千米深井大能量事件多因素耦合分析

趙 丞 ，王 永 ，李志深 ，王 濤 ，王維斌 ，蓋德成 ，于海峰 ，王存文 ，陳 洋 ，董春雨 ，吳陳賀

（1.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083；2.山東李樓煤業(yè)有限公司, 山東 菏澤 274900；3.濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)公司 安居煤礦,山東 濟(jì)寧 272059；4.山東能源集團(tuán)有限公司, 山東 濟(jì)南 250014）

0 引 言

沖擊地壓是嚴(yán)重威脅礦山安全生產(chǎn)的煤巖動(dòng)力災(zāi)害之一，具有突發(fā)性、復(fù)雜性等特點(diǎn)[1]。隨著煤礦開(kāi)采深度的增大，煤巖體的原巖應(yīng)力水平逐漸增加，加之其他致災(zāi)因素，例如斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)采強(qiáng)度、開(kāi)采布局等的疊加影響，沖擊地壓的危險(xiǎn)性越來(lái)越大，發(fā)生機(jī)理更加復(fù)雜，監(jiān)測(cè)預(yù)警難度進(jìn)一步增大[2]。為此，基于微震監(jiān)測(cè)結(jié)果[3]，分析誘發(fā)沖擊地壓的因素。

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)[4]的基本原理是：應(yīng)力作用下的巖石破裂，產(chǎn)生微震和聲波，通過(guò)在礦區(qū)頂?shù)装迳喜贾枚嘟M地震檢波器，實(shí)時(shí)記錄微地震數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后，采用震動(dòng)定位原理，確定斷裂位置并顯示在三維空間中。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)微震活動(dòng)特征開(kāi)展了卓有成效的研究[5-14]，姜福興等[15]利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)揭示了采場(chǎng)覆巖空間破裂與采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)系，并提出了由微震事件分布推斷區(qū)段煤柱穩(wěn)定性的方法；夏永學(xué)等[16]基于微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究了微震活動(dòng)與煤巖破裂及應(yīng)力分布特征的關(guān)系，提出了微震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)沖擊地壓的5 個(gè)指標(biāo)；潘一山等[17]對(duì)大型逆斷層區(qū)域的微震事件進(jìn)行科學(xué)的統(tǒng)計(jì)分析總結(jié)出了開(kāi)采活動(dòng)對(duì)斷層活化的影響規(guī)律。竇林名等[18]結(jié)合微震法的沖擊危險(xiǎn)定性和定量評(píng)價(jià)方法，建立了沖擊危險(xiǎn)專家診斷系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)礦震沖擊災(zāi)害遠(yuǎn)程在線預(yù)警平臺(tái)防治沖擊地壓。上述研究表明，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理，預(yù)測(cè)防治領(lǐng)域取得了顯著的成果，但針對(duì)微震大能量事件誘發(fā)沖擊地壓的發(fā)生涉及較少?；谇咨罹衩簩庸ぷ髅姘l(fā)生的大能量事件開(kāi)展微震活動(dòng)規(guī)律的研究，研究結(jié)果對(duì)類似條件下的沖擊煤層安全回采具有借鑒意義。

1 礦井概況

山東某礦沖擊危險(xiǎn)區(qū)域共安排2 個(gè)采煤工作面生產(chǎn)、2 個(gè)掘進(jìn)工作面掘進(jìn)，分別為1303 工作面、1302（上）工作面、1306 運(yùn)輸巷、一采區(qū)輔助聯(lián)絡(luò)巷。共發(fā)生能量102J 以上微震事件12 921 個(gè)，各區(qū)域微震頻率分布為1302（上）工作面5 326 次，1303 工作面6 633 次，1306 工作面412 次，其他地點(diǎn)412 次，具體分布如圖1 所示。主要以研究1302（上）及1303 工作面為主。1302(上)工作面平均采深740 m；1303 工作面平均采深950 m，兩工作面采用綜放開(kāi)采，工作面布置如圖2 所示。

圖1 各區(qū)域微震事件頻次及能量分布情況Fig.1 Frequency and energy distribution of microseismic events in various regions

圖2 工作面布置Fig.2 Plan view of working face position

2 大能量事件影響因素分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析可知，誘發(fā)大能量事件的因素主要有：支承壓力、工作面“見(jiàn)方”、斷層及回采速度等影響，以下作詳細(xì)分析。

