不規(guī)則工作面微震時(shí)空演化規(guī)律研究

周金艷

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺(tái) 054000；2.河北省礦井微震重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邢臺(tái) 054000）

0 引 言

煤礦回采過程中，由于工作面巷道布置、地質(zhì)條件等因素的影響，不規(guī)則工作面出現(xiàn)的情況逐漸增多。不規(guī)則工作面主要表現(xiàn)為工作面傾向長度的變化，有的變化幅度較大，有的呈現(xiàn)刀把形，其在回采過程中，應(yīng)力場變化不同于規(guī)則工作面。近年來微震技術(shù)因其具有監(jiān)測范圍廣、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于煤礦回采過程中覆巖運(yùn)動(dòng)、底板破壞、導(dǎo)水通道監(jiān)測等?？琢詈５萚1]基于工作面微震監(jiān)測數(shù)據(jù)研究了采動(dòng)覆巖裂隙空間分布特征；周金艷[2-3]深入挖掘九龍礦微震監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)其時(shí)空響應(yīng)特征進(jìn)行了總結(jié)；盧邦穩(wěn)[4]等對(duì)邢東225 工作面覆巖活動(dòng)規(guī)律和回采巷道采動(dòng)影響變形規(guī)律進(jìn)行分析。對(duì)于規(guī)則工作面采動(dòng)影響下的微震事件時(shí)空分布規(guī)律已有豐碩的成果，但對(duì)于不規(guī)則工作面微震事件發(fā)育特點(diǎn)總結(jié)較少，理論也不完善。因此，本文結(jié)合梧桐莊182300 工作面微震實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，從時(shí)間序列、空間分布入手，深入分析其頻次、能量、空間分布等規(guī)律，為今后類似情況提供參考。

1 工程概況

梧桐莊礦182300 工作面地面標(biāo)高為＋217—＋238 m，煤層底板標(biāo)高為-653—-547 m，埋深800 m 左右。井下位于三采區(qū)北翼，東與182300下工作面以F18 斷層相隔，西與182302外下工作面以SF17 斷層相隔，南為三采區(qū)準(zhǔn)備大巷，北距182207 工作面150 m。走向長度662 m，傾向長度56～170 m，回采煤層為2 煤，平均煤厚為3.5 m，頂?shù)装鍘r性見表1。該工作面位于神崗向斜兩翼，地層走向N20°W～N54°E，傾向由SE 轉(zhuǎn)為SW，傾角0°～24°，平均15°。工作面西鄰SF17 斷層，東臨F18 斷層，兩斷層經(jīng)周圍巷道實(shí)際揭露及區(qū)域治理鉆孔探查，控制程度高，均不導(dǎo)（含） 水。

表1 頂?shù)装逄卣鱐able 1 Characteristics of roof and floor

結(jié)合該工作面巷道布置、水文地質(zhì)條件等，微震監(jiān)測項(xiàng)目共設(shè)計(jì)安裝單軸檢波器11 個(gè)，2 個(gè)監(jiān)測分站。檢波器采用包圍式方式布置，檢波器間距100～130 m。每日由專業(yè)人員結(jié)合微震事件時(shí)序、空間特征等分析得出監(jiān)測日報(bào)發(fā)送至礦方，重點(diǎn)探查其垂向隱伏導(dǎo)水通道的形成。

2 微震事件時(shí)序特征

微震事件隨著時(shí)間軸的延長呈現(xiàn)出一定的發(fā)育特征即為微震事件的時(shí)序特征，揭示了微震事件隨時(shí)間序列變化發(fā)生的變化。182300 工作面監(jiān)測周期為2022 年1 月12 日～7 月12 日，監(jiān)測期間微震事件總數(shù)為8 170 個(gè)，日均45 個(gè)。

2.1 頻次時(shí)序特征

頻次可以反映煤巖體變形破壞速度，頻次越高，裂紋發(fā)生發(fā)展速度越快。在182300 工作面監(jiān)測周期內(nèi)，隨著時(shí)間推進(jìn)，頻次分布如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測周期內(nèi)微震事件頻次柱狀圖Fig.1 Microseismiceventfrequencyhistograminmonitoringperiod

