深部地质构造区冲击地压时空监测预警技术

韩正灿，石翔元，申银朋，张晓雷，陈海龙，朱广安

（1.陕西郭家河煤业有限责任公司，陕西 宝鸡 721500；2.西安科技大学能源学院，陕西 西安 710054）

0 引 言

随着开采深度的增加，受复杂构造、高地应力等因素影响，厚煤层诱发冲击、强矿震的危险性较高，大大增加了冲击地压防控工作难度。根据相关研究，冲击地压影响因素可分为地质构造和开采技术两部分，其中，地质构造影响因素包括断层、褶曲、煤岩相变等[1-2]。断层、褶曲等构造区经历漫长地质作用后本身应力集中程度高，受采动影响，地质构造影响范围扩大，导致冲击危险进一步升高。

在地质构造应力集中诱发冲击机理及防治研究方面，曹安业等[3]、井广成等[4]基于数值模拟和现场实测方法分析了褶皱构造区工作面回采期间顶板、煤层和底板的应力演化特征，探讨了褶皱构造区冲击地压发生机理。赵耀中等[5]基于地应力测试结果，分析了矿区地应力场类型及与构造分布的关系，反演了矿区地应力场的分布规律。贺虎等[6]根据华亭煤矿250102 工作面开采过程中微震监测数据，得出强矿震大部分发生在向斜轴部，向斜轴处冲击动力灾害危险高于其他位置。姜耀东等[7]通过数值模拟研究分析了断层附近矿山压力分布规律，断层面正应力变化总是早于剪应力，工作面距离断层越近或者下盘开采时，断层滑移危险程度越高。李振雷等[8]建立了断层煤柱型冲击地压力学模型，研究了断层区采动诱冲机制，并提出了针对性的防控措施。朱广安等[9]建立断层赋存条件下的孤岛工作面开采的数值模型，确定了断层滑移失稳的判定准则，总结了断层滑移失稳与冲击危险之间的关系。

上述研究为深部地质构造区冲击危险的监测预警提供了理论基础[10-12]。目前冲击地压监测预警采用区域监测和局部监测相结合的方式：区域监测主要采用微震监测；局部监测包括钻屑、应力、地音和电磁辐射等[13-16]。由于冲击动力灾害的复杂性，单一监测预警方法无法满足冲击动力灾害监测预警的需要，因此，多参量综合监测是目前应用较广泛的一种监测预警模式，将岩石力学与地球物理方法相结合[17-19]。

本文基于郭家河煤矿1309 工作面开采过程中微震分布规律，首先分析工作面开采期间矿震频次、能量变化及震源时空演化特征，进而分析冲击变形能指数时序演化规律，最终构建矿震时空演化中长期动态预警与冲击变形能短临时空预警相结合的冲击地压监测预警方法，以期为矿井后续工作面地质构造应力集中区冲击地压监测预警提供参考。

1 工程背景

1309 综放工作面位于郭家河煤矿I 盘区东翼，+820 m 水平，开采3#煤层。该工作面设计可采走向长度1 078 m，工作面长度为225 m（平距）。井下位置北侧为1307 工作面采空区，南侧靠近零点边界，西侧为1301 工作面采空区，东侧为Ⅱ盘区未开采区。1309 工作面布置情况如图1 所示。

图1 1309 工作面布置平面图Fig.1 Layout plan of 1309 working face

1309 工作面地质构造复杂，根据三维地震勘探资料和掘进情况分析，工作面有1 条断层（3DF12 断层），横贯整个工作面，对回采有一定影响；褶曲发育较多，起伏较大，共有2 个背斜（B2 背斜、B5 背斜），2 个向斜（X2 向斜、X6 向斜）。

2 矿震活动时空分布规律

目前，郭家河煤矿装备了SOS 微震监测系统，可根据连续记录煤岩体内出现的动力现象，预测煤矿动力现象危险状态。根据1309 工作面回采过程中地质构造附近的微震分布情况，为工作面地质构造区冲击危险预测提供依据。

2.1 微震时间序列分布

1）断层。1309 工作面内3DF12 断层地理位置及工作面过断层前后微震区域总能量-频次分布情况，如图2 所示。3DF12 断层（落差0～15 m）后方附近动载扰动较小，能量与频次均较低，而距离3DF12 断层前方200～300 m 处，能量与频次均达到峰值，对工作面回采影响较大，应及时采取卸压措施。

图2 工作面过断层前后微震能量-频次变化情况Fig.2 Variation of microseismic energy and frequency before and after the working face passes through fault