2.1 微震事件能量、頻次與支承壓力的關(guān)系

對(duì)2 個(gè)工作面支承壓力分布規(guī)律研究主要采用微震監(jiān)測(cè)，具體分析如圖3、4 所示。1302（上）工作面采動(dòng)影響范圍約為170 m，超前應(yīng)力峰值約為70 m。根據(jù)圖3b 可知，微震事件主要分布在沿空巷道附近，整體向采空區(qū)一側(cè)偏移，說(shuō)明微震事件的發(fā)生受臨近采空區(qū)的影響十分明顯，沿空側(cè)煤體應(yīng)力明顯高于實(shí)體煤側(cè)。1303 工作面超前支承壓力影響范圍200 m，峰值約為80 m 位置。根據(jù)圖4b 可知側(cè)向分布形態(tài)呈雙峰型，沿空側(cè)應(yīng)力集中程度高于實(shí)體煤一側(cè)。

圖3 1302（上）工作面微震能量與頻次分布規(guī)律Fig.3 Law of microseismic energy and frequency distribution at 1302 (top) working face

圖4 1303 工作面微震能量與頻次分布規(guī)律Fig.4 Law of microseismic energy and frequency distribution at 1303 working face

2.2 微震事件能量、頻次與回采位置和斷層的關(guān)系

1302（上）工作面過(guò)斷層前，大于104J 大能量微震事件在頻次和能量上有所上升，102J、103J 級(jí)小能量事件則有所降低；1303 工作面見(jiàn)方前，微震事件頻次和能量逐漸增高，見(jiàn)方后趨于平穩(wěn)；在過(guò)斷層前，微震事件逐漸升高，過(guò)斷層期間急劇下降，過(guò)斷層后逐漸趨于平穩(wěn)。具體如圖5 所示。

圖5 回采過(guò)程中能量與頻次的分布Fig.5 Distribution of energy and frequency in the process of mining

2.3 微震事件頻次、能量與回采速度的關(guān)系

為了增加區(qū)分度，回采速度放大十倍進(jìn)行展現(xiàn)。圖6 可知，在排除“見(jiàn)方”和過(guò)斷層期間大能量事件下，隨著回采速度的提高，累計(jì)能量逐漸升高，說(shuō)明推進(jìn)速度與釋放能量成正比。當(dāng)1302（上）回采速度為50 m/月，1303 工作面回采速度為60 m/月時(shí)，頻次與能量最大，因此為減少大能量事件的發(fā)生，后續(xù)生產(chǎn)中1302（上）與1303 工作面的回采速度應(yīng)控制在50 m/月與60 m/月以內(nèi)。

圖6 微震能量及頻次與回采速度的關(guān)系Fig.6 Relationship between microseismic energy and frequency and mining speed

3 多因素耦合分析

3.1 大能量事件發(fā)生位置

2020 年1302（上）工作面發(fā)生104J 以上微震事件19 次；自2020 年至2021 年2 月28 日，1303 工作面發(fā)生104J 以上微震事件31 次。在工作面推進(jìn)方向上，1302（上）工作面（一側(cè)采空）大能量事件發(fā)生在工作面前方170 m 范圍內(nèi)；1303 工作面（兩側(cè)實(shí)體）大能量事件基本在工作面前方200 m 范圍內(nèi)，受煤層大直徑鉆孔預(yù)卸壓施工擾動(dòng)影響，發(fā)生了5 次大能量事件。

3.2 能量積聚型大能量事件分析

震源超前1302（上）工作面21 m，位于膠帶巷道里側(cè)35 m，距離FJ34 斷層距離為132 m，震源標(biāo)高-774 m，位于底板下6 m 處，能量3.3×104J。

根據(jù)圖7 所示的能量演化規(guī)律，“03·01”大能量事件的誘發(fā)是由于工作面停產(chǎn)6 d 造成采場(chǎng)周邊能量積聚，恢復(fù)時(shí)能量突然釋放。

圖7 “03·01”事件微震能量場(chǎng)演化規(guī)律Fig.7 The evolution law of the microseismic energy field of the “03·01”event

為防止能量積聚型大能量事件的發(fā)生，在工作面恢復(fù)生產(chǎn)前應(yīng)采取大直徑鉆孔卸壓，如圖8 所示。施工參數(shù)為自停采處，沿區(qū)段平巷兩幫，距當(dāng)前停采處工作面以外200 m 范圍內(nèi)實(shí)施大直徑卸壓鉆孔，每幫鉆孔沿煤層單排布置，鉆孔直徑為125 mm，孔深為25 m，鉆孔間距D為1 m，卸壓鉆孔至巷道底板的距離為1.5 m。大直徑鉆孔卸壓后，利用鉆屑法檢測(cè)卸壓效果。若仍存在沖擊危險(xiǎn)，可在兩個(gè)鉆孔中間補(bǔ)打大直徑卸壓鉆孔。補(bǔ)打大直徑鉆孔卸壓后，若危險(xiǎn)仍無(wú)法解除，則采用爆破卸壓。同時(shí)在復(fù)產(chǎn)初期，回采速度不應(yīng)過(guò)大，應(yīng)逐漸提高回采速度，并分析微震、應(yīng)力在線等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，逐漸達(dá)到合理的回采速度。

