工作面采動(dòng)影響下底板破壞深度微震規(guī)律

王 杰，李博凡，蔣齊平，吳 璋，范繼超

( 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077 )

底板破壞深度是評(píng)價(jià)帶壓開采煤礦生產(chǎn)安全的重要依據(jù)。目前煤層底板破壞深度的研究手段主要分現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和理論計(jì)算兩大類。應(yīng)用較為廣泛和成熟的監(jiān)測(cè)方法有：充水漏失量鉆孔沖洗液法[1]、鉆孔窺視法、CT透視法[2-3]，以及地球物理探測(cè)法等。張勇[4]、馮梅梅[5]等眾多學(xué)者對(duì)采動(dòng)影響下煤巖體裂隙擴(kuò)展破壞進(jìn)行了深入研究，取得了諸多可以指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐的研究成果。近年來，隨著微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，逐漸趨于成熟，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于煤礦安全高效生產(chǎn)方面，如頂( 底 )板破裂深度監(jiān)測(cè)[6]、煤層氣井水力壓裂監(jiān)測(cè)效果評(píng)價(jià)[7-8]和沖擊地壓監(jiān)測(cè)[9]等領(lǐng)域。相比以前的靜態(tài)地球物理探測(cè)方法，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)、持續(xù)和動(dòng)態(tài)觀測(cè)[10-14]，如汪華君[15]等采用微地震技術(shù)監(jiān)測(cè)導(dǎo)水裂隙帶高度。

筆者以淮北礦業(yè)股份有限公司朱莊煤礦III63采區(qū)III633工作面為研究對(duì)象，應(yīng)用KJ959煤礦微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作面推進(jìn)過程中的微震事件，監(jiān)測(cè)工作面采動(dòng)過程中圍巖裂隙發(fā)育情況，評(píng)價(jià)III633工作面底板破壞深度發(fā)育規(guī)律，為工作面安全開采提供科學(xué)依據(jù)。

1 工作面概述

安徽淮北朱莊煤礦坐落于淮北市杜集區(qū)礦山集鎮(zhèn)，隸屬于淮北礦業(yè)股份有限公司。朱莊煤礦井田面積約25 km2，南北寬約5 km，東西長(zhǎng)約6 km，采用立井開拓方式。作為朱莊煤礦III63采區(qū)右翼第2個(gè)工作面，III633工作面上至III633原回風(fēng)巷保護(hù)煤柱，下區(qū)段III635工作面尚未掘進(jìn)，左至III63采區(qū)輔助運(yùn)輸巷，右至6煤層防隔水煤( 巖 )柱保護(hù)線。

朱莊煤礦III633工作面走向長(zhǎng)563 m，截至項(xiàng)目開工時(shí)已開采280 m，剩余283 m。整體為單斜構(gòu)造，里高外低。工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷及開切眼共揭露斷層10條，落差0.4～5.0 m，其中FIII63-16和SF14斷層對(duì)開采影響較大。采區(qū)內(nèi)地形總體平坦，地表河道和塌陷區(qū)積水因距下二疊系煤系地層較遠(yuǎn)，一般情況下對(duì)礦井充水沒有影響。所采煤層為6煤，層位屬二疊系下統(tǒng)山西組，煤厚2.6～3.2 m，均厚2.8 m；煤層傾角12°～23°，平均18°；煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且賦存穩(wěn)定。綜合柱狀圖如圖1所示，6煤上覆巖層為厚度50 m的泥巖、砂質(zhì)泥巖，巖層硬度較低，易造成頂板冒落。

