工作面過聯(lián)絡(luò)巷微震時空能演化機制研究

趙立松

（1.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺 054000；2.河北省礦井微震重點實驗室，河北 邢臺 054000）

0 引 言

在工作面回采過程中，由于受斷層等地質(zhì)因素的影響或由于運輸任務(wù)的需要，會出現(xiàn)探巷、設(shè)備眼等聯(lián)絡(luò)巷，斜穿工作面，影響正常開采。許多學(xué)者對通過聯(lián)絡(luò)巷頂板支護、礦壓變化等方面做了研究分析，張黨育[1]等人以東龐煤礦9212 工作面過老巷為例，對其過老巷期間頂板微震響應(yīng)的時空演化規(guī)律進行了描述，并應(yīng)用主成分分析與熵權(quán)法確定綜合權(quán)重，基于脆弱性指數(shù)法建立了危險性評價模型，為類似條件下過老巷頂板支護管理提供了參考。柏建彪[2]等人通過建立空巷頂板穩(wěn)定性的力學(xué)模型，對工作面前方空巷基本頂?shù)姆€(wěn)定性進行了研究分析。張德寶[3]在其碩士論文中采用理論研究、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實測等方法研究了工作面推進過程中的礦壓顯現(xiàn)特征及空巷與工作面相互影響情況，分析了平行與工作面的空巷在回采過程中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及破壞規(guī)律。郭富利[4]圍繞綜放工作面空巷圍巖關(guān)鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等問題，提出了空巷“小結(jié)構(gòu)”-錨桿與圍巖作用而形成的共同承載結(jié)構(gòu)的觀點，形成了綜放工作面過空巷時空巷圍巖穩(wěn)定及其控制的理論體系。任建峰[5]以斜溝煤礦8 號煤層為地質(zhì)原型對大采高工作面過空巷時的支承壓力分布進行模擬分析，得出工作面回采過程中不同階段圍巖應(yīng)力分布情況進行了分析。張浩、唐海波、徐躍強等[6-8]對工作面過空巷也都做了一些研究分析。張峰[9]采用理論分析和現(xiàn)場調(diào)研的方法總結(jié)深部破碎巷道圍巖的變形特征，提出了多種方法聯(lián)合支護對圍巖進行控制，并對支護效果進行了評價證明其支護方式的可行性。

本文以峰峰集團羊東礦8470 工作面為例，在基于礦井微震監(jiān)測所得的連續(xù)實時數(shù)據(jù)，對頂板、底板微震事件時空、能量演化規(guī)律進行分析、研究，總結(jié)了其通過聯(lián)絡(luò)巷階段的特征，可為類似條件下工作面安全通過聯(lián)絡(luò)巷提供參考。

1 工程概況

羊東礦8470 工作面為4 號煤綜采工作面，標(biāo)高為-611—-793 m，運料巷長為1 120 m，溜子道長1 340 m，采寬130 m。羊東礦8470 工作面東部以8468 工作面為界，西部以8466 采空區(qū)為界，南部以五二采區(qū)三條下山為界，北部以F30 斷層預(yù)留防水煤柱為界。該工作面地質(zhì)條件較復(fù)雜，呈褶曲構(gòu)造形態(tài)，外段為背斜，里段為向斜，煤巖層走向為N53°W ～N84°E，傾角2° ～28°，平均14°，煤層厚度1.20 ～1.96 m，平均厚度1.3 m，其柱狀圖如圖1 所示，受下伏奧灰水威脅，屬帶壓開采，水文條件復(fù)雜。

圖1 羊東礦8470 工作面柱狀圖Fig.1 Histogram of No.8470 Face in Yangdong Mine

該工作面開采4 號煤，頂板為野青灰?guī)r含水層，該含水層富水性弱，隨巷道掘進揭露以滴淋水形式可逐漸疏干，一般不會對正常掘進造成影響。底板含水層依次為伏青灰?guī)r含水層、大青灰?guī)r含水層、奧灰含水層。伏青含水層近3 a 最高水位為-605 m，根據(jù)工作面周邊809 號鉆孔資料分析，距野青煤層最小間距29.56 m。8470 工作面（里段）區(qū)域治理目的層為奧陶系灰?guī)r含水層頂面向下30～40 m。2020 年，對8470 工作面及巷道內(nèi)小構(gòu)造及構(gòu)造導(dǎo)水性、富水異常區(qū)探查及治理。