圖8 能量積聚型事件防控布置Fig.8 Layout of the prevention and control of energy accumulation events

3.3 斷層活化型大能量事件分析

震源超前1303 工作面71 m，位于膠帶巷道外側(cè)13 m，距離Yf19 斷層最近距離為71 m，震源標(biāo)高-919 m，位于煤層中，能量4.8×104J。大能量事件發(fā)生位置如圖9 所示。

圖9 “06·29”大能量事件發(fā)生位置Fig.9 Location of “6·29”large-energy event

“06·29”大能量事件其誘發(fā)是由于該區(qū)域處于Yf19 斷層、Yf9 斷層尖滅區(qū)域，斷層殘余構(gòu)造應(yīng)力造成1301 工作面、1303 工作面煤柱應(yīng)力集中；且1303 工作面處于周期來(lái)壓階段，基本項(xiàng)的周期性斷裂造成上覆巖層壓力向工作面前方轉(zhuǎn)移，誘發(fā)了大能量事件(圖10)。

圖10 “06·29”事件微震能量場(chǎng)演化規(guī)律Fig.10 The evolution law of the microseismic energy field of the “06·29”event

為了防止此類大能量事件的發(fā)生，針對(duì)斷層影響區(qū)域制定預(yù)卸壓措施，布置方式如圖11 所示。具體布置參數(shù)如下：超前工作面200 m，對(duì)斷層以里100 m 和斷層以外30 m 范圍內(nèi)巷道兩幫實(shí)施大直徑鉆孔預(yù)卸壓，鉆孔直徑為150 mm，鉆孔間距1 m，鉆孔深度30 m，卸壓鉆孔至巷道底板的距離為1.5 m，同時(shí)加強(qiáng)斷層區(qū)域支護(hù)和監(jiān)測(cè)。

圖11 斷層活化型事件防控布置Fig.11 Layout of the prevention and control of fault-activated events

3.4 孤島結(jié)構(gòu)型大能量事件分析

第一次發(fā)生在2020 年12 月18 日，震源超前1302（上）工作面15 m，位于軌道巷道里側(cè)25 m，距離FY12 斷層最近距離為70 m，震源標(biāo)高為-817 m，位于煤層中，能量為8.7×104J。第二次發(fā)生在2020年12 月15 日，震源超前1303 工作面294 m，位于運(yùn)輸巷外側(cè)70 m，距離Yf18 斷層最近距離32 m，震源標(biāo)高-949 m，位于底板下24 m，能量4.8×104J。第三次發(fā)生在2021 年2 月8 日，震源超前1303 工作面93 m，位于運(yùn)輸巷外側(cè)1 m，距離2 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷最近距離為84 m，震源標(biāo)高-922 m，位于頂板上12 m，能量2.5×105J。

結(jié)合其能量場(chǎng)演化規(guī)律，如圖12 所示，分析三次大能量事件的誘發(fā)原因?！?2·18”大能量事件主要分布在1302（上）工作面前方鄰近1302 工作面終采線附近，分析其誘發(fā)是由于1302（上）工作面回采位置距離1302 采空區(qū)的停采線僅剩余24 m，1302（上）、1302 與FY12 斷層形成類孤島煤體，隨著工作面的推進(jìn)，類孤島煤體的面積減小，而總應(yīng)力不變，單位面積上的應(yīng)力增加，造成前方煤巖體應(yīng)力集中程度增大，致使前方煤體產(chǎn)生剪拉混合破裂?！?2·15”大能量事件主要分布在1303 工作面前方兩巷道、Yf18 斷層以及2 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷形成的孤島結(jié)構(gòu)內(nèi)，其誘發(fā)原因是由于1303 工作面兩巷道、Yf18 斷層與2號(hào)聯(lián)絡(luò)巷形成孤島結(jié)構(gòu)，與工作面超前支承壓力疊加，形成高應(yīng)力區(qū)?！?2·08”大能量事件主要分布在工作面前方Y(jié)f18 斷層、2 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷等形成的孤島結(jié)構(gòu)內(nèi)，分析其誘發(fā)原因主要有兩方面，一是1303 工作面地應(yīng)力水平高。工作面埋深-980～-1 025 m，自重應(yīng)力高；一采區(qū)位于八里莊斷層與田橋斷層控制的地壘構(gòu)造內(nèi)，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力集中；區(qū)域主水平應(yīng)力為34.5 MPa，與巷道夾角為75°。二是區(qū)域采動(dòng)應(yīng)力高，工作面兩巷道、Yf18 斷層與2 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷形成應(yīng)力孤島結(jié)構(gòu)，與工作面超前支承壓力疊加，形成高應(yīng)力區(qū)。

圖12 孤島結(jié)構(gòu)型大能量事件能量場(chǎng)演化規(guī)律Fig.12 Evolution law of the energy field of island structured large-energy events

