微震監(jiān)測地質(zhì)異常對工作面回采影響分析

張愛華，陳建東

（1.中煤新集能源股份有限公司 新集二礦，安徽 淮南 232000；2.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺 054000；3.河北省礦井微震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺 054000）

0 引言

底板突水是煤礦開采過程中遇到的主要水害之一，近年來隨著轉(zhuǎn)入深部開采，底板水害防治形勢日益嚴(yán)峻[1]。尤其應(yīng)力擾動接近隱伏導(dǎo)水構(gòu)造、裂隙薄弱帶，各含水層段連通發(fā)展的趨勢增強(qiáng)。斷層、陷落柱、隱性裂隙帶等地質(zhì)異常體易受外界活動擾動而誘發(fā)突（涌）水等礦井水害，監(jiān)測這些地質(zhì)異常體在采動過程中的活化過程、探討其活化規(guī)律和機(jī)制，對減少該類地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

查明地質(zhì)及水文地質(zhì)條件是工作面安全開采的基礎(chǔ)[2-3]，開展隱蔽致災(zāi)因素探查，查明各類致災(zāi)“隱伏地質(zhì)異?！?，避免采掘誤揭造成重大安全事故。受外來推覆構(gòu)造影響，新集二礦地面三維地震資料品質(zhì)相對較差，致使煤系地層及下伏隔（含）水層構(gòu)造不能有效探查。

為了確保工作面安全回采，通過微震大范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測手段查明復(fù)雜區(qū)水文地質(zhì)情況[4-5]，盡量做到無遺漏，實(shí)現(xiàn)安全回采。微震監(jiān)測技術(shù)通過在監(jiān)測區(qū)周邊布置檢波器陣列，實(shí)時(shí)采集煤巖體在變形或斷裂過程中微震信號。進(jìn)行事件定位，在三維空間中實(shí)時(shí)展示微震事件發(fā)生的空間位置，實(shí)時(shí)動態(tài)分析煤巖體的活動范圍、破裂規(guī)律及其穩(wěn)定性，為工作面安全回采做出科學(xué)評價(jià)。與傳統(tǒng)巖體穩(wěn)定監(jiān)測技術(shù)相比，微震監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)時(shí)、精確給出煤巖體破裂或失穩(wěn)的空間位置并提前進(jìn)行水害監(jiān)測預(yù)警。

1 工作面概況

新集二礦230102 工作面位于二水平東翼2301采區(qū)，為該采區(qū)首采面。工作面西起2301 采區(qū)輔助運(yùn)輸上山，東至老人倉斷層防水煤柱線，南鄰210108 工作面（2014 年1 月采畢），北至1 上煤-650 m 底板等高線附近，北部為設(shè)計(jì)230106 工作面（未采）。地面標(biāo)高+13.0—+23.7 m，工作面標(biāo)高-613.0—-663.8 m。該工作面為走向長臂后退式一次采全高，可采走向長604 m，傾向長155 m，平均煤層厚度4.3 m，可采斜面積91 318 m2。上距4-1 煤層間距平均80.6 m，下距太原組1 灰平均18.8 m?；夭煞秶鷥?nèi)煤巖層總體傾向?yàn)镹NE 單斜構(gòu)造，局部地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育地段存在起伏。

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)布置

依據(jù)檢波器布置原則，結(jié)合礦井現(xiàn)有系統(tǒng)巷道，對檢波器位置及采集分站合理優(yōu)化布置。微震檢波器布置在230102 工作面底板巷和230106 工作面下底板巷，構(gòu)成了全包圍監(jiān)測陣列。布置單軸檢波器16 個，間距100～110 m，監(jiān)測分站3 個，共計(jì)20 通道（圖1）。

圖1 230102 工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)布置Fig.1 Microseismic monitoring system arrangement in No.230102 working face

3 工作面回采過斷層微震響應(yīng)

