基于微震监测的双系煤层开采覆岩运动与矿压显现关系

汤国水，朱志洁，韩永亮，李 志

(1.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000;2.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710054；3.天地科技建井研究院，北京 100013)

基于微震监测的双系煤层开采覆岩运动与矿压显现关系

汤国水1，朱志洁1，韩永亮2，李 志3

(1.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000;2.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710054；3.天地科技建井研究院，北京 100013)

以大同矿区双系煤层开采为研究背景，基于高精度微地震监测技术，研究石炭系特厚煤层8104综放工作面开采过程中上部侏罗系煤层群复杂采空区影响下微震事件时空演化特征，得到双系煤层影响下覆岩运动与矿压显现的关系。结果表明：8104工作面接近和进入上部侏罗系煤层采空区对应区域，8104工作面覆岩运动加剧，侏罗系煤层的开采是工作面覆岩运动加剧的主要原因；侏罗系煤柱重叠区域微震事件密集分布，在工作面的开采扰动和重叠煤柱应力传递的共同作用下，微震总能量和能量大于105J的震动次数均处于较高数值，覆岩运动更加剧烈。临近采空区对8104工作面的强烈覆岩运动起到了关键作用，在临近采空区和侏罗系覆岩共同作用下，工作面超前微震事件集中，矿压显现剧烈。工作面开采扰动、临近采空区覆岩运动和侏罗系重叠煤柱的耦合作用，是石炭系综放工作面矿压显现剧烈的根本原因。

双系煤层；微震监测；覆岩运动；特厚煤层；重叠煤柱

大同矿区主要赋存有侏罗系与石炭系双系煤层。目前,侏罗系煤层开采已近完毕，石炭系厚及特厚煤层成为主要的开采煤层。石炭系特厚煤层开采后，覆岩发生运动和破坏，引起侏罗系已稳定的覆岩再次移动。双系煤层的覆岩的相互影响，使得石炭系煤层工作面矿压显现更为强烈。对双系煤层的覆岩运动及影响机制进行研究，为强矿压显现的防治提供理论指导。

微震监测技术作为一种起源于地震行业的新技术，具有区域大范围实时动态监测等特点，可给出岩体发生破裂的空间位置、时间和能量大小，为监测采动覆岩破坏和分析采动覆岩运动特征提供了可能，成为研究煤岩体采动破坏规律的新技术。近年来，一些学者采用微震监测对围岩应力演化规律和覆岩运动规律进行了大量研究。孔令海等[1-4]基于工作面采动覆岩裂隙分布的微震监测，分析了煤矿采场上覆岩层运动与围岩破裂、上覆岩层运动与支承压力分布、微震事件数量与支承压力分布等之间的关系。蒋金泉等[5-7]根据现场SOS微震监测数据，研究了上、下煤层重复采动下高位主关键层破断运移与微震活动之间的关系。成云海等[8-9]采用微地震定位监测技术,对覆岩空间运动结构及应力场分布的监测,得到采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系。窦林名和贺虎[10]利用现场SOS微震监测系统,对OX、F与T覆岩结构的开采过程中的震源分布规律进行了研究。张鹏海[11]研究采矿活动中的应力场、微震活动规律与围岩稳定性之间的关系。郑超等[12]探寻微震监测数据与应力场变量之间对应关系，分析深部矿山开挖条件下围岩裂隙损伤演化机制。夏永学等[13]结合采煤工作面前方微震事件的分布特征,定量研究煤矿采场超前支承压力的分布规律。何江等[14]分析综放工作面冲击矿压的能量来源和力源,利用微震监测技术对综放工作面覆岩运动的矿震效应进行监测。赵科等[15]通过对现场微震监测数据进行分析,验证了矿震事件与上覆岩层运动间的相关性。综上所述，目前我国学者主要基于微震监测研究了覆岩运动规律和支承应力分布规律。对多煤层开采特别是双系煤层开采，上煤层采空区和煤柱覆岩影响下的岩层破断特征及其微震能量传播规律方面的研究相对较少。