由圖1 可以看出，回采初期微震事件頻次較高，應(yīng)力場內(nèi)平衡被打破，巖體發(fā)生破裂變形，微震事件頻繁發(fā)育，且隨著推進(jìn)，工作面傾斜長變化幅度較大，圍巖破斷區(qū)不斷增大，因此微震事件頻次較高；隨著回采推進(jìn)，傾斜長變化幅度減小，且采空區(qū)面積不斷增大，應(yīng)力卸荷面積增大，微震事件發(fā)育頻次有所降低。停采后微震事件頻次逐漸降低，也說明微震事件受采動(dòng)活動(dòng)影響較多。

2.2 單日24 小時(shí)玫瑰圖

將回采周期內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行24 h 統(tǒng)計(jì)分析，如圖2所示，2 煤以淺層段發(fā)育密集。野青下-山伏青下層段事件在1～3 時(shí)發(fā)育較多，與回采活動(dòng)相關(guān)。

圖2 單日24 小時(shí)玫瑰圖Fig.2 Rose chart of 24 hours for a single day

2.3 能量時(shí)序特征

微震現(xiàn)象就是失穩(wěn)破壞發(fā)生前巖體給出的重要信息之一。能量反映了煤巖體變形破壞的程度，能量越高，煤巖體應(yīng)力集中程度越大，破壞越嚴(yán)重。將182300 工作面監(jiān)測周期事件能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合能量分段柱狀圖3 來看，182300 回采期間小能量事件頻次最多，占比最大，為58.87%，中等能量事件個(gè)數(shù)次之，大能量事件個(gè)數(shù)最少。工作面內(nèi)小能量占比較大，說明回采過程中，巖體破裂尺度微小，釋放能量較小，未向深部、大尺度擴(kuò)展延伸。停采后，小能量事件占比大幅降低，中等能量占比增大，采空區(qū)內(nèi)應(yīng)力場處于恢復(fù)期，可能存在大的垮落、變形，也有可能受到施工活動(dòng)影響，造成能量較為集中的釋放。

圖3 不同階段能量對(duì)比柱狀圖Fig.3 The energy contrast histogram of different stages

將頂板、底板中大能量事件展點(diǎn)到圖件上，其平面分布如圖4 所示，主要集中分布在回采初期傾斜長變化較大區(qū)域、回采后期停采線附近。回采初期一方面是回采活動(dòng)打破工作面內(nèi)應(yīng)力平衡，一方面是工作面傾斜長變化幅度較大，且存在巷道轉(zhuǎn)彎處，因此存在大能量事件?；夭珊笃谕２删€附近巷道較為密集，且巷道東西兩側(cè)為實(shí)體煤區(qū)域，應(yīng)力集中程度較高，因此大能量較為密集。

圖4 大能量事件分布Fig.4 Distribution of large energy events

3 空間分布特征

182300 工作面傾斜長變化較大，從回采初期的56 m 逐漸增加至170 m，整個(gè)工作面形狀不規(guī)則。在回采過程中，隨著采線位置的前移，微震事件發(fā)育規(guī)律有所不同。

3.1 回采初期

在回采初期（2022 年1 月），微震事件平面分布如圖5 所示，事件主要集中分布在采線附近，受回采擾動(dòng)影響明顯。分析認(rèn)為該階段內(nèi)工作面由56 m 逐漸增加至125 m，從開切眼開始向前推移，直接頂懸露面積不斷增大，頂板來壓顯現(xiàn)加劇。初期上覆巖體破斷形式多樣化，巖層運(yùn)移極不規(guī)則，支承壓力的分布也出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性。

結(jié)合1 月份事件分布來看，如圖6 所示，事件超前擾動(dòng)范圍為40 m，采空區(qū)后方微震事件零星出現(xiàn)；另有一部分事件沿回風(fēng)順槽分布。在工作面回采至巷道拐彎處，微震事件單日從94 增加至126 個(gè)，底板事件由48 增加至95 個(gè)，增長了97.9%。底板事件占比增大，且擾動(dòng)深度最深為60.54 m，較前期有所加深。分析為此處回風(fēng)順槽處于拐彎處，應(yīng)力場波動(dòng)較大，且采空區(qū)內(nèi)上覆圍巖垮落，形成微震事件密集區(qū)。

圖6 微震監(jiān)測日報(bào)（2022.1.25）Fig.6 Microseismic monitoring daily report(2022.1.25)