自1996 年12 月皖北礦業(yè)集團(tuán)發(fā)生巖溶陷落柱突水淹井事故后，兩淮礦區(qū)相繼發(fā)現(xiàn)了近30 個巖溶陷落柱。突水過程實(shí)質(zhì)上是導(dǎo)水通道形成、發(fā)展及通道擴(kuò)充，高壓水對圍巖的破壞過程，且必然伴隨微震事件的發(fā)生。工作面附近太原組地層厚105.56～138.36 m，平均109.8 m，其中灰?guī)r總厚60.10～86.65 m，灰?guī)r平均69.25 m，占組厚63.1%。太原組灰?guī)r地層由12 層淺灰—深灰色灰?guī)r，1 煤底板距1 灰16.5～22.1 m，平均18.8 m。

斷層的存在不同程度地破壞了煤層的連續(xù)性及原生結(jié)構(gòu)，使煤體強(qiáng)度降低，滑面和裂隙也較為發(fā)育。230102 工作面構(gòu)造揭露情況如圖2 所示。

圖2 230102 工作面揭露構(gòu)造平面示意Fig.2 Structure plan schematic exposed in No.230102 working face

3.1 老人倉斷層微震響應(yīng)

老人倉斷層，又稱為潁上斷裂，為華北型煤田南部邊界。該斷層為高角度正斷層，總體走向?yàn)闁|西向，斷層面傾向北。受老人倉斷層影響，附近伴生構(gòu)造可能較發(fā)育，存在大量原生、次生裂隙。230102 工作面南部邊界為老人倉斷層80 m 保護(hù)煤柱線，于2020 年7 月初開始試采。

工作面回采初期，微震事件在切眼附近和斷層保護(hù)煤柱內(nèi)密集發(fā)生。尤其底板微震事件，分析受底板巷斷層F230102d-3、F230102d-2、機(jī)巷斷層F230102j-1 以及老人倉邊界斷層影響內(nèi)原生裂隙影響，太原組灰?guī)rC3Ⅰ組和C3Ⅱ組層段事件較密集發(fā)生（圖3）。

圖3 回采初期底板微震事件平面示意Fig.3 Microseismic event under floor plan schematic during early mining period

工作面回采前2301 采區(qū)地面區(qū)域治理及底板注漿加固工程已完畢，且附近無封閉不良鉆孔，受老人倉邊界斷層、采動和底板破壞應(yīng)力傳導(dǎo)影響，底板事件發(fā)育較深，最深至1 煤底板下73 m（圖4）。

圖4 微震事件投影Fig.4 Microseismic event projection

監(jiān)測期間深部事件（C3Ⅱ組）聚集在老人倉斷層保護(hù)煤柱和230102 工作面切眼附近，工作面內(nèi)零星發(fā)育。回采初期礦壓顯現(xiàn)劇烈，應(yīng)力擾動下微震事件密集發(fā)生，深部事件（C3Ⅱ組）占比較大?；夭珊笃?，工作面揭露斷層均為1m 左右（小于1/2 煤厚），回采通過后未見深部（C3Ⅱ組）事件，偶見C3Ⅰ組事件（圖5）。

圖5 監(jiān)測期間深部事件（C3Ⅱ組）平面分布Fig.5 Deep event（No.C3Ⅱgroup）plan distribution during monitoring period

老人倉邊界斷層、工作面和底板巷揭露斷層影響，煤巖體在此區(qū)域較為薄弱?；夭沙跗诘装逦⒄鹗录l(fā)育較深，只發(fā)育在老人倉斷層上升盤，即工作面和保護(hù)煤柱內(nèi)，且距離老人倉斷層越近，底板事件深度越深，隨著回采推進(jìn)，底板事件發(fā)育深度變淺，最終穩(wěn)定在某一范圍。工作面外段煤巖體相對較為完整，應(yīng)力擾動較淺，底板破壞深度較淺。整個回采過程未監(jiān)測到C3Ⅱ組層段及深部事件持續(xù)密集發(fā)生，工作面未發(fā)生突水，表明老人倉斷層未發(fā)生活化，監(jiān)測過程老人倉斷層不導(dǎo)水，未形成垂向有效導(dǎo)水通道。