本文以大同矿区双系煤层开采为研究背景，基于微震监测方法，对上部侏罗系煤层群煤柱影响下微震事件时空演化规律进行研究，确定双系煤层影响下的覆岩运动规律。

1 工程概况

同忻矿8104工作面埋深平均为439 m，工作面走向长度为1 932.6 m，倾向长度为207 m。煤层平均厚度为16.42 m，倾角2°，基本顶为粗砾砂岩，平均厚度为8.20 m，直接顶为砂质泥岩，平均厚度0.78 m。8104工作面上部侏罗系永定庄煤矿的14号煤层、12号煤层、11号煤层和9号煤层，各煤层均已开采完毕，残留了数个错综复杂的采空区。位于侏罗系煤层群下部的14号煤与同忻矿石炭系3-5号煤的距离为130～140 m。

图1给出了8104工作面500～900 m范围与侏罗系煤层群各煤柱的对应关系。在8104工作面上覆岩层中存在两个煤柱重叠区域：一个是对应8104工作面590～650 m的开采位置，该区域上部4个煤层均有煤柱布置，14号煤层和12号煤为边界煤柱，11号煤和9号煤为区段煤柱，暂定义该区域为边界煤柱重叠区域；另一个是对应8104工作面720～760 m的开采位置，14号煤、12号煤和11号煤3个区段煤柱相互重叠，暂定义该区域为区段煤柱重叠区域。

图1 8104工作面部分区域与侏罗系煤柱对应关系

临空巷道底臌和片帮严重、顶板下沉量大、临空巷道超前底臌1.5～1.7 m，顶板下沉1.3～1.4 m；锚杆(索)断裂、煤炮响声频繁；超前压力影响范围大，临空巷道在超前工作面约100 m范围内巷道变形明显，在超前工作面30～50 m 范围巷道变形严重，严重时易引发冲击性来压显现。

2 双系煤层开采微震事件时空分布特征

微震监测是通过监测岩体破裂产生的震动或其他物体的震动，对监测对象的破坏状况、安全状况等作出评价，从而为预报和控制灾害提供依据的成套设备和技术。微震事件的坐标反应了岩层破裂的位置，微震事件的能量反应了岩层运动的剧烈程度，通过微震事件的分析可以得到上覆岩层空间的运动特征。以8104工作面为研究对象，以10 d为单位对工作面的微震事件进行统计，对应至工作面布置平面图，研究侏罗系煤层开采与8104工作面覆岩破坏的关系。

图2～9给出了8104工作面推进过程中部分典型的微震事件分布平面图。绿色表示能量级别为102J，蓝色表示能量级别为103J，橙色表示能量级别为104J，粉色表示能量级别为105J，红色表示能量级别为106J。8104工作面回采期间微震事件分布的变化情况如下：

图2 工作面推进380～450 m微震事件分布

图3 工作面推进510～575 m微震事件分布

图4 工作面推进575～640 m微震事件分布

图5 工作面推进710～766 m微震事件分布

图6 工作面推进968～1 027 m微震事件分布

图7 工作面推进1 221～1 285 m微震事件分布

图9 工作面推进1 613～1 645 m微震事件分布

8104工作面由380 m推进至450 m，微震事件平面分布如图2所示。工作面接近上部侏罗系煤层陷落柱边缘，在“勺”状陷落柱区域内部出现了密集的微震事件，微震事件能量级别在104J，开采引起上部陷落柱区域覆岩运动较为剧烈。同时，在工作面前方330 m的侏罗系区段煤柱重叠区域出现了能量级别相对较低的102J和103J微震事件密集分布。可见，8104工作面的开采引起上部陷落柱区域覆岩运动加剧，双系煤层间大范围的覆岩运动，引起工作面前方的煤柱重叠区域应力升高、微震事件密集分布。由于煤柱重叠区域与工作面距离较远，应力增加幅度较小，仅产生了能量级别较低的微震事件。

8104工作面由510 m推进至575 m，微震事件平面分布如图3所示。工作面距区段煤柱重叠区域145 m，区段煤柱重叠区域的微震事件密集分布，在8105采空区侧的微震事件能量级别较高，最大达到105J。在8104工作面的采动影响和8105采空区的共同作用下，侏罗系重叠煤柱区域的采空区一侧应力进一步升高，产生了能量级别较高的微震事件。