3.2 回采中期

從2 月開始工作面傾斜長增加幅度變緩，結(jié)合微震事件分布來看（圖7） 事件分布逐漸分散，整體較初期頻次發(fā)育有所降低。采線附近底板事件密度較大，且靠近運(yùn)輸順槽，分析與該工作面周圍均為采空區(qū)有關(guān)，底板擾動(dòng)深度較大。山伏青層段事件發(fā)育在神崗向斜兩翼較為發(fā)育，在K2 物探異常區(qū)內(nèi)擾動(dòng)深度較深，走向方向上微破裂有逐漸向采空區(qū)延伸的趨勢，事件隨著回采推進(jìn)而有規(guī)律的進(jìn)行前移，未監(jiān)測到山伏青以深層段事件，未發(fā)現(xiàn)有明顯聚集情況，事件分布較為分散，分析為單一裂縫發(fā)育，形成有效導(dǎo)水通道可能性極低。1、2月份沿回風(fēng)順槽事件較多，主要為相鄰工作面182302 撤架作業(yè)影響所致。

圖7 2 月微震事件平面分布Fig.7 Plane distribution of microseismic events in February

2 月份該工作面持續(xù)存在山伏青以深事件，2月20 日伏青事件數(shù)量最多，為19 個(gè)，事件分布如圖8 所示，此時(shí)工作面推進(jìn)217 m，擾動(dòng)深度52.08 m。分析與物探異常區(qū)相關(guān)，該處地質(zhì)條件較為薄弱，山伏青事件數(shù)量較多。

圖8 微震監(jiān)測日報(bào)（2022.2.20）Fig.8 Microseismic monitoring daily report(2022.2.20)

隨著回采推進(jìn)，頂板事件占比逐漸增加，底板占比減小，且擾動(dòng)深度有所降低。進(jìn)入3 月份后，結(jié)合微震事件平面分布圖9 來看，主要分布在切眼前方314 m 至停采線區(qū)域。結(jié)合單日微震監(jiān)測情況（圖10） 來看，事件分布比較分散，采線附近聚集密度低，分布在采線前方150 m 范圍內(nèi)。3 月份時(shí)工作面基本推采至中部，且傾斜長變化幅度較小，處于神崗向斜南翼，埋深逐漸減小，由深向淺發(fā)育，頂板巖體破裂明顯，頂板微震事件隨著回采推進(jìn)有規(guī)律的前移。底板事件主要為野青層位事件，且向西南方向發(fā)育密度較大，分析可能與該方向上山伏青放水孔相關(guān)。

圖9 3 月份微震事件平面分布Fig.9 Plane distribution of microseismic events in March

圖10 微震監(jiān)測日報(bào)（2022.3.24）Fig.10 Microseismic monitoring daily report(2022.3.24)

3.3 回采末期

進(jìn)入4 月份后，工作面逐漸變得傾斜，此時(shí)工作面回采進(jìn)入回采后期，其平面分布如圖11 所示。

圖11 4～6 月份微震事件平面分布Fig.11 Plane distribution of microseismic events from April to June

事件主要分布在切眼前方490 m 至停采線區(qū)域內(nèi)。結(jié)合微震監(jiān)測日報(bào)來看，事件超前分布范圍約為采線前方100 m。山伏青含水層事件主要分布在停采線附近偏向回風(fēng)順槽，分析該處可能受到山伏青放水孔影響，采場范圍內(nèi)承壓水水壓有所變化，同時(shí)在采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)下，底板擾動(dòng)深度較前期有所增加。在前期回采時(shí)兩側(cè)采空區(qū)進(jìn)行了卸壓，300工作面內(nèi)應(yīng)力變化較小。進(jìn)入回采末期，工作面外實(shí)體煤區(qū)域增大，導(dǎo)致采動(dòng)應(yīng)力在覆巖和底板巖層中演化的非線性特征更加明顯，從3 月份到4 月份，山伏青層段事件由12 個(gè)增加至131 個(gè)，圍巖失穩(wěn)變形程度較大，因此微震事件密集發(fā)生。

4 結(jié) 論

（1） 隨著工作面傾向長度變化，微震事件頻次會(huì)呈現(xiàn)正相關(guān)變化。工作面傾向長度一直在增大，微震事件數(shù)量持續(xù)處于高位；隨著回采推進(jìn)，工作面傾向長度變化幅度變小，微震事件頻次有所降低。

（2） 微震事件發(fā)育受回采擾動(dòng)明顯，停采后微震事件頻次明顯降低。微震事件空間分布隨著采線的前移而有規(guī)律的前移。

（3） 182300 回采期間小能量事件頻次最多，占比最大，為58.87%，大能量事件個(gè)數(shù)最少，說明回采期間巖體破裂尺度微小，未向深部、大尺度擴(kuò)展延伸，保障了工作面安全回采。