基于微震监测的切顶卸压无煤柱自成巷开采覆岩运移周期性演化机理验证

王 宁，王世斌，李树刚，刘长来，孙宝强

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.陕西煤业股份有限公司，陕西 西安 710077)

无煤柱切顶沿空留巷由传统留巷技术上发展而来，经过长期的基础研究与工业化实践，逐渐发展成为一套煤炭高效开采新技术。近年来，由何满朝院士团队系统提出的“110”及“N00”工法将煤炭开采水平提升至新的高度，创造了巨大的经济效益[1-6]。陕北神府矿区是我国重要的煤炭开采基地，大多数煤层以浅埋为主，煤炭开采引起的岩层移动、断裂等力学宏观现象对矿区安全生产造成很大的安全隐患[7，8]。

国内学者对于矿山压力显现方面研究较多，大多采用理论、实验室模拟、数值模拟及现场试验等手段[9-19]。

国内很多学者对于常规的长壁开采方面研究矿山压力显现方面较多，但现阶段，切顶卸压无煤柱开采方法的应用研究处于初步阶段，理论基础尚未完善，尤其缺乏矿山压力显现规律及机理方面的研究，对此基于微震监测技术进行了系统地分析和说明。

1 工作面概况及微震监测原理

1.1 工作面概况

S12012工作面位于柠条塔煤矿南一盘区西大巷以北第9个工作面，井下位于南翼2-2煤西大巷北侧，该面主回撤通道南距西柠公路保护煤柱约120m，北临红柠铁路保安煤柱，西侧为S12013预留工作面，东侧为S12011已采工作面。该工作面主采2-2煤层，煤层底板标高+1108～+1122m。2-2煤层厚度3.81～4.35m，平均厚度4.33m，基岩厚度99.43～129.78m，风化基岩厚度15.58～77.92m，其中强风化基岩厚度8.2～36.05m、中等风化基岩厚度7.4～31.07m、弱风化基岩厚度6.11～46.35m。利用关键层判别法得出在S12012煤层2-2上方19.36m位置的厚度为18.58m的中砂岩层为第1亚关键层，在煤层2-2上方30.4m位置的厚度为10.13m的粉砂岩为第2关键层，在煤层2-2上方49.58m位置的厚度为13.48m中砂岩和15.97m粉砂岩为主关键层。

S12012工作面采用切顶留巷无煤柱开采即N00 工法。该工法主要特点：采煤时，首先沿整个待采区四周边界布置一条集中回风巷，长开切眼和运输巷。开采首采工作面时，工作面一侧为已形成的运输巷，另一侧则在回采 过程中一边采煤一边形成一条回风巷。工作面回采结束后，该回风巷保留作为下一工作面的运输巷继续使用，以此类推直到整个采区。

1.2 微震监测原理

在受外力作用以及温度等的影响下，岩体等材料中的一个或多个局域源以顺态弹性波的形式迅速释放其能量的过程，称为微震，采用微震监测仪器来采集、记录和分析微震信号，并据此来推断和分析震源特征的技术。微震监测技术是在地震监测技术的基础上发展起来的，它在原理上与地震监测、声发射监测技术相同，是基于岩体受力破坏过程中破裂的产生弹性波的原理。

设震源位置的空间坐标为(x，y，z)，发生时刻为t，第i个传感器坐标为(xi，yi，zi)，传感器检测到的时刻为ti，声波传播的平均速度为v，在震源和第i个传感器之间的走时方程为：

式中，m是收到信号的传感器个数；(x，y，z，t)是震源的时空参数。

2 微震监测方案

由微震定位原理可知，三个传感器才能定位一个微震事件，定位方法也是多种多样，本试验在定位原理理论基础上，应对切顶卸压无煤柱开采的巷道布置，设计了如下微震传感器布置方式，如图1、图2所示。根据井下实地考察，确定传感器测点位置，确定每隔30m布置一个微震传感器，在留巷段布置6个传感器，在空间上形成一个较均衡的分布状态，沿空留巷段一侧将6只传感器分别沿垂直方向上分三层布置，确保传感器全都布置在切顶悬臂梁相对稳定的岩层内，并在工作面推采期间可以稳定工作，对产生的微震事件实现有效监测。

图1 传感器测量点布局

图2 探测器巷道布置

3 切顶卸压无煤柱开采覆岩周期性变化机理

3.1 采动覆岩裂隙周期动态演化特征

通过监测发现，单个微震事件具有一定的随机性，但随着工作面推进微震事件产生过程存在一定规律，表明工作面采动与微震产生有着密切联系，微震监测总长度为180m，现选取微震事件分布较明显的区域，当工作面推进到106.4～165.9m时，微震分布规律性较强，如图3所示。