對(duì)于孤島結(jié)構(gòu)型大能量事件的防控從降低圍巖應(yīng)力和軟化煤巖物理力學(xué)性質(zhì)兩個(gè)方面著手。具體為在孤島結(jié)構(gòu)煤體區(qū)域，沿兩巷道回采幫，實(shí)施大直徑鉆孔卸壓。每幫鉆孔沿煤層單排布置，鉆孔直徑為150 mm，孔深為30 m，鉆孔間距D為3 m，卸壓鉆孔至巷道底板的距離為1.5 m。同時(shí)在卸壓孔之間布置爆破孔，爆破孔直徑為42 mm，深度為20 m，距離底板為1.5 m，布置參數(shù)如圖13 所示。

圖13 孤島結(jié)構(gòu)型事件防控布置Fig.13 Layout of island structure type events prevention and control

3.5 大能量事件震源機(jī)制分析

對(duì)選擇的5 個(gè)代表性大能量微震事件的震源破裂機(jī)制[19-20]進(jìn)行了分析，分析事件的破裂方式、角度以及破裂半徑，大能量微震事件微震機(jī)制解及參數(shù)見(jiàn)表1，得出李樓煤礦大部分的大能量事件發(fā)生在超前支承壓力影響范圍內(nèi)，部分大能量事件見(jiàn)方效應(yīng)與超前支承壓力相互作用、超前支承壓力和斷層相互耦合作用誘發(fā)，具體可劃分為：斷層附近頂板巖層的張拉斷裂，工作面前方煤體的剪切、剪拉混合破裂，底板巖層的張拉、剪切斷裂等。

表1 大能量微震事件微震機(jī)制解及參數(shù)Table 1 Microseismic mechanism solutions and parameters of high-energy microseismic events

結(jié)合其震源定位，見(jiàn)表2，在走向方向上，5 次大能量事件均發(fā)生在工作面前方。最近的發(fā)生在超前工作面15 m 處的煤層中，1302（上）工作面回采接近1302 采空區(qū)終采線位置，1302 未完全回轉(zhuǎn)下沉的高位巖梁與1302（上）采空區(qū)覆巖聯(lián)動(dòng)，形成“S”型覆巖結(jié)構(gòu)，應(yīng)力向1302（上）工作面運(yùn)輸巷位置轉(zhuǎn)移，由于前方FY12 斷層的阻隔，造成該處煤體應(yīng)力集中，引發(fā)了此次大能量事件；最遠(yuǎn)位置處于超前工作面294 m 處，由于鉆孔卸壓及斷頂爆破的影響，頂板斷裂下沉，應(yīng)力向工作面前方轉(zhuǎn)移，致使Yf18 斷層活化，造成應(yīng)力釋放，引發(fā)此次大能量事件。

表2 代表性微震大能量事件清單Table 2 List of representative microseismic large-energy events

4 結(jié) 論

1）1302（上）工作面采動(dòng)影響范圍約為工作面后方30 m 至工作面前方170 m，超前應(yīng)力峰值約為工作面前方70 m，側(cè)向上整體向采空區(qū)一側(cè)偏移；1303 工作面采動(dòng)影響范圍為工作面后方15 m 至工作面前方200 m，超前應(yīng)力峰值約為工作面前方80 m，受寬煤柱影響，側(cè)向上運(yùn)輸巷應(yīng)力集中程度較高。

2）工作面“見(jiàn)方”或前方遇斷層時(shí)，存在應(yīng)力異常區(qū)域。工作面“見(jiàn)方”前，微震事件頻次和能量逐漸增高，“見(jiàn)方”后趨于平穩(wěn)；在過(guò)斷層前，微震事件逐漸升高，過(guò)斷層期間急劇下降，過(guò)斷層后逐漸趨于平穩(wěn)，事件峰值位置距離“見(jiàn)方”前或斷層前40 m左右。

3）當(dāng)1302（上）回采速度為50 m/月，1303 工作面回采速度為60 m/月時(shí)，頻次與能量最大，為減少大能量事件的發(fā)生，后續(xù)生產(chǎn)回采速度應(yīng)不超過(guò)極限開(kāi)采速度。

4）大部分的大能量事件發(fā)生在超前支承壓力影響范圍內(nèi)，部分大能量事件見(jiàn)方效應(yīng)與超前支承壓力相互作用、超前支承壓力和斷層相互耦合作用誘發(fā)，具體可劃分為：斷層附近頂板巖層的張拉斷裂，工作面前方煤體的剪切、剪拉混合破裂，底板巖層的張拉、剪切斷裂等。根據(jù)誘發(fā)條件可將大能量事件劃分為“能量積聚型”、“斷層活化型”及“孤島結(jié)構(gòu)型”大能量事件。