基于微震分布特征的覆岩结构演化规律研究

2023-12-29白贤栖曹安业曾海利张德兵秦续峰张润兵

煤矿安全 2023年12期

马祥，白贤栖，曹安业，曾海利，黄锐，张德兵，秦续峰，张润兵

（1.内蒙古伊泰集团红庆河煤矿，内蒙古鄂尔多斯 017202；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116）

邻空侧工作面回采受侧向覆岩结构运动、区段煤柱宽度与工作面回采扰动等叠加影响，极易诱发煤岩动力灾害[1-2]。同时，微震是煤岩体应力超过极限平衡状态产生的破裂、顶板破断、垮落等过程中产生的弹性波信号[3]，国内外学者将微震监测作为冲击地压预测预报及机理研究的手段开展了大量的研究[4-5]。根据微震监测结果判断煤岩体应力分布状态及覆岩运移规律，不仅可以预测矿山动力灾害、评价岩层运动，还对解决工程实际问题具有重要的参考意义[6]。

夏永学等[7]基于微震监测数据定量分析了煤矿采场超前支承压力的分布特征；孔令海[8]采用高密度微震监测系统分析了微震事件与上覆岩层运动、围岩破裂及支承压力分布等之间的关系；田水承等[9]通过分析工作面推进过程中的微震分布情况，确定了工作面的周期来压步距及裂隙带高度；CAI 等[10]将微震数据进一步处理，确定了工作面回采期间的静载应力集中区与动载应力影响区。另外，国内外学者对临空侧区段煤柱宽度、覆岩结构运移特征等与冲击地压的关系也进行了大量的研究。柏建彪等[11]认为沿空巷道留设宽煤柱易积聚弹性能，对防冲不利；李学华等[12]认为沿空巷道留设小煤柱能有效降低围岩应力，并提出了冲击倾向性围岩沿空巷道的防冲控制原理；窦林名等[13]指出坚硬顶板破断对于临空侧巷道冲击具有重大的影响；申艳军等[14]通过分析不同条件下工作面回采期间的监测数据，发现无煤柱开采，工作面前方的应力集中系数最大，微震影响范围更大；GUO 等[15]研究表明临空宽煤柱工作面开采具有远场、近场关键层失稳破断特征。以上研究均表明微震监测可用来分析煤岩体应力分布特征及覆岩运移规律，但如何确定微震监测与煤岩体应力分布特征的内在关系，以及如何通过微震监测确定覆岩运移情况仍需进一步研究。

呼吉尔特矿区地质构造不发育、煤层较厚，诸多矿井建井初期未充分考虑冲击地压问题，留设了30～60 m 的区段煤柱，加之工作面邻空回采增加了工作面的冲击危险性[16]。红庆河煤矿402工作面一侧为401 采空区，中间留设有40 m 的区段煤柱，工作面回采过程中大能量微震事件频发，偶有破坏性较小的动力显现事件发生，尤其是临空侧巷道受影响较为明显。因此，研究红庆河煤矿邻空工作面回采微震分布特征及覆岩运移规律对指导红庆河煤矿及类似条件下工作面安全开采具有重要的指导价值。

1 工程概况

1.1 工程背景

红庆河煤矿402 工作面为四采区第2 个工作面，其东南侧为401 采空区，区段煤柱宽度为40 m；另一侧为未开采的403 工作面。402 工作面走向长度3 616 m，面宽246 m，开切眼外错401 采空区665 m，终采线外错401 采空区435 m。工作面开采深度为690～710 m，主采3-1 煤层，煤层平均厚度6.3 m，煤层直接顶为砂质泥岩，基本顶为中砂岩或含砾粗砂岩，直接底砂质泥岩。经鉴定402工作面所采煤层具有强冲击倾向性，顶底均具有弱冲击倾向性；经评价402 工作面回采期间具有中等冲击危险性。

