大埋深工作面微震活动规律研究

杨波

（1.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；2.河北省矿井微震重点实验室，河北 邢台 054000）

0 引言

煤炭作为一种地球上蕴藏量最丰富，分布范围最广的化石燃料，是我国经济发展的重要支柱，并且在可预见的未来里，煤炭在我国的能源结构中仍将占据重要位置。近年来我国国民经济以及电力、建材、冶金、化工等行业高速发展，对煤炭的需求大幅度增加，从而导致当前我国对煤炭的开发强度较大[1]。

在煤炭开采过程中面临各种复杂的地质条件，煤炭深部开采底板水害防治形势日益严峻[2]。为了有效预防矿井水害的发生，需要对回采工作面进行实时、动态、连续监测。微震监测技术是近年来逐渐发展并成功应用起来的一种新的煤矿物探监测技术，通过在大型煤矿井下进行提前施工埋设的大型高灵敏度检波器对工作面进行监测，从而判断煤岩体受力及破坏特征[3]，为工作面安全回采提供依据。

本文通过对邢东矿现场调研，结合矿区相关资料，在12210 工作面建立高精度微震监测系统，从而获取该工作面微震监测数据。以原始数据为基础，对监测到的微震信号进行定位，获得监测区域岩体破裂位置的分布，研究工作面回采过程中微震事件分布规律及数量特征，从而指导该矿区工作面煤炭资源的安全开采。

1 工程概况

邢东矿位于河北省邢台市东北约4 km 处，北距邢州大道1.2 km，东距京深高速公路3.2 km，西部毗邻市区，井田面积约14.5 km2，12210 工作面位于12212 工作面以北，1224 工作面以南，1200集中运输巷以东。

12210 工作面标高为-729 —-813 m，主采煤层为2 号煤，煤层平均厚度为4.6 m，工作面走向长度327.8 m（推进长度302 m），倾向宽61 m，采用走向长壁式或短壁式一次采全高综合机械化采煤，顶板管理采用充填法，矿井采用中央并列抽出式通风方法，属低瓦斯矿井。

12210 工作面采用超高水充填开采工艺，可有效降低底板破坏深度和范围，主要受顶板水、底板水、断层水、采空区积水等水害威胁，虽然已制定防治措施，但在回采过程中仍要加强水害监测。在工作面安装微震监测系统，通过高精度微震监测技术在岩体采动过程进行实时、动态、连续监测，建立矿井突水危险区域，可以提前做出预警，避免矿井突水的发生，实现工作面安全回采[4]。

2 微震监测系统构建

拾震传感器网络的空间阵列布置是影响微震监测数据可靠性和有效性的关键因素。以往工程实践表明，拾震传感器阵列布置成趋向于立方体形状的网络是比较理想的微震监测系统布置方案，才能量保证系统具有良好的灵敏度和定位误差[5]。

12210 工作面微震监测系统共计布置9 个GZC10 检波器，运料巷4 个、运输巷4 个、1200集中运输巷1 个，相邻检波器间距100 m；共计布置1 个KJ1073-Z 监测分站（图1）。检波器采用深孔安装，其优点是与围岩耦合度较高，受干扰程度低，有利于提高垂向定位精度，可对采空区一定范围控制，检波器需要埋置在钻孔中，钻孔具体位置及施工参数见表1。

表1 12210 工作面钻孔布置统计表Table 1 Drilling layout statistics table of No.12210 Face

图1 邢东矿12210 工作面微震监测阵列Fig.1 Microseismic monitoring array of No.12210 Face in Xingdong Mine

3 微震监测结果分析

3.1 微震事件空间分布规律

微震信号蕴藏着丰富的煤岩物理信息，其频次、时间- 空间、能量发育规律等反应了煤岩的应力状态、变形破裂演变过程等重要信息。分析已收集到的微震事件，将2022 年4、5、6 月微震事件将其展示在平面图（圈内微震事件表示可能受构造影响产生的微震事件及随着时间推移持续存在的微震事件），如图2 所示。

图2 微震事件平面分布Fig.2 Plane distribution of microseismic event

由图2 可知，微震事件主要集中在回采工作面内及工作面周围的断层附近。其中回采工作面回采工作面内的微震事件发生位置随着工作面推进有规律的向前移动，具有明显的时空迁移性，主要是由于煤层回采过程中，在地层应力作用下，工作面回采位置前方覆岩中产生大量微小破裂，煤层回采后，采空区上方产生微小破裂的岩石在地层应力及自身重力作用下发生垮落及破裂，从而导致产生的微震事件随着采线前移；远离采线的时候工作面内的断层附近持续出现微震事件，可能由于采动影响导致断层活化、应力集中从而产生微震事件；5 月份期间工作面上方断层附近持续出现微震事件，可能由于采线外工作面及两巷外侧断层密集，应力集中，随着采线的推进产生微震事件。

采线附近的微震事件如图3 所示。由图3 可知，工作面前方0 ～80 m 微震事件较为密集，表明该区段煤岩体活动剧烈，分析回采扰动影响；两侧巷道超前采线存在微震事件可能受到超前支承压力的影响；采线后方的充填采空区微震事件较为密集且随着充填活动转移而转移，表明充填过程中对附近的围岩产生一定扰动从而发生微震事件，但整体活动率较低，且充填结束后逐渐稳定。