图3 微震事件的产生周期性变化

由图3可知，在工作面的推进过程中，刚开始较少的微震事件集中出现在在垂直方向23～32m范围内，随着工作面继续推进，较多微震事件出现在垂直方向21～75m范围内，当工作面推进到一定距离时，大量的高能量微震事件集中出现在19.7～86m范围内。在工作面倾向方向上，刚开始微震事件分布范围最远端距沿孔留巷段24.6m范围内；微震事件发生在滞后工作面23m范围内至超前工作面15m范围内；随着工作面的继续推进，微破裂演化发育宽度和长度在逐渐增大，微震事件分布范围最远端距沿孔留巷段34m范围内；微震事件发生在滞后工作面24m范围内至超前工作面15m范围内，当工作面推进到一定距离后，微破裂演化发育宽度和长度也会达到一个最大距离，微震事件分布范围最远端距沿孔留巷段67m范围内；微震事件发生在滞后工作面45m范围内至超前工作面19.4m范围内。结合综合柱状图，在垂直方向上，随着工作面推进，高能量微震事件首先出现在煤层上方厚度为16.20m的中砂岩层中，随着工作面继续推进中，高能量微震事件发生的区域从下往上演化发育，集中出现在煤层上方厚度为16.20m的中粒砂岩至煤层上方厚度为3.97m的粉砂岩和30.65m的粉砂岩层中及其之间。总之，在工作面推进过程中，微破裂的发生呈现一定规律，首先出现在超前工作面顶部范围内，发生少量微破裂，随着工作面继续推进，较多的微破裂逐渐向上及工作面偏后发育演化，当工作面推进到一定值后，微破裂集中出现在一个区域内，在该区域微破裂相互作用，形成微裂隙，微裂隙继续扩展、劈裂衍生形成宏观裂隙，且随着工作面推进，这种微裂隙演化发育成宏观裂隙的现象呈现周期性出现。

结合矿压显现规律，工作面上方基本顶出现周而复始破断跨落情况被称为周期来压，利用微震监测技术监测到微震事件的动态发生也呈现此规律，大约每隔2d会出现一次微震事件的高发期，微震事件数和能量都有明显增加，这时应该要即将来压，在大量微破裂集中发生时，相互作用演化发育成宏观裂隙，基本顶将会发生断裂、破坏及冒落。通过统计周期来压时定位到的微震事件，基本顶岩层微震事件的集中区域为19.7～24m范围；即当发生周期来压时，基本顶19.7～24m范围内岩层出现破断、冒落；冒落带高度范围为19.7～24m。

3.2 覆岩周期性动态破断机理

通过对柠条塔煤矿2-2煤大采高工作面3次完整周期来压的微震监测过程表明，微震事件随工作面周期回采而出现周期性变化。按照微震事件的分布特征，其周期性发育可分为周期回采初期、周期回采中期及周期回采末期，如图4所示。监测数据表明，当工作面处于周期回采初期0.6m、20.91m和40.43m时，系统监测微震事件分别为11个、10个和8个。当工作面处于周期回采中期9.4m、30.01m和50.01m时，系统监测微震事件分别为74个、68个和73个。当工作面处于周期回采末期20.3m、39.81m和59.61m时，系统监测微震事件分别为196个、185个和179个。根据上述内容，总结微震事件的周期发育过程：

图4 顶板周期破断过程

1)周期回采初期，上一周期开采刚刚结束，顶板经历了破断卸压的过程，工作面附近微震事件发育程度低、轻度小，只在超前17.09m位置有少量微震事件分布。

2)周期回采中期，当工作面回采至9.4m位置时，工作面超前14m位置出现微震集中事件，微震事件沿垂向主要分布在21.56m至70.23m范围。一般情况下，该区域易形成超前宏观拉裂隙。随后的回采过程中，微震事件在该区域进一步发育，事件频率及强度均有大幅度提高，并沿垂向向更高层位延伸，超前宏观拉裂隙也进一步出现扩张；

3)周期回采末期，当工作面推进至19.46m位置时，微震事件的分布范围、强度及频率均达到最大状态，宏观裂隙发育成度最高，基本顶达到极限破断状态。

4 现场矿压监测结果分析

4.1 微震事件周期规律的验证

根据微震监测得到随着工作面推进，微震的个数和能量呈现周期性变化规律，结合矿井监测站监测到的煤层顶板周期性破断，来分析发生破断时所需微震事件累计能量大小。支架上中下部周期来压步距平均值如图5所示。

图5 支架上中下部周期来压步距平均值

根据图5可知，工作面上部周期来压步距15～26m，平均步距20.5m；中部17～26m，平均步距21.5m；下部15.4～24.7m，平均步距20.05m；平均为20.68m。监测结果每发生一次周期来压，工作面平均推进19.83m，与监测结果相差基本一致，因此两者相互验证。选取在微震监测期间较明显一次周期来压微震事件分布，这次周期来压工作面推进了20.3m；即周期来压步距为20.3m。

在微震监测期间，发生多次周期来压，选择其中4次周期来压来分析覆岩出现破断的能量阈值，通过统计周期来压期间微震事件在不同高度的累计能量值，统计如图6所示。从图6中可以看出，当发生周期来压，距工作面25m处的微震累计能量释放最多达到1.9×105J，其中四次周期来压在25m处微震事件累计能量最低为1.48×105J，四次微震事件累计能量平均值为1.7×105J；当发生一次周期来压，上覆岩层顶板发生破断，因此可以把四次周期来压中微震事件累计能量最小值作为阈值来判断岩层发生破坏断裂，利用该判据确定了工作面超前影响距为10～15m。

图6 来压期间微震事件能量沿垂直方向分布

5 结 论

1)研究了采动影响下基于微震事件和能量分布的覆岩裂隙周期演化机理、微震事件的空间动态演化特征，得到切顶卸压无煤柱开采覆岩裂隙周期破断规律。

2)按照微震事件的分布特征，将采场裂隙演化划分为萌芽期、发展期和高潮期。覆岩周期性断裂、破坏可分为周期回采初期、周期回采中期及周期回采末期。

3)结合该矿矿压显现规律，得出周期来压步距19.83m。提出了一种用周期来压时累计微震能量值作为顶板断裂、破坏判据的思路，利用该判据确定了工作面超前影响距为10～15m。