圖1 綜合柱狀圖Fig. 1 Synthesis column map

2 微震監(jiān)測(cè)方案

2.1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

KJ959煤礦高精度微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是由中煤科工集團(tuán)西安研究院研制，適用于礦山災(zāi)害監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)在線分析、煤礦防盜采等方面。該系統(tǒng)通過微震信號(hào)遠(yuǎn)程傳輸、實(shí)時(shí)在線采集、在線分析和反演定位成圖等方式分析信號(hào)特征，記錄發(fā)震時(shí)刻，反演震源空間位置，計(jì)算震源能量大小，為煤礦安全開采提供科學(xué)參考。該系統(tǒng)采用分布式布置方案，每臺(tái)監(jiān)測(cè)分站可連接6個(gè)單分量拾震傳感器或2個(gè)三分量拾震傳感器，傳感器安裝在測(cè)區(qū)內(nèi)接收震動(dòng)信號(hào)。監(jiān)測(cè)分站將傳感器接收的震動(dòng)信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸至地面中心主站，并進(jìn)行自動(dòng)、實(shí)時(shí)處理。

2.2 觀測(cè)方式及臺(tái)網(wǎng)布置方案

目前，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)多采用在井下或地面布置傳感器的方式進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)。煤礦井下微震監(jiān)測(cè)[16-17]一般將檢波器布置在巷道中，對(duì)需要監(jiān)測(cè)的采區(qū)或工作面盡可能進(jìn)行環(huán)狀式包圍的布設(shè)，若條件允許，也可布設(shè)井—地—孔聯(lián)合觀測(cè)系統(tǒng)[18-20]。結(jié)合Ⅲ633工作面地質(zhì)條件，本次監(jiān)測(cè)采用井下布置傳感器的方式，利用淺孔檢波器和深孔檢波器交叉布置的施工方式，在不大規(guī)模增加施工難度的情況下，提升空間定位精度。

本次微震監(jiān)測(cè)基于測(cè)區(qū)實(shí)際情況、井下巷道以及施工條件，結(jié)合微震臺(tái)網(wǎng)布局優(yōu)化算法[21-23]，在工作面2條巷道布置監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)。共設(shè)計(jì)井下物理監(jiān)測(cè)點(diǎn)12個(gè)，其中III633工作面回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷各布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，傳感器均采用縱波檢波器，水平間距為60 m。為了更好地監(jiān)測(cè)底板破壞深度，在回風(fēng)巷ch2，ch5測(cè)點(diǎn)和進(jìn)風(fēng)巷ch10測(cè)點(diǎn)布置深孔檢波器，具體測(cè)點(diǎn)布置見圖2和表1。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig. 2 Monitoring sites layout

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)Table 1 Coordinate list of monitoring sites

如圖3所示，巷道淺孔傳感器安裝的具體步驟為：在底板靠近側(cè)幫位置，采用鉆機(jī)向下鉆進(jìn)深度為1.5～2.0 m的孔，將檢波器放入鉆孔，鉆孔注漿封閉，然后將傳感器連接線與信號(hào)線相連，利用膠管進(jìn)行保護(hù)[18-19]。

圖3 淺孔傳感器安裝示意Fig. 3 Schematic diagram of the installation of a shallow hole sensor

如圖4所示，巷道深孔傳感器安裝步驟為：在底板靠近側(cè)幫位置，采用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)斜向下鉆進(jìn)成孔，傾角為45°，孔深40 m，垂距20 m，然后把傳感器放入孔底，通過膠管保護(hù)信號(hào)傳輸電纜，最后注漿固定錨桿[18-19]。

圖4 深孔傳感器安裝示意Fig. 4 Schematic diagram of the installation of a deep hole sensor

3 微震定位原理

微震定位問題是微震監(jiān)測(cè)技術(shù)中最經(jīng)典和基本的問題之一，目前常用的微震定位方法是基于勻速模型的多項(xiàng)式方程組的求解或優(yōu)化。微震震源求解的具體思路是：假設(shè)巖層是均勻速度模型，已知在巖體中傳播最快的P波的傳播速度，在不同位置設(shè)置至少4個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站，獲取臺(tái)站的空間坐標(biāo)，根據(jù)各臺(tái)站接收到微震信號(hào)的時(shí)刻和P波的傳播速度，列方程組即可求出震源的空間位置[24-28]。

圖5為監(jiān)測(cè)臺(tái)站的布置，圖中P1～P4為4個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站，q為震源點(diǎn)的位置，S1～S4為監(jiān)測(cè)臺(tái)站和震源點(diǎn)之間的距離。

