基于微震監(jiān)測的大埋深緩傾斜厚煤層底板破壞規(guī)律研究

李新旺，郝云德，程立朝，路 濱

（1.河北工程大學 礦業(yè)與測繪工程學院，河北 邯鄲 056038；2.河北工程大學 河北省高校煤炭資源開發(fā)與建設應用技術研發(fā)中心，河北 邯鄲 056038；3.河北工程大學 邯鄲市煤基固廢規(guī)?；眉夹g創(chuàng)新中心，河北 邯鄲 056038）

0 引 言

國家煤炭資源開采布局調(diào)整之后，我國逐漸轉入煤炭的深部開采[1-2]，也隨之帶來了“三高一擾動”的影響，其中煤層底板水害問題已成為華北型煤田開采的最大技術難題之一[3]。煤層底板的破壞深度是進行底板突水危險性評價的重要指標[4-5]。受開采擾動影響，工作面前方底板出現(xiàn)增壓區(qū)，底板煤巖體受壓破碎產(chǎn)生底板破壞帶。隨著工作面的推進，周期來壓對底板破壞帶產(chǎn)生遞進效應，并增加原位張裂帶張度。原始導升帶受開采與承壓水的雙重作用下出現(xiàn)張裂遞升等演化，引起隔水關鍵層有效厚度的減少，最終導致底板突水的發(fā)生[6]。因此研究煤層底板的實時破壞特征，掌握煤層底板的動態(tài)破壞規(guī)律，確定底板的最大破壞深度是預防底板突水的有效技術手段[7]。

國內(nèi)外學者針對煤層底板破壞問題開展了大量了研究，最早可追溯至20 世紀中期，M.鮑萊茨基等[8]針對回采期間底板下伏巖層裂隙的發(fā)育及巖層的隆起、破斷等一系列情形作出解釋。N.A 多爾恰尼諾夫[9]認為大埋深情形下，采場圍巖受采動影響由脆性破壞變?yōu)樗苄云茐?，最終導致煤巖體的破碎。劉天泉提出底板受采動影響下伏巖層破壞形成拉漲裂隙帶、變形移動帶以及微變化帶，并逐漸形成了“下三帶”理論[10]。20 世紀80 年代李白英等利用相似模擬實驗方法發(fā)現(xiàn)通過合理布設煤柱寬度可以削弱底板附近斷層活化[11]。20 世紀90 年代初錢鳴高等[12]通過S-R 理論得出在充分采動后底板將形成“O-X”形破壞。

目前測定底板破壞深度的方法主要分為5 個方面，即現(xiàn)場實測、經(jīng)驗公式[13]、理論分析[14]、數(shù)值模擬[15-16]、相似模擬[17]等，其中現(xiàn)場實測法為測定底板破壞深度最準確的方法。張文泉[18]等利用多回路鉆孔研究在大采深情況下傾斜薄煤層的底板采動破壞形態(tài)與特征得出“匙”形結論；張平松[19]等采用震波CT 探測技術通過對各進尺段震波CT 數(shù)據(jù)的采集并分析總結出底板的破壞特征及其動態(tài)發(fā)育規(guī)律；許延春[20]等以趙固二礦為背景采用超聲波技術更加深入研究了采動影響下底板破壞規(guī)律；劉偉韜[21]利用鉆孔沖洗液法并結合數(shù)值模擬深入分析了傾斜工作面底板受采動應力影響下的的應力重分布及破壞特征；20 世紀初，微震監(jiān)測技術逐漸被各大煤礦應用[22]，靳德武提出“井－地－孔”聯(lián)合微震采動底板破壞帶監(jiān)測并通過大數(shù)據(jù)對煤層底板突水進行三維監(jiān)測與智能預警[23]；王進尚以趙固一礦為背景，通過高精度微震確定了底板煤巖體的破壞范圍[24]。本文以九龍礦15249S 工作面為背景，應用微震技術對底板進行動態(tài)監(jiān)測，對底板微震事件頻次、累積能量與推進距離、破壞深度進行相關度分析，揭示了底板破壞帶的空間分布特征，確定了底板破壞深度。