2 8470 工作面微震系統(tǒng)布置

檢波器合理有效的布設(shè)對煤礦水害微震監(jiān)測系統(tǒng)精確定位十分重要，本著立體化交錯布置、經(jīng)濟合理等原則，該工作面微震監(jiān)測項目共布置單軸檢波器20 個，共3 個分站，其平面位置如圖2 所示。通過檢波器接收煤巖體在變形、破裂過程中的微震事件信號[10]，進行微破裂發(fā)生位置定位，同時得出能量、震級、視體積等屬性參數(shù)?；谌S可視化地質(zhì)建模理論和技術(shù)，根據(jù)羊東礦采掘工程平面圖及8470 工作面附近鉆孔柱狀圖，對煤系地層及巷道工程進行三維地質(zhì)建模。經(jīng)過收集原始資料結(jié)合采礦、水文地質(zhì)對層段進行劃分，得到煤系相關(guān)地層的頂?shù)捉缑?，從上往下依次? 煤淺部、2 煤-野青底、野青底-山伏青底、山伏青底-大青底、大青底-奧灰頂、奧灰以深。微震監(jiān)測系統(tǒng)實時傳輸數(shù)據(jù)至服務(wù)器，根據(jù)礦方生產(chǎn)情況制定日報監(jiān)測周期，每天進行數(shù)據(jù)處理，然后展點上圖，將頂板事件、底板事件等分別進行平面、順巷剖面、垂巷剖面展布。

圖2 8470 工作面微震監(jiān)測陣列布置Fig.2 Microseismic monitoring array layout in No.8470 Face

3 過聯(lián)絡(luò)巷階段微震事件時空能演化機制

8470 面共存在2 條聯(lián)絡(luò)巷巷道（即聯(lián)絡(luò)巷），是羊東礦為分頭采煤拉運設(shè)備使用的，其中1 條在距離運料巷切眼96 m、溜子道切眼200 m 處，即本文中所監(jiān)測區(qū)域范圍的聯(lián)絡(luò)巷，在4 號煤回采工作面中以53°的夾角與8470 工作面兩平巷斜交。

結(jié)合9 月1 日—9 月3 日微震日報平面分布圖，如圖3 所示。9 月1 日微震事件主要分布在采線與聯(lián)絡(luò)巷巷道之間的位置，尚未影響到聯(lián)絡(luò)巷區(qū)域。9 月2 日采線附近微震事件開始增多，且聯(lián)絡(luò)巷與下巷交叉三角區(qū)域開始出現(xiàn)事件，至9 月3 日時該位置持續(xù)有事件。9 月2 日時微震事件發(fā)育頻次比9 月1 日增大，能量參數(shù)振幅同時有大幅度增加趨勢。因此選擇9 月2 日為聯(lián)絡(luò)巷超前影響區(qū)開始的位置。此時推進15.1 m，超前影響范圍為采線前方105 m。10 月24 日工作面推至聯(lián)絡(luò)巷與運料巷交叉處，共推進93.1 m。

圖3 微震事件平面分布圖（9.1-9.3）Fig.3 Plane distribution of microseismic event（9.1-9.3）

考慮工作面巷道布置、微震事件超前影響范圍等多因素，將整個研究區(qū)域劃分為2 個研究階段，聯(lián)絡(luò)巷超前影響階段（9.2-10.23）、通過聯(lián)絡(luò)巷階段（10.24-12.15），如圖4 所示。

圖4 8470 工作面階段劃分示意Fig.4 Stage division of No.8470 Face

3.1 各研究階段頻次特征

聯(lián)絡(luò)巷超前影響階段共監(jiān)測到微震事件14 744個，日均284 個。據(jù)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，微震事件數(shù)量對比柱狀圖如圖5 所示，4 號煤以上事件5 963 個，占總數(shù)的40.4%，野青底-伏青底8 667個，占總數(shù)的58.8%，伏青底-大青底114 個，占總數(shù)的0.8%。

圖5 微震事件數(shù)量對比柱狀圖Fig.5 Histogram of microseismic events number comparison

通過聯(lián)絡(luò)巷階段共監(jiān)測到微震事件14 899 個，日均276 個，相比超前影響階段有所下降。4 號煤以上事件5 277 個，占總數(shù)的35.4%，野青底-伏青底9 455 個，占總數(shù)的63.5%，伏青底-大青底167 個，占總數(shù)的1.1%。