圖5 監(jiān)測(cè)臺(tái)站布置Fig. 5 Monitoring stations layout plan

求解方程組為

式中，ti(i=1，2，3，4 )為監(jiān)測(cè)臺(tái)站接收到信號(hào)的時(shí)刻，s；t0為震源的發(fā)震時(shí)刻，s；v為P波的傳播速度，m/s。

在該方程組中，已知接收到信號(hào)的時(shí)刻ti和P波的傳播速度v，即可求出震源的發(fā)震時(shí)刻t0和震源點(diǎn)坐標(biāo)(x0,y0,z0)。

基于上述微震定位原理，筆者編寫了初次定位和二次修正定位相結(jié)合的定位算法，假設(shè)P波在巖體介質(zhì)中以常速度傳播，對(duì)數(shù)據(jù)加權(quán)處理，對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，用Matlab編程求解出震源點(diǎn)空間位置坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)微震定位[29]。

4 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、處理過程主要由軟件自動(dòng)完成，包括微震事件識(shí)別、提取、濾波、定位以及三維顯示等，基本流程如圖6所示。

圖6 微震數(shù)據(jù)處理流程Fig. 6 Processing flow chart of microseismic datas

4.1 微震事件能量統(tǒng)計(jì)

Ⅲ633工作面微震監(jiān)測(cè)期間共接收到1 451個(gè)微震事件，去除信噪比和定位誤差較大的部分事件，剩余有效事件1 372個(gè)。根據(jù)事件空間位置(Z坐標(biāo) )和煤層深度的相對(duì)關(guān)系，得到事件的層位信息，其中底板事件444個(gè)，頂板事件928個(gè)。在有效事件中，能量最大為3.36×105J，最小為1.0×10-1J，平均能量為6.16×103J。

圖7為微震事件能量分布，由圖7可知，能量主要集中在103J以下，占總能量的82.3%，說明工作面微震活動(dòng)雖然比較活躍，但以小能量釋放為主，總體強(qiáng)度較小且比較穩(wěn)定。

圖7 微震事件能量分布Fig. 7 Energy distribution chart of microseismic events

4.2 微震事件時(shí)間分布規(guī)律

4.2.1月度統(tǒng)計(jì)分析

本次微震監(jiān)測(cè)活動(dòng)從2020年2月至7月的日平均采煤進(jìn)尺與微震事件數(shù)量及能量的關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，4月的微震事件數(shù)量最多，7月最少，考慮到2月剛開始監(jiān)測(cè)，僅統(tǒng)計(jì)了19 d，以及6月采煤進(jìn)尺主要集中在回風(fēng)巷，分析認(rèn)為3月、4月、5月、7月的微震事件數(shù)量與日平均3 m的采煤進(jìn)尺近似呈正相關(guān)關(guān)系。對(duì)比圖8每月日平均進(jìn)尺和微震能量占比的變化趨勢(shì)，3月、4月、6月、7月的微震事件能量占比與相應(yīng)的日平均進(jìn)尺變化趨勢(shì)一致，近似呈正相關(guān)，即推進(jìn)速度越快，微震事件平均能量越大。

圖8 微震事件月度統(tǒng)計(jì)Fig. 8 Monthly statistical chart of microseismic events

4.2.2全天統(tǒng)計(jì)分析

為了分析微震事件在1 d內(nèi)的分布規(guī)律，將全天24 h按每2 h間隔劃分成12段( 第1～12段 )，分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)間段內(nèi)的微震事件數(shù)量和能量( 圖9～10 )。

圖9 全天微震事件數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig. 9 Statistical chart of the number of microseismic events throughout the day

圖10 全天微震事件能量統(tǒng)計(jì)Fig. 10 Statistical chart of the energy of microseismic events throughout the day