2）褶曲。1309 工作面褶曲位置及过X6 向斜、B5 背斜、X2 向斜和B2 背斜区域能量-频次分布如图3 所示。由图3（b）可知，由于X6 向斜位于工作面推进方向150 m 处，处于工作面初采阶段，受开采扰动影响较小，X6 向斜影响区域微震事件总能量、频次均较小；由图3（c）可知，B5 背斜后方50 m 和前方250 m 范围均出现微震能量-频次峰值，在背斜前方0～250 m 区域内影响显著；过X2 向斜时（图3（d）），前方100 m 范围内出现能量-频次峰值，在0～200 m动载扰动最为剧烈；B2 背斜位于1309 工作面推进方向750 m 处，处于工作面末采阶段，受开采扰动范围较大，动载扰动最为强烈的区域主要集中在背斜后方100 m 范围内，总能量与频次峰值也位于向斜后方。

图3 工作面过褶曲前后微震能量-频次变化情况Fig.3 Variation of microseismic energy and frequency before and after the working face passes through the fold

综上所述，向背斜构造区对工作面采动影响较大。从整体上看，该褶曲在−100～+250 m 范围内影响较为显著。

2.2 微震空间演化规律

依据1309 工作面推进距离进行划分，每推进100 m 利用微震数据进行定位，如图4 所示。由图4可知，工作面初采阶段微震事件较少，在工作面前方分散分布，无明显规律，当工作面推进至500 m 时（图4（b）），由于受到3DF12 断层、X2 向斜和B2 背斜地质构造复合影响，微震事件在工作面前方明显增多；当工作面推进至600 m 时（图4（c）），B2 背斜构造附近微震事件集中，主要集中在B2 背斜与巷道的交叉位置，多数为102J 微震事件和103J 微震事件；当工作面推进至900 m 时（图4（d）），由于工作面为末采阶段受回采扰动和B2 背斜的影响，在停采线附近巷道交叉区域出现应力集中现象，微震事件分布密集，103J 微震事件占总事件的24.93%，103J 微震事件的能量占总能量的85.38%。

图4 1309 工作面回采期间平面震源分布Fig.4 Microseismic distribution during the mining period of 1309 working face

3 冲击变形能时空短临监测预警

本文提出了时间序列的冲击变形能预警指标Wε，从时间上对当前冲击地压危险进行预警，指标构建见式（1）和式（2）[20]。

式中：N为上一次宏观破裂之后矿震事件总数，个；Ei为上一次宏观破裂之后第i次矿震事件所释放的能量，J；Eεt为冲击变形能的当前值，J；Eεl为冲击变形能的临界值，J；E0为冲击变形能的初始值，J，其默认设置为0。Wε=0～1，且当Wε分别处于0～<0.25、0.25～<0.50、0.50～<0.75、0.75～<1 时，对应冲击危险等级分别为无、弱、中等与强。

3.1 冲击变形能时序演化规律分析

对于工作面尺度的微震事件，当事件足够多时，工作面微震事件的能量及频次满足G-R 幂率关系，见式（3）。

式中：N为微震事件能量大于或等于E的微震事件频次，次；lgN为微震事件的频度；E为微震事件能量，J；lgE为微震事件的能级；a、b为常数。

取1309 工作面自开采以来至工作面回采前1 000 m 的微震事件进行分析（2021-03-30—2021-12-17），工作面每推进500 m 统计微震事件的能级-频度关系曲线，如图5 所示。

由图5 可知，1309 工作面回采前1 000 m 以来，微震事件能级/频度基本满足负相关关系，即微震事件的能级越高，该能级微震事件发生的次数越少。微震事件的能级-频度适中，曲线基本呈线性分布，斜率和截距基本恒定，微震事件能级最高为1.4×104J，无105J 级别大微震事件出现。由此可见，1310 工作面回采期间能量释放平稳，以工作面回采期间出现的最高能量的微震事件作为临界值，进行冲击变形能演化规律分析。绘制1310 工作面回采前1 000 m 微震事件的冲击变形能时序曲线进行分析，如图6 所示。

图6 1309 工作面回采前1 000 m 冲击变形能时序曲线Fig.6 Time series curve of bursting strain index for mining 1 000 m of 1309 working face