1 工面概況

九龍礦位于峰峰礦區(qū)東南部鼓山背斜東翼，15249S 工作面位于-800 水平，北五采區(qū)下部，南部為工業(yè)廣場2 號煤層保護煤柱，北部為北五采區(qū)三條下山，東部為待掘的15251S 工作面，西部為15247S 采空區(qū)，如圖1 所示。開采煤層工作面煤層賦存穩(wěn)定，平均厚度為7.0 m，分岔后2 煤厚2.8 m。走向長度平均為758 m，傾向長度155 m，面積約117 490 m2，標高為-742.3—-857.7 m。煤層平均傾角為20°，為較穩(wěn)定煤層。工作面推進初期采用單一走向長壁后退式一次采全高采煤方法，煤層合并后采用單一走向長壁后退式放頂煤采煤方法，全部采用垮落法處理采空區(qū)。

圖1 九龍礦15249S 工作面及微震監(jiān)測布置Fig.1 No.15249S Face and microseismic monitoring layout in Jiulong Mine

鉆孔揭露的地層如圖2 所示，由老至新依次為奧陶系中統(tǒng)峰峰組、石炭系中統(tǒng)本溪組、上統(tǒng)太原組、二疊系下統(tǒng)山西組、下石盒子組，上統(tǒng)上石盒子組、石千峰組及三疊系下統(tǒng)劉家溝組、和尚溝組。

圖2 巖層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of rock strata

2 監(jiān)測系統(tǒng)布置

2.1 微震監(jiān)測原理

受開挖擾動，原巖應力平衡被打破，煤巖體受到張拉或擠壓產(chǎn)生裂隙，伴隨著裂隙的初始發(fā)育產(chǎn)生能量較小的地震波，稱之為聲發(fā)射。當裂隙迅速發(fā)育并大范圍擴張時產(chǎn)生的較大能級地震波，稱之為微震。如圖3 所示，地震波分為P 波、S 波，兩種波在介質(zhì)中傳播速度不同，根據(jù)檢波器接收兩種地震波的時差和波速可反演震源位置及其發(fā)生時間。進而對煤巖體的破壞情況進行評估和判斷。

圖3 九龍礦微震原理Fig.3 Microseismic principle of Jiulong Mine

2.2 微震監(jiān)測的布置

為確保監(jiān)控工作的有效性，結合九龍礦目前的巷道系統(tǒng)，檢波器采用環(huán)狀布置，間隔110 m。此次對工作面布設16 個單軸檢波器、16 個通道和2個分站，其中1～8 號檢波器埋設在工作面的上順槽內(nèi)，9～16 號檢波器設在工作面下順槽處，鉆孔直徑不能少于50 mm。檢測井的開孔距離離巷幫0～20 cm，為了保證鉆孔底部不會沉積煤巖泥，應及時設置檢波器，并用水泥澆注，以保證檢波器與孔壁的耦合；孔口安裝管外露高度20～30 cm。鉆孔布置統(tǒng)計見表1。當整個系統(tǒng)安裝完畢并正常運行后，需要進行校正炮的爆破，監(jiān)測區(qū)需要6～10門校正炮，校正炮孔深3～5 m，藥量600～900 g，孔底裝藥，正向爆破。

表1 鉆孔布置統(tǒng)計Table 1 Borehole layout statistics

3 底板微震監(jiān)測結果及分析

3.1 微震事件能量統(tǒng)計

現(xiàn)場監(jiān)測自2020 年11 月1 日開始，截止2021 年3 月30 日回采進尺270 m，平均日進尺1.8 m。共150 d 實行24 h 連續(xù)實時在線監(jiān)測，監(jiān)測到微震事件4 370 個，平均每天29.14 個，其中，頂板圍巖微震事件1 482 個，底板以下微震事件2 888 個。

