工作面采动影响下底板破坏深度微震规律

王 杰，李博凡，蒋齐平，吴 璋，范继超

( 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077 )

底板破坏深度是评价带压开采煤矿生产安全的重要依据。目前煤层底板破坏深度的研究手段主要分现场监测和理论计算两大类。应用较为广泛和成熟的监测方法有：充水漏失量钻孔冲洗液法[1]、钻孔窥视法、CT透视法[2-3]，以及地球物理探测法等。张勇[4]、冯梅梅[5]等众多学者对采动影响下煤岩体裂隙扩展破坏进行了深入研究，取得了诸多可以指导生产实践的研究成果。近年来，随着微震监测技术的发展和应用，逐渐趋于成熟，该技术被广泛应用于煤矿安全高效生产方面，如顶( 底 )板破裂深度监测[6]、煤层气井水力压裂监测效果评价[7-8]和冲击地压监测[9]等领域。相比以前的静态地球物理探测方法，微震监测技术可实现远距离、实时、持续和动态观测[10-14]，如汪华君[15]等采用微地震技术监测导水裂隙带高度。

笔者以淮北矿业股份有限公司朱庄煤矿III63采区III633工作面为研究对象，应用KJ959煤矿微震监测系统实时、动态监测工作面推进过程中的微震事件，监测工作面采动过程中围岩裂隙发育情况，评价III633工作面底板破坏深度发育规律，为工作面安全开采提供科学依据。

1 工作面概述

安徽淮北朱庄煤矿坐落于淮北市杜集区矿山集镇，隶属于淮北矿业股份有限公司。朱庄煤矿井田面积约25 km2，南北宽约5 km，东西长约6 km，采用立井开拓方式。作为朱庄煤矿III63采区右翼第2个工作面，III633工作面上至III633原回风巷保护煤柱，下区段III635工作面尚未掘进，左至III63采区辅助运输巷，右至6煤层防隔水煤( 岩 )柱保护线。

朱庄煤矿III633工作面走向长563 m，截至项目开工时已开采280 m，剩余283 m。整体为单斜构造，里高外低。工作面进风巷、回风巷及开切眼共揭露断层10条，落差0.4～5.0 m，其中FIII63-16和SF14断层对开采影响较大。采区内地形总体平坦，地表河道和塌陷区积水因距下二叠系煤系地层较远，一般情况下对矿井充水没有影响。所采煤层为6煤，层位属二叠系下统山西组，煤厚2.6～3.2 m，均厚2.8 m；煤层倾角12°～23°，平均18°；煤层结构简单且赋存稳定。综合柱状图如图1所示，6煤上覆岩层为厚度50 m的泥岩、砂质泥岩，岩层硬度较低，易造成顶板冒落。

图1 综合柱状图Fig. 1 Synthesis column map

2 微震监测方案

2.1 微震监测系统

KJ959煤矿高精度微震监测系统是由中煤科工集团西安研究院研制，适用于矿山灾害监测、实时在线分析、煤矿防盗采等方面。该系统通过微震信号远程传输、实时在线采集、在线分析和反演定位成图等方式分析信号特征，记录发震时刻，反演震源空间位置，计算震源能量大小，为煤矿安全开采提供科学参考。该系统采用分布式布置方案，每台监测分站可连接6个单分量拾震传感器或2个三分量拾震传感器，传感器安装在测区内接收震动信号。监测分站将传感器接收的震动信号通过网络实时传输至地面中心主站，并进行自动、实时处理。

2.2 观测方式及台网布置方案

目前，微震监测技术多采用在井下或地面布置传感器的方式进行信号监测。煤矿井下微震监测[16-17]一般将检波器布置在巷道中，对需要监测的采区或工作面尽可能进行环状式包围的布设，若条件允许，也可布设井—地—孔联合观测系统[18-20]。结合Ⅲ633工作面地质条件，本次监测采用井下布置传感器的方式，利用浅孔检波器和深孔检波器交叉布置的施工方式，在不大规模增加施工难度的情况下，提升空间定位精度。

本次微震监测基于测区实际情况、井下巷道以及施工条件，结合微震台网布局优化算法[21-23]，在工作面2条巷道布置监测设备进行监测。共设计井下物理监测点12个，其中III633工作面回风巷、进风巷各布置6个测点，传感器均采用纵波检波器，水平间距为60 m。为了更好地监测底板破坏深度，在回风巷ch2，ch5测点和进风巷ch10测点布置深孔检波器，具体测点布置见图2和表1。

图2 监测点布置Fig. 2 Monitoring sites layout

表1 监测点坐标Table 1 Coordinate list of monitoring sites

如图3所示，巷道浅孔传感器安装的具体步骤为：在底板靠近侧帮位置，采用钻机向下钻进深度为1.5～2.0 m的孔，将检波器放入钻孔，钻孔注浆封闭，然后将传感器连接线与信号线相连，利用胶管进行保护[18-19]。

图3 浅孔传感器安装示意Fig. 3 Schematic diagram of the installation of a shallow hole sensor