由图6 可知，若以9 790 J 级别微震事件作为评判工作面高能量释放的临界值，1310 工作面回采前500 m 整体位于冲击变形能预警阈值以下，仅有1 个时段达到了1.0 的预警阈值，为4 月19 日，所对应工作面推进度为319 m，但预警时段内工作面未出现104J 以上微震事件，这表明1310 实体煤工作面回采前500 m 矿压非常平稳。1310 工作面回采前500～<1 000 m 时，同样只有1 个时段达到了冲击变形能预警阈值，为10 月11 日，所对应工作面推进度为744.6 m，工作面出现了9 930 J 较大能量微震事件，且在后续10 月17 日，工作面又出现了8 680 J 较大能量的微震事件，对应采掘工程平面图，这段时间为工作面由实体煤回采进入临空工作面的外错区域，受拐角煤柱区域的应力叠加影响，大能量事件的出现次数明显高于前期实体煤回采区域，表明10 月11 日—10 月17 日这段时间是一个能量积聚期，工作面受到的动力扰动能量和频次均明显提高，可以将此项指标用于工作面外错等应力异常区域的冲击危险性分析。

3.2 冲击变形能空间演化规律分析

定义空间上的冲击变形能指数为单位面积、单位时间内的应变能量总和，可通过该指标来描述微震事件造成的区域震动场能量积聚程度。同时为了使结果更为精细化，便于定量描述，对最终结果进行对数处理，见式（4）。

式中：Ei为落入统计区域内第i个矿震的能量，J；S为统计区域面积，m2；T为统计时间，d。

为统计1309 工作面在向斜、背斜、断层等构造异常区域的能量释放情况，绘制工作面每推进50 m的冲击变形能指数云图，统计区域与震源定位区域相同，统计滑移半径取30 m，网格划分间距取10 m。得到1309 工作面推进前1 000 m（2021 年3 月8 日—2021 年12 月17 日）的冲击变形能空间演化云图，如图7 所示。

图7 1309 工作面回采过褶曲和断层期间冲击变形能空间分布云图Fig.7 Spatial distribution of bursting strain energy when 1309 working face passing through the fault and fold

由图7 可知，1309 工作面回采期间能量积聚规律如下所述。①4 月8 日—4 月17 日，1309 工作面推进度为150～<200 m，能量释放集中区位于B5 向斜轴部和X2 向斜轴部区域，工作面整体能量释放集中区面积相比之前增大，推测主要受超前支承压力与褶曲轴部应力集中影响。分析表明，1309 工作面推进150～<200 m 无来压现象，B5 向斜轴部和X2 向斜区域为相对高应力区。②4 月28 日—5 月12 日，1309工作面推进度为250～<300 m，工作面当前推进区域与褶曲、断层距离较远，推进区域及褶曲、断层区域均无明显能量释放，工作面整体能量释放集中区面积较小。③5 月13 日—5 月26 日，1309 工作面推进度为300～<350 m，工作面当前推进区域位于B5 背斜前50 m，3DF12 断层前80 m，工作面推进区域及B5 背斜、3DF12 断层区域和X2 向斜轴部均出现了大面积应力集中区，高应力区面积相比上一阶段明显增加。④5 月27 日～6 月4 日，1309 工作面推进度为350～<400 m，工作面过B5 背斜轴部，与3DF12 断层距离约为30 m。工作面当前推进区域与3DF12 断层前50 m、B2 背斜轴部区域均出现了大面积应力集中区，3DF12 断层前应力集中程度升高，但工作面整体高应力区面积相比上一阶段减小。该推进度下能量释放集中区主要集中于工作面中部，以及工作面靠近临空侧的宽煤柱区域。⑤7 月4 日—7 月14 日，1309 工作面推进度为500～<550 m，工作面当前推进区域位于X2 向斜前50 m，B2 背斜前200 m。工作面当前推进区域与X2 向斜前后50 m、B2 背斜轴部、翼部区域均出现了大面积应力集中区，工作面整体高应力区面积相比上一阶段急剧增加。

4 结 论

1）提出了一种将矿震时空演化中长期动态预警与冲击变形能短临时空预警相结合的冲击地压监测预警方法，可实现深部地质构造应力集中区冲击危险的有效监测预警。

2）微震时空分布规律表明，落差15 m 左右的断层在褶曲构造的叠加影响下，影响范围可达到80 m，褶曲、断层影响范围内工作面可出现较为明显的应力异常区。

3）冲击变形能空间分布规律表明，X2 向斜应力集中区影响范围约为50 m；倾角较大的B2 背斜应力集中区影响范围可达到200 m；背斜、向斜与超前支承压力、采空区侧向支承压力叠加后，会造成工作面大面积来压，出现大面积应力异常区。