結(jié)合圖5 可以看出，在通過聯(lián)絡(luò)巷階段中4 煤以下底板事件占比增加，且山伏青以深事件占比也有所上升，分析認為，在通過聯(lián)絡(luò)巷過程中巷道交叉處形成的三角區(qū)域應(yīng)力集中釋放，應(yīng)力傳導(dǎo)范圍增大，底板事件占比增大，擾動深度增大。

3.2 微震事件時空演化規(guī)律

根據(jù)所劃分的研究階段，選取起始日期以及通過聯(lián)絡(luò)巷的關(guān)鍵時間節(jié)點，結(jié)合微震日報，分析其事件隨著回采的推進在時空分布上的變化規(guī)律。結(jié)合微震平面分布圖可以直觀、深入的了解事件發(fā)育規(guī)律[11]。各研究階段微震事件平面分布趨勢變化圖如圖6 所示。9 月2 日工作面回采至15.1 m 處，采線距離聯(lián)絡(luò)巷90 m 處，聯(lián)絡(luò)巷附近微震事件數(shù)量開始增多，其位置主要是聯(lián)絡(luò)巷與運料巷交叉處，其平面分布如圖6（a） 所示，直到10 月23 日為聯(lián)絡(luò)巷超前影響區(qū)域，聯(lián)絡(luò)巷附近微震事件頻次開始增大。在整個超前影響階段內(nèi)，微震事件主要是在聯(lián)絡(luò)巷與運料巷交叉處形成的三角區(qū)域內(nèi)事件密度較大。分析認為，靠近聯(lián)絡(luò)巷一側(cè)煤巖體受到采動應(yīng)力和超前支承壓力的疊加影響，上覆巖體載荷不斷增加，容易發(fā)育微震事件。

圖6 各研究階段微震事件平面分布趨勢變化圖Fig.6 The trend change diagram of microseismic events plane distribution in each research stage

10 月24 日，工作面推進至聯(lián)絡(luò)巷與運料巷交叉處，微震事件數(shù)量驟增，且底板事件增幅較大。如圖6（b） 所示，事件沿聯(lián)絡(luò)巷兩側(cè)密集分布，聯(lián)絡(luò)巷靠近工作面一側(cè)的應(yīng)力與工作面超前支承壓力在推采過程中開始疊加，按照此時推采位置來看，采空區(qū)面積也不斷增大，巷道內(nèi)圍巖應(yīng)力急劇上升，圍巖破碎活動密集，微震事件高度發(fā)育。11月5 日，采線到達聯(lián)絡(luò)巷約21 m 處，如圖6（c）所示，微震事件數(shù)量仍持續(xù)處于高位，且事件主要分布在聯(lián)絡(luò)巷兩側(cè)，隨著工作面的推進，密集區(qū)域由聯(lián)絡(luò)巷與運料巷交叉處逐漸發(fā)育至聯(lián)絡(luò)巷與溜子道交叉口處。11 月16 日，回采至聯(lián)絡(luò)巷中間位置，微震事件密集帶位于采線前方，事件分布主要在聯(lián)絡(luò)巷與溜子道交叉處，此時形成的三角區(qū)域圍巖應(yīng)力集中，如圖6（d） 所示，應(yīng)力場變化受到巷道影響。12 月2 日，回采正在通過聯(lián)絡(luò)巷，推進速度的變慢，周圍圍巖應(yīng)力長時間的釋放，如圖6（e） 所示，微震事件分布在聯(lián)絡(luò)巷附近且相對減少。12 月15 日安全通過聯(lián)絡(luò)巷。

總體來看，工作面內(nèi)的聯(lián)絡(luò)巷為薄弱區(qū)域，在采動應(yīng)力、聯(lián)絡(luò)巷圍巖應(yīng)力以及斷層構(gòu)造等疊加作用影響下，聯(lián)絡(luò)巷處圍巖特別是與上下巷連通形成三角形的應(yīng)力集中區(qū)更易發(fā)生微破裂事件。隨著回采推進，在靠近聯(lián)絡(luò)巷附近有一個突變，微震事件擾動深度增加，深部事件增多，而后事件逐漸較少。