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示微震事件數(shù)量主要集中在8：00—12：00( 第5～6段 )和14：00—20：00( 第8～10段 )這兩個(gè)時(shí)間段，微震事件數(shù)量總和占比為56%，能量總和占比達(dá)到72%。根據(jù)朱莊煤礦生產(chǎn)班次安排，這兩個(gè)時(shí)間段分別為早班和中班的采煤時(shí)間，因此微震事件數(shù)量與井下人員的開采活動(dòng)密切相關(guān)。自3月限產(chǎn)以來，僅中班進(jìn)行采煤，可以發(fā)現(xiàn)在14：00—18：00( 第8～9段 )，微震總能量占比明顯提升，達(dá)到全天總能量的44.4%，因此微震事件能量與開采活動(dòng)密切相關(guān)，采煤過程中微震事件能量明顯增大。

4.3 微震事件發(fā)育高度及層位分析

為更直觀地顯示底板破壞深度，將工作面底板高程校正為0，對(duì)444個(gè)底板微震事件按深度每隔5 m進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖11所示。底板下40 m范圍內(nèi)的微震事件占全部底板微震事件的95.9%，其中10～15 m范圍內(nèi)的微震事件最多，占比28.6%。底板下25 m內(nèi)的微震事件占比達(dá)到78.8%，是微震事件的主要區(qū)間。

圖11 底板下微震事件數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig. 11 Statistical chart of the number of microseismic events under the substrate

對(duì)928個(gè)頂板微震事件按高度每隔10 m統(tǒng)計(jì)事件數(shù)量，結(jié)果如圖12所示。頂板以上0～80 m范圍內(nèi)的微震事件數(shù)量占全部頂板微震事件的95.8%，其中在高度0～30 m區(qū)間內(nèi)微震事件最多，占比74%。

圖12 頂板上微震事件數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig. 12 Statistical chart of the number of microseismic events on the roof

頂、底板微震事件數(shù)量比為928∶444≈2.1∶1，頂板事件數(shù)量約是底板事件的2倍?？梢?，微震事件以頂板微震事件為主，頂板巖層主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖，屬于極軟巖，容易發(fā)生頂板冒落，且頂板巖性相對(duì)底板較弱，受工作面采動(dòng)影響以及高地應(yīng)力場(chǎng)的作用，部分軟弱巖體的穩(wěn)定性易發(fā)生破壞，導(dǎo)致巖體發(fā)生破斷行為。

4.4 微震事件空間分布

4.4.1微震事件平面分布

圖13顯示了微震事件定位結(jié)果在XY平面的分布情況。

由圖13可知，在巷道走向(X)方向，微震事件主要發(fā)生在采煤區(qū)域內(nèi)，即2月9日采煤線至終采線之間，且在該區(qū)域中間部分事件密度更集中；在巷道傾向(Y)方向，微震事件主要集中在工作面回風(fēng)巷一側(cè)，且向III631工作面采空區(qū)一側(cè)延伸。根據(jù)微震事件密度云圖，采煤期間微震事件主要發(fā)生在采掘區(qū)域，回風(fēng)巷一側(cè)數(shù)量相對(duì)更多，分析認(rèn)為是由于III633工作面回風(fēng)巷靠近III631工作面采空區(qū)所致。

圖13 微震事件XY平面密度云圖Fig. 13 XY planar density cloud of microseismic events

4.4.2底板微震事件分布

圖14是底板微震事件XY平面密度云圖。

圖14 底板微震事件XY平面密度云圖Fig. 14 XY planar density cloud of microseismic events in the substrate

由圖14可以看出，微震事件密度分布相對(duì)平均，沒有局部范圍集中發(fā)育的情況，可知底板破壞相對(duì)均勻，無小范圍集中的裂隙發(fā)育情況。

圖15～16分別為底板微震事件沿煤層走向(XZ方向 )、傾向(YZ方向 )的密度云圖。由圖15可知，III633工作面底板微震事件發(fā)育較均勻，主要在底板下40 m范圍內(nèi)發(fā)育，且主要集中在距終采線90～220 m范圍內(nèi)。由圖16可知，工作面回風(fēng)巷附近的底板微震事件數(shù)多于進(jìn)風(fēng)巷，底板裂隙最深發(fā)育至底板下40 m，但多數(shù)集中在底板下25～30 m以內(nèi)( 圖中紅色虛線標(biāo)注 )，工作面內(nèi)部的底板微震事件數(shù)遠(yuǎn)多于工作面外部。通過對(duì)底板微震事件的綜合分析，認(rèn)為開采期間底板的破壞深度為25～30 m；從距終采線50 m以內(nèi)開始，微震事件數(shù)量明顯減少。