图3 采线附近微震事件分布图Fig.3 The distribution of microseismic events near the working face

3.2 顶板破裂高度及底板扰动深度聚类分析

在回采过程中，顶板悬露面积随着增大，岩层也会受到一定破坏而发生变形，进而使得顶板含水层存在潜在风险。研究微震顶板事件分布和破裂高度，对于工作面进行顶板管理工作、保障工作面安全有序开采，具有重要的指导意义。对12210 工作面监测期间顶板破裂高度数据进行系统聚类，根据占比的差异性将顶板破裂高度数据分为6 类，聚类结果见表2。由表2 可知，顶板0 ～10.3 m 微震事件分布最为密集，占顶板事件总数的74.17%，随着破裂高度的增加，微震事件频次整体下降；微震事件主要集中在0 ～39.50 m，占顶板事件总数的95.41%，表明在0 ～39.50 m 内，顶板破坏较为严重。

表2 顶板破裂高度系统聚类Table 2 System cluster analysis of roof fracture height

为保证下组煤工作面回采安全，煤层底板破坏深度的确定非常关键。煤层底板奥陶系灰岩裂隙普遍发育且富水性强，若煤层回采过程中，煤层底板破坏深度过大，导通承压水导升带或与高承压含水层耦合破坏隔水层，工作面将发生底板突水，因此底板破坏深度的确定对下组煤开采非常重要[6]。通过微震监测，分析微震事件的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。对12210 工作面监测期间底板扰动深度数据进行系统聚类，将底板扰动深度数据分为6 类，聚类结果见表3。由表3 可知，底板0 ～13.6 m 微震事件分布最为密集，占底板事件总数的76.92%，随着扰动深度的增加，微震事件频次呈下降趋势，95.85%微震事件分布在煤层以下31 m范围内，表明在此区间底板破坏较为严重。

表3 底板扰动深度系统聚类Table 3 System cluster analysis of floor disturbance depth

3.3 过断层探巷时微震响应特征

12210 工作面在开拓过程中，迫于其特殊地质条件不可避免地在平行巷道间布置了联络巷用于通风、运料、行人等。由于探巷靠近断层，此区域属于工作面薄弱区域，在回采过程中应加强微震监测。

如图4（a） 所示，采线未推进至探巷附近时，微震事件已在此处零星分布；图4（b） 所示，由于巷道埋深大，应力较集中，支护强度相对较高，致使围岩体本身积聚了大量的应变能，深部巷道围岩具有蠕变性质，随时间推移，岩石发生破裂扩展导致微破裂事件，探巷附近微震事件增多；图4（c） 所示，随着工作面的推进，探巷附近的微震事件与工作面前方的微震事件开始出现联通迹象；图4（d） 所示，回采所产生的微震事件与此区域联通；图4（e） 所示工作面开始通过探巷，在采动应力及断层影响下，微震事件频次增加；图4（f） 所示工作面通过探巷期间由于推进速度缓慢，周围围岩应力长时间的释放，微震事件分布在探巷附近且相对减少；如图4（g） 所示工作面通过探巷后，探巷附近区域微震事件逐渐消失，微震事件主要分布在断层附近。

图4 过断层探巷期间微震响应特征Fig.4 Microseismic response characteristics during working face passing through fault exploration roadway

3.4 回采速度与微震事件相关性分析

研究表明，回采进度、微震事件频次、顶底板事件个数、顶板破裂高度、底板扰动深度存在一定的相关性[7-8]，但在此方面定性研究较多，定量研究较少，本节主要通过对各指标间的定量研究，选取2022.3.15—2022.5.10 期间的微震监测数据（回采过断层前，该阶段微震事件主要受回采扰动影响），运用皮尔逊相关系数来分析它们之间的相关性，结果见表4。

表4 回采速度与微震事件相关性分析Table 4 Correlation analysis of mining speed and microseismic events

由表4 可知，回采速度与微震事件总数、顶板事件数、底板事件数呈极显著正相关，与底板扰动深度最大值呈极显著负相关，说明微震事件总数、顶板事件数、底板事件数随着回采速度的增加而增加，底板扰动深度最大值随着回采速度增加而减小，相关系数分别为0.568、0.547、0.568、-0.376；微震事件总数与顶板破裂高度最大值呈显著正相关，与底板扰动深度最大值呈极显著负相关，说明微震事件总数越多，顶板破裂高度越大，底板扰动深度最大值越小，相关系数分别为0.292、-0.547；顶板事件个数与顶板破裂高度最大值呈显著正相关，说明顶板事件个数越多，顶板破裂高度最大值越大，相关系数为0.295；底板事件个数与底板扰动深度最大值呈极显著负相关，说明底板事件个数越多，底板扰动深度最大值越小，相关系数为-0.592。

4 结论

（1） 微震事件主要集中在回采工作面内、工作面内的断层及两巷外侧断层周围，考虑与采矿活动、采动影响下断层活化导致应力集中有关。

（2） 微震事件大多集中在顶板0 ～39.50 m 及底板0 ～31 m，分别占顶底板事件总数的95.41%、95.85%。

（3） 监测期间随着采线推进SF84-3、SF84-2断层，受采动应力和断层构造的叠加影响，微震事件位置及数量出现相应变化，该区域属于工作面的薄弱区域。

（4） 回采速度对微震事件总数、顶板事件数、底板事件数、底板扰动深度最大值存在一定影响。