3.3 能量分布規(guī)律

在本文中用的能量參數(shù)為振幅A，能量E 與振幅A 的平方成正比。對該監(jiān)測周期內(nèi)的微震數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，微震事件振幅分段柱狀圖如圖7 顯示，微震事件的振幅集中在1 000 以內(nèi)，占總數(shù)的94%，絕大多數(shù)集中在0 ~ 300。小能量事件占比較大，說明推采過程中，聯(lián)絡(luò)巷圍巖發(fā)生較多小破裂，結(jié)合微震事件發(fā)育層位，在超前影響和通過聯(lián)絡(luò)巷階段，近煤層事件較多，深部發(fā)育趨勢不明顯。

圖7 微震事件振幅分段柱狀圖Fig.7 The segmented histogram of microseismic event amplitude

將單日微震事件數(shù)量與振幅總和做成點線圖如圖8 所示，這也反映了振幅時間分布特征。在超前影響階段大能量事件較少，在采線剛剛推至聯(lián)絡(luò)巷處，數(shù)量突增，大能量事件分布密度明顯增大，特別是采線前方50 m 范圍內(nèi)大能量事件占比大，在通過聯(lián)絡(luò)巷四分之三處大能量事件密度降低。通過聯(lián)絡(luò)巷階段，微震事件整體呈現(xiàn)出高頻次高能量、高頻次低能量、低頻次低能量3 個階段變化。

圖8 微震事件數(shù)量與振幅變化曲線圖Fig.8 Curves of number and amplitude variation of microseismic events

從微震事件振幅空間分布圖9 中可以看出隨著離煤層距離越遠，微震事件的數(shù)量和振幅都有減少的趨勢。大振幅主要集中在頂板30 m～底板23 m范圍內(nèi)，距離煤層較近。煤層底板以上方向上來看，頂板0 ～30 m 微震事件聚集，說明該空間范圍內(nèi)上覆圍巖巖體破碎、變形程度較大，裂隙充分發(fā)育，30 m 以上微震事件頻次、能量均有大幅減小，說明該范圍巖石變形程度較差。煤層底板以深方向上來看，距離煤層底板0 ～25 m 微震事件頻次高。

圖9 微震事件能量空間分布圖Fig.9 Spatial distribution of microseismic event energy

3.4 垂向分布特征

垂向上微震事件每日頂?shù)装宸植挤秶鐖D10所示，超前影響階段微震事件擾動范圍要大于通過老巷階段。在采線推進至聯(lián)絡(luò)巷時，微震事件響應(yīng)劇烈時，頂板發(fā)育高度和底板破壞深度都有大幅增加，在4 d 之后，擾動范圍減小。分析認為，在超前影響階段，采動應(yīng)力、原巖應(yīng)力積聚，在通過聯(lián)絡(luò)巷時逐漸釋放，在應(yīng)力突變期有急劇擴展，是應(yīng)力場由增大到集中，然后到釋放的一個過程。

圖10 微震事件每日頂?shù)装宸植挤秶鷪DFig.10 Distribution range of daily microseismic events in roof and floor

整個監(jiān)測周期內(nèi)，頂板事件99.3%事件集中發(fā)育在50 m 范圍內(nèi)，底板事件中64.28%的微震事件集中在野青底至伏青，平均發(fā)育深度在底板下31.4 m，山伏青底至大青底含水層事件較多，無大青底以深微震事件發(fā)生。表明8470 工作面微震事件主要由回采擾動造成，且采線中部位置底板破裂較為嚴(yán)重，但采動破壞深度有限，未形成深部有效導(dǎo)水通道。

4 結(jié) 論

（1） 工作面通過聯(lián)絡(luò)巷時呈現(xiàn)階段性特征。隨工作面的推進，靠近聯(lián)絡(luò)巷附近有1 個突變，微震事件擾動深度增加，深部事件增多，而后事件逐漸較少。

（2） 聯(lián)絡(luò)巷與其他巷道交叉處為應(yīng)力集中區(qū)，易發(fā)育微震事件，說明其圍巖易破碎，屬于薄弱區(qū)域。在今后工作面中出現(xiàn)類似老巷情況時在超前影響范圍內(nèi)應(yīng)做好頂板管理工作。

（3） 在超前影響階段內(nèi)事件能量較低，隨著工作面的推進，離聯(lián)絡(luò)巷位置越近，大能量事件開始增多。在到達聯(lián)絡(luò)巷四分之三處，能量分布開始減少。

（4） 在通過聯(lián)絡(luò)巷期間，垂向上主要是近煤層事件，深部發(fā)育特征不明顯。