圖15 底板微震事件XZ平面密度云圖Fig. 15 XZ planar density cloud of microseismic events in the base plate

圖16 底板微震事件YZ平面密度云圖Fig. 16 YZ planar density cloud of microseismic events in the base plate

4.4.3頂板微震事件分布

圖17是頂板微震事件XY平面密度云圖。

圖17 頂板微震事件XY平面密度云圖Fig. 17 XY planar density cloud of microseismic events on the roof

由圖17可以看出，微震事件在整個(gè)工作面均有 分布，尤其在工作面回風(fēng)巷附近較為集中，在進(jìn)風(fēng)巷附近相對(duì)較少，分析認(rèn)為由于III633工作面回風(fēng)巷更靠近III631工作面采空區(qū)，且高程相對(duì)進(jìn)風(fēng)巷更高，因此頂板裂隙發(fā)育更為明顯，微震事件更多、更集中。

圖18～19分別為頂板微震事件沿煤層傾向(XZ方向 )、走向(YZ方向 )的密度云圖。由圖18可知，頂板微震事件分布較平均，主要集中在頂板以上35～40 m范圍內(nèi)( 圖中紅色虛線標(biāo)注 )，最高發(fā)育到頂板上約80 m。由圖19可知，工作面回風(fēng)巷的微震事件數(shù)量比進(jìn)風(fēng)巷更多，原因可能是由于III633工作面回風(fēng)巷更靠近III631采空區(qū)附近，且高程較進(jìn)風(fēng)巷高的緣故。從Z方向看，頂板裂隙發(fā)育高度為頂板以上80 m范圍內(nèi)，微震事件集中在頂板以上35～40 m范圍。結(jié)合微震事件密度云圖與事件分布區(qū)間，推測(cè)頂板裂隙帶最大發(fā)育高度約37 m，按平均煤厚2.8 m計(jì)算，裂采比約為13.2。

圖18 頂板微震事件XZ方向密度云圖Fig. 18 XZ planar density cloud of microseismic events on the roof

圖19 頂板微震事件YZ方向密度云圖Fig. 19 YZ planar density cloud of microseismic events on the roof

5 結(jié) 論

( 1 ) 開采速度、采動(dòng)強(qiáng)度對(duì)微震事件的能量影響較大，開采推進(jìn)速度越快，采動(dòng)強(qiáng)度越大，微震事件的平均能量越大。

( 2 ) 頂板微震事件數(shù)量約為底板微震事件的2倍，微震事件以頂板事件為主，頂板巖層巖性相對(duì)較弱，易產(chǎn)生軟弱巖體失穩(wěn)破壞和頂板冒落，后續(xù)開采中需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

( 3 ) 在煤層均厚2.8 m，工作面長(zhǎng)563 m，日進(jìn)尺3 m的條件下，III633工作面采煤過程中底板的最大破壞深度為25～30 m，未波及到主要含水層，工作面采煤期間采空區(qū)及底板出水量穩(wěn)定；頂裂隙發(fā)育高度為頂板以上37 m范圍內(nèi)，裂采比約為13.2。( 4 ) 由于III633工作面回風(fēng)巷靠近III631采空區(qū)，圍巖穩(wěn)定性較差，致使III633工作面靠近回風(fēng)巷一側(cè)的頂、底板微震事件較多且分布集中；由于III633工作面進(jìn)風(fēng)巷高程低于III631采空區(qū)，頂板圍巖局部破壞，致使III633工作面靠近回風(fēng)巷一側(cè)的頂板裂隙發(fā)育情況比靠近進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)嚴(yán)重。