1.2 微震监测系统布置方案

红庆河煤矿安装有ARAMIS M/E 微震监测系统，其中用于监测402 工作面的有3 个探头、5 台拾震器，探头安装在402 辅运巷内，间距为200～500 m；拾震器安装在403 辅运巷内，间距为800～1 200 m，并随工作面回采逐渐向前挪移。由于3-1 煤层为近水平煤层，且微震传感器为单分量、速度型，微震事件的三维空间定位误差较大，因此红庆河煤矿引入了ARP2000 地面微震探头，监测覆盖半径为1 600 m，保证了402 工作面微震事件平面、空间定位的准确性[17]。402 工作面微震台站、探头及ARP2000 探头安装示意图如图1。

2 邻空宽煤柱工作面顶板结构特征

2.1 工作面顶板关键层确定

邻空工作面回采过程中，区段煤柱的宽度决定了上覆岩层能否形成相互作用的空间结构，当工作面区段煤柱小于一定值时，工作面之间覆岩将会协同运动，形成相互作用的空间结构。红庆河煤矿402 工作面与401 采空区之间留有40 m 的区段煤柱，402 工作面回采期间受侧向采空区的影响，靠采空区侧的顶板结构可能与侧向采空区的覆岩产生协同运动，容易诱发大量的微震事件。因此，需对402 工作面的顶板结构进行分析。

对于不同厚度的顶板结构，可结合关键层理论确定钻孔的关键层[18]。

式中： (qn)m为第n层顶板对第m层顶板的载荷，MPa；m、n、i分别为顶板岩层序号；Em、Ei分别为第m、i层覆岩的弹性模量，GPa；hm、hi分别为第m、i层覆岩的层厚，m；ρi为第i层覆岩的密度，t/m3；g为重力加速度，m/s2。

当第n层对第m层顶板的载荷(qn)m小于第n-1 层对第m层顶板的载荷(qn--1)m，可判定第n层覆岩层为关键层。

402 工作面综合柱状图如图2。结合关键层的判定公式，可得距煤层23.54 m、厚度为9.98 m 的中粒砂岩为亚关键层1，距煤层98.69 m、厚度为66.89 m 的粗粒砂岩为亚关键层2，距煤层229.14 m、厚度为122.92 m 的中、细粒砂岩层组为亚关键层3，距煤层438.99 m、厚度为100.46 m 的中粒砂岩为主关键层。

图2 402 工作面综合柱状图及关键层Fig.2 Working face comprehensive histogram and key layers

2.2 关键层导致支承压力增量

关键层的存在会显著影响工作面的支承压力分布情况，并且不同层位的关键层对工作面支承压力影响不同。弯曲下沉带的岩层可看做无限长的弹性基础梁，梁的挠曲在关键层下方形成支承压力；裂隙带岩体可看做半无限长的弹性基础梁，断裂带岩体破断后会在煤体上方相应位置处产生附加载荷和弯距作用，在附加载荷和弯矩的共同作用下产生支承压力；同时，直接顶对煤体的支承压力分布影响较小，基本顶的支承压力可按断裂带岩体进行计算[19]。

根据关键层位置的断裂带高度算法[20]，结合红庆河煤矿首采工作面覆岩“三带”高度测试可知，402 工作面的冒采比大致为7.25，裂采比为17.7。因此，402 工作面实体煤段回采时，亚关键层1 处于垮落带范围，亚关键层2 处于断裂带范围，亚关键层3、主关键层处于弯曲下沉带范围。

对于断裂带岩层，其下方支承压力增量为：

针对402 工作面，不同岩层产生的支承压力的增量情况如图3。

图3 顶板破断影响下支承压力分布情况Fig.3 Distribution of abutment pressure under roof fracture

综上，402 工作面上方存在多层层厚较大的关键层，关键层的存在会使支承压力的峰值以及影响范围显著增加。同时，微震是煤岩体产生裂隙、破断、失稳等宏观破坏的产物，与工作面采场周围的高应力区及围岩破裂密切相关。因此，通过分析工作面周围微震空间分布和演化特征，可进一步确定工作面附近的高应力区及顶板破断形态。