如圖4、圖5 所示，微震能量主要分布在0～500 J，占比70.64%。近煤層弱事件和工作面上順槽底板事件分布較多。在上順槽部分區(qū)域出現(xiàn)簇狀聚集。微震事件分布密度和能量大小反映了該區(qū)域煤巖裂隙的發(fā)育程度，微震事件發(fā)生頻率越高，能量越高，越易形成底板破碎帶，底板破碎帶的發(fā)育意味著有效隔水層厚度的減小，底板破壞帶發(fā)育到一定深度與導升帶相連，會發(fā)生底板突水，影響開采安全。

圖4 不同能量微震事件占比Fig.4 The proportion of microseismic events with different energy

圖5 微震事件空間分布Fig.5 Spatial distribution of microseismic events

3.2 微震事件頻次及累計能量相關度分析

工作面自切眼位置每推進10.8 m（6 日） 統(tǒng)計一次底板微震事件個數(shù)及其累計能量，結果如圖6 所示，0～54 m 進尺段隨著開采的進行，微震頻次及微震累積能量持續(xù)增大，表明底板圍巖受開挖影響破壞程度不斷加深。在54～64.8 m 進尺段微震事件頻次較高且累計能量到達第一個峰值，在64.8～75.6 m 處微震事件頻次到達峰值，說明在54～75.6 m 進尺段底板破壞范圍廣且破壞程度嚴重，推測出現(xiàn)巖層破斷等范圍集中、能量巨大的劇烈底板活動。

圖6 微震事件頻次及累計能量變化曲線Fig.6 Frequency and cumulative energy change curve of microseismic event

0～108 m 進尺段微震事件呈現(xiàn)高頻次、高累積能量，開挖108 m 后呈現(xiàn)低頻次、高能量，表明在開挖初期微震事件平均能量小于中后期能量。分析開挖初期底板圍巖巖性較弱，破壞產(chǎn)生能量較小，破壞范圍較大。開挖108 m 后大能量事件相對較多，單個微震事件平均能量增加，表明分析該進尺段底板巖性較強，不易產(chǎn)生裂隙但破壞釋放能量較大。從總進尺段來看，微震事件頻次及累積能量成周期性波動，也反映了圍巖活動在開挖擾動下呈周期性變化。微震事件頻次與累計能量趨勢相同，說明單個微震事件平均能量浮動較小，底板受開挖影響較為穩(wěn)定。結合鉆孔數(shù)據(jù)，推測此進尺段底板賦存較為穩(wěn)定。

3.3 底板破壞深度及微震事件空間分布

底板微震事件在走向上均有分布，如圖7 所示，微震事件反映了煤巖體裂隙的生成及其發(fā)育，微震事件的能量高低與煤巖體破壞強度、裂隙發(fā)育速度等有關，微震事件的分布密度則表征了該區(qū)域煤巖體裂隙數(shù)量的大小。大能量微震事件需要加設監(jiān)測點密切關注，一般表現(xiàn)為周期來壓所導致底板增壓區(qū)巖層破斷。小能量分布密集區(qū)域也應標注監(jiān)測，高密度、小范圍微裂隙受擾動易擴張貫通，形成大裂隙最終導致煤巖體的破裂。

圖7 微震事件剖面圖Fig.7 Microseismic event profile

受開采擾動微震事件發(fā)生最遠距離為373 m。微震事件沿走向呈“倒雙峰”式分布，可按微震數(shù)量分布密度將底板劃分為2 個煤層底板破壞帶。2 個破壞帶發(fā)育大小范圍有一定差距，以終采線為界形成了采空區(qū)下的破壞帶Ⅰ以及采空區(qū)前方增壓區(qū)的破壞帶Ⅱ。破壞帶Ⅰ微震事件頻次較高，破壞深度較大，反映在圖上“波形”更加飽滿，波谷相對更深；破壞帶Ⅱ深度較淺，走向上分布相對較為均勻，呈現(xiàn)到圖上為波寬較大，波谷較淺。破壞帶Ⅰ以中、小能量微震事件為主，破壞帶Ⅱ以小能量事件為主，存在部分中等能量事件。2 個破壞帶均處于“2 煤—伏青”層位，且存在極少量大能量事件。

