超过极限开采速度。

4）大部分的大能量事件发生在超前支承压力影响范围内，部分大能量事件见方效应与超前支承压力相互作用、超前支承压力和断层相互耦合作用诱发，具体可划分为：断层附近顶板岩层的张拉断裂，工作面前方煤体的剪切、剪拉混合破裂，底板岩层的张拉、剪切断裂等。根据诱发条件可将大能量事件划分为“能量积聚型”、“断层活化型”及“孤岛结构型”大能量事件。