如图4所示，巷道深孔传感器安装步骤为：在底板靠近侧帮位置，采用回转钻机斜向下钻进成孔，倾角为45°，孔深40 m，垂距20 m，然后把传感器放入孔底，通过胶管保护信号传输电缆，最后注浆固定锚杆[18-19]。

图4 深孔传感器安装示意Fig. 4 Schematic diagram of the installation of a deep hole sensor

3 微震定位原理

微震定位问题是微震监测技术中最经典和基本的问题之一，目前常用的微震定位方法是基于匀速模型的多项式方程组的求解或优化。微震震源求解的具体思路是：假设岩层是均匀速度模型，已知在岩体中传播最快的P波的传播速度，在不同位置设置至少4个监测台站，获取台站的空间坐标，根据各台站接收到微震信号的时刻和P波的传播速度，列方程组即可求出震源的空间位置[24-28]。

图5为监测台站的布置，图中P1～P4为4个监测台站，q为震源点的位置，S1～S4为监测台站和震源点之间的距离。

图5 监测台站布置Fig. 5 Monitoring stations layout plan

求解方程组为

式中，ti(i=1，2，3，4 )为监测台站接收到信号的时刻，s；t0为震源的发震时刻，s；v为P波的传播速度，m/s。

在该方程组中，已知接收到信号的时刻ti和P波的传播速度v，即可求出震源的发震时刻t0和震源点坐标(x0,y0,z0)。

基于上述微震定位原理，笔者编写了初次定位和二次修正定位相结合的定位算法，假设P波在岩体介质中以常速度传播，对数据加权处理，对定位结果进行质量评估，用Matlab编程求解出震源点空间位置坐标，实现微震定位[29]。

4 微震监测结果分析

微震监测数据采集、处理过程主要由软件自动完成，包括微震事件识别、提取、滤波、定位以及三维显示等，基本流程如图6所示。

图6 微震数据处理流程Fig. 6 Processing flow chart of microseismic datas

4.1 微震事件能量统计

Ⅲ633工作面微震监测期间共接收到1 451个微震事件，去除信噪比和定位误差较大的部分事件，剩余有效事件1 372个。根据事件空间位置(Z坐标 )和煤层深度的相对关系，得到事件的层位信息，其中底板事件444个，顶板事件928个。在有效事件中，能量最大为3.36×105J，最小为1.0×10-1J，平均能量为6.16×103J。

图7为微震事件能量分布，由图7可知，能量主要集中在103J以下，占总能量的82.3%，说明工作面微震活动虽然比较活跃，但以小能量释放为主，总体强度较小且比较稳定。

图7 微震事件能量分布Fig. 7 Energy distribution chart of microseismic events

4.2 微震事件时间分布规律

4.2.1月度统计分析

本次微震监测活动从2020年2月至7月的日平均采煤进尺与微震事件数量及能量的关系如图8所示。由图8可知，4月的微震事件数量最多，7月最少，考虑到2月刚开始监测，仅统计了19 d，以及6月采煤进尺主要集中在回风巷，分析认为3月、4月、5月、7月的微震事件数量与日平均3 m的采煤进尺近似呈正相关关系。对比图8每月日平均进尺和微震能量占比的变化趋势，3月、4月、6月、7月的微震事件能量占比与相应的日平均进尺变化趋势一致，近似呈正相关，即推进速度越快，微震事件平均能量越大。

图8 微震事件月度统计Fig. 8 Monthly statistical chart of microseismic events

4.2.2全天统计分析

为了分析微震事件在1 d内的分布规律，将全天24 h按每2 h间隔划分成12段( 第1～12段 )，分别统计每个时间段内的微震事件数量和能量( 图9～10 )。

图9 全天微震事件数量统计Fig. 9 Statistical chart of the number of microseismic events throughout the day

图10 全天微震事件能量统计Fig. 10 Statistical chart of the energy of microseismic events throughout the day

统计结果显示微震事件数量主要集中在8：00—12：00( 第5～6段 )和14：00—20：00( 第8～10段 )这两个时间段，微震事件数量总和占比为56%，能量总和占比达到72%。根据朱庄煤矿生产班次安排，这两个时间段分别为早班和中班的采煤时间，因此微震事件数量与井下人员的开采活动密切相关。自3月限产以来，仅中班进行采煤，可以发现在14：00—18：00( 第8～9段 )，微震总能量占比明显提升，达到全天总能量的44.4%，因此微震事件能量与开采活动密切相关，采煤过程中微震事件能量明显增大。

4.3 微震事件发育高度及层位分析

为更直观地显示底板破坏深度，将工作面底板高程校正为0，对444个底板微震事件按深度每隔5 m进行统计，结果如图11所示。底板下40 m范围内的微震事件占全部底板微震事件的95.9%，其中10～15 m范围内的微震事件最多，占比28.6%。底板下25 m内的微震事件占比达到78.8%，是微震事件的主要区间。

图11 底板下微震事件数量统计Fig. 11 Statistical chart of the number of microseismic events under the substrate

对928个顶板微震事件按高度每隔10 m统计事件数量，结果如图12所示。顶板以上0～80 m范围内的微震事件数量占全部顶板微震事件的95.8%，其中在高度0～30 m区间内微震事件最多，占比74%。