對底板微震事件按高度每5 m 統(tǒng)計，如圖8 所示，微震事件成單峰狀分布，集中發(fā)生在底板下0～15 m 處，占比86.46%，其中5～10 m 微震事件頻次最高，占比52.18%。裂隙發(fā)育最大深度70.46 m，處于“伏青—大青”層位，距離奧灰含水層為53 m。95%的微震事件均分布在底板下25 m 以內(nèi)，認為底板破壞深度為25 m?？紤]到受開采擾動，除底板關鍵層發(fā)生周期性斷裂造成的底板破壞帶外，工作面回采導致的周期來壓對底板破壞帶產(chǎn)生遞進效應，產(chǎn)生新生損傷帶，并促進原位張拉帶裂隙的發(fā)育。底板下50～120 m 為隔水層，隔水層較厚，且經(jīng)鉆孔探測未發(fā)現(xiàn)原始導升帶，故不考慮承壓水影響。

圖8 底板微震事件頻次統(tǒng)計Fig.8 Frequency statistics of floor microseismic events

選取九龍礦15249S 工作面11 月27 日～12 月20 日（開挖48.6～90 m） 的微震事件頻次、微震事件最大深度、微震事件能量累計進行分析，如圖9 所示。日破壞深度增大時，微震事件頻次及累積能量隨之增大，底板破壞深度呈周期性上升，底板破壞最大深度在12 月13 日（開挖77.4 m） 達到峰值33.8 m，該日發(fā)生微震事件38 個，微震事件累計能量74.47 kJ。

圖9 11 月27 日～12 月20 日煤層底板微震相關性分析Fig.9 Correlation analysis of coal seam floor microseism from November 27 to December 20

微震事件累積能量曲線成“雙峰”分布，結合微震事件頻次曲線推測在開挖68.4 m、75.6 m 兩個峰值點處出現(xiàn)來壓。

4 微震監(jiān)測分析結果驗證

目前開采工作面底板破壞深度公式不存在普適性，在大埋深、一次大采高的情況下傳統(tǒng)底板破壞深度公式存在誤差較大的情況。針對這個問題礦大許延春教授收集大量文獻資料并通過回歸分析建立了大埋深條件下的底板破壞公式：

式中：L為工作面的斜長，m；H為煤層埋深，m；α 為煤層傾角，（°）；M為采高，m。

將12249S 工作面的所有參數(shù)代入式（1） 得出底板破壞深度為26.598 5 m，與微震監(jiān)測系統(tǒng)實測結果25 m 基本吻合，驗證了微震對底板破壞深度監(jiān)測的可靠性，確定底板破壞深度為25 m。

5 結 論

（1） 以九龍礦為背景，通過微震監(jiān)測系統(tǒng)對15249S 工作面的應用，對底板裂隙的動態(tài)發(fā)育進行實時監(jiān)測。監(jiān)測結果表明，微震事件以近煤層弱事件為主。底板事件個數(shù)大于頂板事件，上順槽底板事件個數(shù)大于下順槽底板事件。

（2） 分析底板微震事件頻次、累計能量與推進距離的關系，表明隨著工作面的推進，底板破壞程度逐漸加深，微震事件在開挖初期呈現(xiàn)高頻次、高能量，后期為低頻次、高能量。

（3） 基于微震事件的空間分布特征，通過分析得出15249S 工作面底板受回采擾動最終形成2個破壞帶，在走向上呈“倒雙峰”式分布且均處于“2 煤—伏青”層位。底板破壞深度總體上與微震事件頻次及微震事件累計能量成正相關，底板破壞深度為25 m，無突水危險。