3 邻空宽煤柱工作面回采微震分布特征

3.1 工作面回采微震空间可视化分析

微震监测信号是一个多维空间的监测信息，具有时间、空间、强度三要素，通过微震定位分析可直观地表述震源发生的频次、位置、能量等，但无法定量分析监测区域的冲击危险程度。因此，定义冲击变形能指数为单位面积、单位时间内的应变能量总和[21]，同时为了使结果更为精细化，对结果进行对数处理，冲击变形能指数εE为：

式中：Ei为落入统计区域内第i个微震的能量，J；S为统计区域面积，m2；t为统计时间，d。

标准化的冲击变形能指数λε为：

式中：εE为指标序列值；εmax为指标序列最大值；εmin为指标序列最小值。

402 工作面回采期间（2018-04-15— 2020-10-31）的冲击变形能及微震空间分布情况如图4。

图4 各能级微震事件空间分布及冲击变形能云图Fig.4 Spatial distribution of microseismic events and impact deformation energy diagrams of each energy level

402 工作面回采期间，工作面依次经历了实体煤阶段，一侧邻空阶段，再次进入实体煤阶段。由图4（a）可知：震源集中的区域主要包括402 工作面内、靠401 采空区侧、断层区域、联络巷影响区域以及开切眼、终采线外错影响区域；同时，这些影响区域冲击变形能明显高于其他正常推进阶段。

402 工作面回采期间沿走向方向，砂岩层顶板厚度变化较大。由图4（b）可知：402 工作面推进至砂岩层顶板厚度较厚区时（推进度1 250～2 000 m），大能量的微震事件主要集中在砂岩层下方的低位顶板附近；随着工作面推进至砂岩层顶板较薄区域（推进度2 000～2 600 m），大能量微震事件逐渐向高位扩展，主要集中在砂岩层顶板内；并且工作面中部的冲击变形能明显高于工作面两端的冲击变形能，有向高位发展的趋势。表明邻空宽煤柱工作面回采过程中受顶板岩层结构影响较大，工作面中部受侧向采空区的影响，顶板结构将再次发生运动，顶板垮落较为充分，有向高位发展的趋势，高位顶板断裂易诱发大能量微震事件。

3.2 工作面回采微震走向分布特征

通过分析邻空宽煤柱工作面回采期间微震走向分布特征，可大致分析出工作面超前支承压力影响区及覆岩活动情况等。对实体煤段工作面回采及临空宽煤柱段工作面回采的微震事件的走向分布特征进行对比分析，402 工作面回采期间微震走向分布图如图5。

实体煤段工作面回采时，微震事件在402 工作面前后方均有分布，微震频次较为集中的区域为工作面后方220 m 至工作面前方240 m 范围，而微震能量较为集中的区域为工作面后方80 m 至工作面前方40 m 范围，并且工作面后方的微震频次、能量明显多于工作面前方。表明实体煤段工作面回采时微震事件大部分由工作面后方采空区顶板垮落诱发。

邻空段工作面回采时，微震频次较为集中的区域为工作面后方200 m 至工作面前方240 m 范围，而微震能量较为集中的区域为工作面后方100 m 至工作面前方160 m 范围，但工作面前方的微震频次、能量明显多于工作面后方。表明邻空宽煤柱工作面回采时，受采空区侧向支承压力与超前支承压力叠加影响，工作面前方煤岩体更容易达到极限状态，煤岩体的破裂、失稳容易诱发大量的微震事件；加之受侧向采空区覆岩结构及运动的影响，402 工作面回采期间，靠采空区侧的顶板结构将再次发生回转、失稳，诱发较大能量的微震事件。

3.3 工作面回采微震倾向分布特征

选取402 工作面2018 年4、5 月实体煤段回采的微震数据及2019 年11、12 月邻空段回采的微震数据，对比分析实体煤段工作面回采与邻空宽煤柱工作面回采的微震倾向分布特征，402 工作面回采期间微震倾向分布图如图6。