图12 顶板上微震事件数量统计Fig. 12 Statistical chart of the number of microseismic events on the roof

顶、底板微震事件数量比为928∶444≈2.1∶1，顶板事件数量约是底板事件的2倍。可见，微震事件以顶板微震事件为主，顶板岩层主要为泥岩、砂质泥岩，属于极软岩，容易发生顶板冒落，且顶板岩性相对底板较弱，受工作面采动影响以及高地应力场的作用，部分软弱岩体的稳定性易发生破坏，导致岩体发生破断行为。

4.4 微震事件空间分布

4.4.1微震事件平面分布

图13显示了微震事件定位结果在XY平面的分布情况。

由图13可知，在巷道走向(X)方向，微震事件主要发生在采煤区域内，即2月9日采煤线至终采线之间，且在该区域中间部分事件密度更集中；在巷道倾向(Y)方向，微震事件主要集中在工作面回风巷一侧，且向III631工作面采空区一侧延伸。根据微震事件密度云图，采煤期间微震事件主要发生在采掘区域，回风巷一侧数量相对更多，分析认为是由于III633工作面回风巷靠近III631工作面采空区所致。

图13 微震事件XY平面密度云图Fig. 13 XY planar density cloud of microseismic events

4.4.2底板微震事件分布

图14是底板微震事件XY平面密度云图。

图14 底板微震事件XY平面密度云图Fig. 14 XY planar density cloud of microseismic events in the substrate

由图14可以看出，微震事件密度分布相对平均，没有局部范围集中发育的情况，可知底板破坏相对均匀，无小范围集中的裂隙发育情况。

图15～16分别为底板微震事件沿煤层走向(XZ方向 )、倾向(YZ方向 )的密度云图。由图15可知，III633工作面底板微震事件发育较均匀，主要在底板下40 m范围内发育，且主要集中在距终采线90～220 m范围内。由图16可知，工作面回风巷附近的底板微震事件数多于进风巷，底板裂隙最深发育至底板下40 m，但多数集中在底板下25～30 m以内( 图中红色虚线标注 )，工作面内部的底板微震事件数远多于工作面外部。通过对底板微震事件的综合分析，认为开采期间底板的破坏深度为25～30 m；从距终采线50 m以内开始，微震事件数量明显减少。

图15 底板微震事件XZ平面密度云图Fig. 15 XZ planar density cloud of microseismic events in the base plate

图16 底板微震事件YZ平面密度云图Fig. 16 YZ planar density cloud of microseismic events in the base plate

4.4.3顶板微震事件分布

图17是顶板微震事件XY平面密度云图。

图17 顶板微震事件XY平面密度云图Fig. 17 XY planar density cloud of microseismic events on the roof

由图17可以看出，微震事件在整个工作面均有 分布，尤其在工作面回风巷附近较为集中，在进风巷附近相对较少，分析认为由于III633工作面回风巷更靠近III631工作面采空区，且高程相对进风巷更高，因此顶板裂隙发育更为明显，微震事件更多、更集中。

图18～19分别为顶板微震事件沿煤层倾向(XZ方向 )、走向(YZ方向 )的密度云图。由图18可知，顶板微震事件分布较平均，主要集中在顶板以上35～40 m范围内( 图中红色虚线标注 )，最高发育到顶板上约80 m。由图19可知，工作面回风巷的微震事件数量比进风巷更多，原因可能是由于III633工作面回风巷更靠近III631采空区附近，且高程较进风巷高的缘故。从Z方向看，顶板裂隙发育高度为顶板以上80 m范围内，微震事件集中在顶板以上35～40 m范围。结合微震事件密度云图与事件分布区间，推测顶板裂隙带最大发育高度约37 m，按平均煤厚2.8 m计算，裂采比约为13.2。

图18 顶板微震事件XZ方向密度云图Fig. 18 XZ planar density cloud of microseismic events on the roof

图19 顶板微震事件YZ方向密度云图Fig. 19 YZ planar density cloud of microseismic events on the roof

5 结 论

( 1 ) 开采速度、采动强度对微震事件的能量影响较大，开采推进速度越快，采动强度越大，微震事件的平均能量越大。

( 2 ) 顶板微震事件数量约为底板微震事件的2倍，微震事件以顶板事件为主，顶板岩层岩性相对较弱，易产生软弱岩体失稳破坏和顶板冒落，后续开采中需要重点监测。

( 3 ) 在煤层均厚2.8 m，工作面长563 m，日进尺3 m的条件下，III633工作面采煤过程中底板的最大破坏深度为25～30 m，未波及到主要含水层，工作面采煤期间采空区及底板出水量稳定；顶裂隙发育高度为顶板以上37 m范围内，裂采比约为13.2。( 4 ) 由于III633工作面回风巷靠近III631采空区，围岩稳定性较差，致使III633工作面靠近回风巷一侧的顶、底板微震事件较多且分布集中；由于III633工作面进风巷高程低于III631采空区，顶板围岩局部破坏，致使III633工作面靠近回风巷一侧的顶板裂隙发育情况比靠近进风巷一侧严重。