3.2 斷層帶微震響應(yīng)

230102 工作面為2301 采區(qū)首采面，緊鄰井田南部邊界老人倉正斷層。受其影響，工作面內(nèi)尤其是東段小斷層、褶曲及裂隙等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育相對較密集，煤層及其頂板局部較破碎，傾角變化較大，巷道施工區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。

3.2.1 初采期間斷層影響微震響應(yīng)

工作面于2020 年7 月8 日開始試采，7 月11日微震事件頂、底板（圖6～圖7），受揭露斷層影響，230102 工作面初采期微震事件在機(jī)巷偏底板巷聚集程度高，頂、底板近煤層事件在斷層附近較聚集，底板C3Ⅰ組事件在斷層走向方向零星發(fā)育，此時(shí)仍存在C3Ⅱ組事件。

圖6 微震監(jiān)測頂板事件平面示意Fig.6 Microseismic monitoring event at roof plan schematic

圖7 微震監(jiān)測底板事件平面示意Fig.7 Microseismic monitoring event under floor plan schematic

微震事件多為小能量事件，頂板事件發(fā)育最大高度為37.31 m，底板事件發(fā)育仍較深，最大深度為61.18 m。

3.2.2 斷層影響期微震響應(yīng)

以F230102h-2 為例，分析斷層對回采工作面的影響。該斷層沿走向延伸約100 m，落差1.2 m。8 月11 日，微震事件沿?cái)鄬幼呦蛄阈前l(fā)育（圖8），此時(shí)，采線距離斷層揭露位置約118 m。

圖8 微震監(jiān)測事件平面示意（2020.8.11）Fig.8 Microseismic monitoring event plan schematic（August 11,2020）

受采動和斷層的影響，煤巖體薄弱區(qū)應(yīng)力較集中。8 月15 日，斷層附近微震事件聚集程度開始增大（圖9），且事件在斷層走向區(qū)域密集程度較高，巖體較破碎，應(yīng)力集中釋放。

圖9 微震監(jiān)測事件平面示意（2020.8.15）Fig.9 Microseismic monitoring event plan schematic（August 15,2020）

隨著回采推進(jìn)，9 月1 日開始揭露斷層（圖10～圖11），受前方實(shí)體煤采線前方超前支撐應(yīng)力距離變大。

圖10 微震監(jiān)測事件平面示意（2020.9.1）Fig.10 Microseismic monitoring event plan schematic（September 1,2020）

圖11 微震監(jiān)測事件平面示意（2020.9.10）Fig.11 Microseismic monitoring event plan schematic（September 10,2020）

工作面推過斷層，微震事件在采空區(qū)后方仍大量聚集。工作面過斷層期間，零星發(fā)育C3Ⅰ組層段事件，底板事件擾動深度為1 煤底10.25～43.80 m。受采掘揭露斷層和采動礦壓影響，微震事件在近煤層呈區(qū)域性密集，沿?cái)鄬幼呦虬l(fā)育，未見C3Ⅰ組以深層段事件，未發(fā)現(xiàn)揭露斷層活化跡象，未發(fā)現(xiàn)垂向?qū)ǖ溃▓D12）。

圖12 微震監(jiān)測事件平面圖（2020.9.20）Fig.12 Microseismic monitoring event plan view（September 20,2020）

4 結(jié)論

地質(zhì)異常對工作面回采有一定影響，微震事件在相應(yīng)區(qū)域呈現(xiàn)不同的聚集度及發(fā)育深度。

（1）回采初期，受老人倉斷層、采掘揭露的斷層影響，微震事件在斷層上升盤一側(cè)密集發(fā)育，且事件發(fā)育深度較深。斷層附近煤巖體較為破碎，存在“吸能”作用，阻擋了應(yīng)力向另一盤傳遞，老人倉斷層未活化。

（2）回采后期底板只零星發(fā)育C3Ⅰ組層段事件，未發(fā)現(xiàn)向深部延展跡象，表明采掘揭露的構(gòu)造未活化，未形成有效導(dǎo)水通道。