实体煤段工作面回采时，微震事件基本沿工作面中线呈对称分布，微震频次除在402 工作面内部较为集中外，在工作面两侧180 m 左右的实体煤区域也分布较多；而微震总能量仅在402 工作面内部较为集中。表明实体煤段工作面回采时小能量的微震事件主要受开采扰动引起的应力集中诱发，且侧向支承压力的影响范围为工作面侧向180 m 左右；而大能量的微震事件主要分布在工作面内，受工作面后方采空区顶板破断诱发。

邻空宽煤柱段工作面回采时，大部分微震都集中在402 工作面内及402 工作面两侧宽煤柱内，其中靠401 采空区侧微震频次、能量明显高于靠实体煤侧的微震事件，主要集中在401 采空区0～120 m 区域。表明靠采空区侧顶板结构的稳定性较差，特别是采空区0～120 m 区域，在402 工作面回采过程中，采空区侧顶板结构再次调整，产生较多的微震事件，并且容易诱发大能量的微震事件（采空区0～120 m 区域微震总能量大幅度增加）；同时，在402 工作面两侧煤柱区微震频次、能量存在较高的峰值，表明402 邻空宽煤柱工作面回采期间，两侧煤柱宽度较大，煤柱内存在较大的支承压力，当煤柱内的支承压力超过了煤岩体的承载极限，煤柱区积聚的能量就以产生微震的形式释放出来。

4 邻空宽煤柱工作面回采顶板结构演化规律

402 工作面回采期间微震倾向分布情况如图7，工作面倾向方向覆岩结构演化图如图8。

图7 微震倾向分布特征Fig.7 Distribution of abutment pressure under roof fracture

图8 工作面倾向方向覆岩结构演化图Fig.8 Structure diagrams of overlying strata during solid coal mining

红庆河煤矿402 工作面低位亚关键层1 处于垮落带范围，随工作面推采冒落较为及时，因此低位亚关键层1 处微震活动较为频繁；亚关键层2 处于断裂带范围，实体煤段回采开始产生裂隙，出现少量微震事件。而较高位的亚关键层3 处于弯曲下沉带范围，实体煤段工作面回采时微震事件较少，仅有个别能量小于1.0×103J 的微震事件；邻空段工作面回采时，微震事件逐渐向高位发展，并且401 采空区侧高位顶板处微震事件也明显增加，亚关键层3 开始产生大能量微震事件。表明邻空工作面回采时，受侧向采空区影响，靠采空区侧的顶板将再次回转、失稳，增加了覆岩的破裂高度，亚关键层3 开始产生裂隙。

402 工作面开始回采时，两侧均为实体煤，采空区面积较小，距离工作面较近的亚关键层1（23.54 m）、亚关键层2（98.69 m），随着工作面的推进逐渐发生破断；而亚关键层3、主关键层距离工作面较远，并且402 工作面采空区面积较小，因此还没有发生破断，在剖面上具有弯曲下沉的趋势，此时由于低层位关键层随工作面周期破断（亚关键层1、亚关键层2），主要表现为周期来压。

工作面处于一侧邻空阶段，距离工作面较近的亚关键层1、亚关键层2 逐渐发生断裂，且区段煤柱处于压缩变形的趋势，因此402 采空区与401 采空区连接成片形成较大面积的采空区，402工作面上覆顶板结构与相邻的401 采空区上方岩层产生协同作用，使采空区上覆岩层再次发生运动与失稳，增加了覆岩破坏高度；亚关键层3、主关键层由于距离工作面较远，当402、401 采空区面积增加时，亚关键层3 部分破断具有弯曲下沉的趋势。此时，随着402 工作面回采至单侧临空阶段，采空区后方区段煤柱受两侧采空区的影响，具有发生压缩变形的趋势，整体表现出煤柱破坏诱发失稳的特征，将对402 工作面开采造成较大影响。