顶板疏水对微震事件分布规律影响研究

芦盛亮，司广宏，郝 军

（潞安化工集团 余吾煤业公司，山西 长治 046000）

1 概 况

工作面顶板高压含水层的存在给工作面安全生产带来了较大隐患。为了保证安全生产，需要对顶板富水区进行采前疏水降压工作[1-3]。然而，在疏水降压后，工作面顶板可能会在一些范围内出现矿压显现现象，引发一系列问题。

鄂尔多斯矿区的一些深部巷道在顶板疏水过程中出现了明显的动力现象。为了评估顶板疏水的矿压变化，采用微震监测手段对疏水后开采进行监测，发现在富水区的外或边缘出现了大量微震信号。一些煤矿在工作面接近富水区时，发现每天都有105J 的大能量微震事件。为了进一步评价富水区疏水降压对矿压显现的影响，需要定量化分析微震信号和疏水降压支架的关系[4-5]。本文结合余吾煤业N1105 工作面疏水降压过程，探究矿压显现与微震信号的关系。

2 N1105 工作面顶板疏水情况

根据瞬变电磁勘探及现有水文地质资料，余吾煤业N1105 工作面顶板含水层主要为3 号煤层顶板、K8 及K10 砂岩含水层，工作面顶板富水情况如图1 所示。工作面回采前已施工完成38 个顶板放水孔，顶板疏水孔布置如图2 所示，累计放水量约6.4 万m3，各孔疏放水量见表1 和表2。N1105工作面回采过程中预测最大涌水量为150 m3/h，正常涌水量为50～80 m3/h。

表2 N1105 工作面回风顺槽顶板疏水情况Table 2 The roof drainage of return air roadway in No.N1105 Face

3 工作面回采过程富水区内外微震事件分布

为了探究疏水后的矿压显现情况，对N1105工作面回采过程进行微震监测。共布置5 个微震监测点，分别为T25、T6、T7、T9 和T10，具体位置如图3 所示。

图3 微震监测点的布置Fig.3 Arrangement of microseismic monitoring points

图4 为N1105 工作面整个回采过程所有微震事件分布特征，浅色点表示监测到的微震事件的全部位置。图5 为N1105 工作面整个回采过程大于103J 微震事件分布特征。图4、图5 中阴影部分为顶板富水区域，工作面回采前对富水区施工了大量疏放水钻孔，富水区砂岩裂隙水基本被疏干。

图4 回采过程所有微震事件分布Fig.4 Distribution of all microseismic events in mining process

图5 回采过程大能量微震事件分布Fig.5 Distribution of large energy microseismic events in mining process

由图4 和图5 可以看出，工作面回采过程大能量微震事件大部分产生在富水区域边缘及以外区域，富水区内较少。微震事件的能量越大，工作面上方的岩体破碎越剧烈，矿压显现也就越明显。这表明在疏水后，富水区的应力向周围发生了转移，在开采时采动应力的作用下富水区边缘及外部发生了剧烈的矿压显现。

为了研究大能量微震事件的具体情况，分别对富水区内、富水区外及富水区边缘的大能量微震事件个数及所占比例进行了统计，如图6 所示。

图6 富水区内外大能量微震事件个数及比例Fig.6 Number and proportion of large energy microseismic events inside and outside the water abundance area

由图6 可知，在富水区外共发生236 次大能量微震事件，占微震事件总个数的73%；在富水区内共发生35 次大能量微震事件，占微震事件总个数的11%；在富水区边缘共发生53 次大能量微震事件，占微震事件总个数的16%。因此可以看出，N1105 工作面回采过程中，大能量微震事件主要分布在富水区边缘及富水区外，在富水区内微震事件较少。这在一定程度上说明在进行疏水降压后，富水区是应力降低区，在回采过程中发生的矿压显现的可能较低；富水区边缘及其外部是应力升高区域，在回采过程中较为容易发生矿压显现。

在N1105 工作面回采期间，统计了富水区内、外区域微震事件各指标变化规律，如图7 和8 所示。

图7 富水区内外各微震日累计频次变化规律Fig.7 The variation lawof daily cumulative frequency of microseismic events inside and outside the water abundance area

图8 富水区内外各微震日累计能量变化规律Fig.8 The variation lawof daily cumulative energy of microseismic events inside and outside the water abundance area

由图7 和8 可以看出，顶板疏水影响着N1105工作面微震事件的分布规律。具体表现为在富水区边缘外150 m 范围内的微震事件总个数具有多于富水区内的趋势；在富水区边缘外150 m 范围的微震事件总能量具有大于富水区内的趋势。因此，总体分析可见，在富水区边缘外150 m 范围内的各微震指标数值普遍高于富水区内，并且在富水区的2 个边缘外呈现各微震指标数值先增大后减小的趋势，峰值距富水区边缘70～80 m。说明疏水区是应力降低区，其应力向周围发生了转移，使得富水区边缘和外部更容易发生微震事件。

通过以上工作面回采过程微震事件的分布特征，可以发现顶板疏放水使得煤岩层原岩应力重新分布，进而影响着微震事件的分布规律，总体表现为在富水区内大能量微震事件较少，各微震监测指标数值较低，在富水区边缘一定范围内大能量微震事件较多且各微震监测指标数值较高。因此，微震事件的频次和能量可以在一定程度上反映疏水降压后的矿压显现情况，矿压显现越剧烈，微震事件的频次和能量越剧烈。在疏水区域外，矿压显现比较剧烈，应根据实际情况，做好相应的支护措施，以免发生矿井动力灾害。

4 结 语

通过对余吾煤业N1105 工作面顶板疏水后回采过程中微震监测进行监测，对不同位置和回采阶段的微震事件进行了统计，分析了微震事件的个数、能量和频次分布规律。研究发现，在富水区边缘及其外部微震事件的个数和能量远大于富水区域内部，微震能量的峰值距富水区边缘70～80 m，表明在对顶板疏水后，富水区域内会形成应力降低区，其应力会向周围转移，导致周围区域发生矿压显现。因此，可以根据微震监测的信号对顶板疏水引发的矿压灾害进行定向防治。