8104工作面由575 m推进至640 m，微震事件平面分布如图4所示。8104工作面在边界煤柱区域下方推进(590～650 m)，在边界重叠煤柱作用下，8104工作面上覆岩层微震事件密集分布。同时，8104工作面逐渐接近侏罗系区段煤柱重叠区域，在工作面开采和区段煤柱重叠区域集中应力的共同作用下，区段煤柱重叠区域应力进一步升高，形成了一个覆盖两重叠区域大范围的微震事件集中区。从微震事件分布的疏密来看，在8105采空区侧微震事件更为稀疏，微震的能量级别较高；在8104工作面侧微震事件更为密集，但微震能量级别相对较低；在临近的8105已采区、8106已采区和8107已采区均有微震事件分布，微震能量均大于104J，个别达到了106J。

8104工作面由710 m推进至766 m，微震事件平面分布如图5所示。工作面在侏罗系区段煤柱重叠区域下方推进，在区段煤柱重叠和工作面的开采扰动的共同作用下，区段煤柱重叠区域覆岩运动剧烈，引起工作面后方边界煤柱重叠区域覆岩再次失稳，进而产生了大范围的密集微震事件。在临近的8105已采区、8106已采区和8107已采区具有微震事件分布，微震能量均大于104J，最大达到了106J。

8104工作面由968 m推进至1 092 m，微震事件平面分布如图6所示。微震事件分布开始向工作面前方转移，达到了工作面前方200～250 m。在此过程，微震事件集中分布的密集程度有所降低，煤柱集中区域的微震密集分布现象逐渐消失。微震事件倾向达到了临近多个采空区。走向达到工作面前方200～250 m、工作面后方对应侏罗系边界煤柱集中区域。

8104工作面由1 092 m推进至1 560 m，微震事件平面分布如图7所示。微震事件的密集程度进一步降低，随着工作面的推进，工作面后方煤柱重叠区域的微震事件逐渐减少。微震事件在工作面前方和后方的分布范围较大，工作面前方一般为200～250 m，最大达到了300 m，但随着工作面接近终采线，超前影响范围逐渐降低；工作面后方微震事件集中分布在工作面后300～500 m。

8104工作面由1 565 m推进至1 645 m，微震事件平面分布如图8，9所示。工作面接近终采线，微震事件变得稀疏，在工作面前方仅有零星的微震事件，工作面后方微震事件能量级别为102J，覆岩运动活跃程度降低。

从8104工作面回采过程微震事件分布的变化可以看出：

(1) 8104工作面接近和进入上部侏罗系煤层采空区对应区域，8104工作面覆岩运动加剧，侏罗系煤层的开采是工作面覆岩运动加剧的主要原因；侏罗系煤柱重叠区域微震事件密集分布，在工作面的开采扰动和重叠煤柱应力传递的共同作用下，覆岩运动更加剧烈。

(2) 8104工作面推过侏罗系采空区300 m后，工作面覆岩运动加剧，超前范围200～300 m范围和工作面后方300～500 m微震事件密集分布；工作面接近终采线阶段，超前范围微震事件迅速减少直至消失，覆岩运动逐渐变得平缓。由此可见，临近采空区对8104工作面的强烈覆岩运动起到了关键作用，在临近采空区和侏罗系覆岩共同作用下，工作面超前微震事件集中，矿压显现剧烈。

(3) 工作面开采的覆岩运动范围已波及至临近的8105已采区、8106已采区和8107已采区3个采空区，工作面的采空区侧的微震事件能量级别更高，矿压显现更为剧烈。

3 双系煤层开采微震事件统计特征

图10，11给出了8104工作面从推进387 m至1 704 m的微震总能量和能量大于105J的震动次数。

图10 每日震动总能量变化情况

图11 每日能量大于105 J的震动次数

由图11可以看出：

(1) 8104工作面开采至580 m，与上部永定庄14号煤层采空区的水平距离为70 m，每日最大能量和总能量明显升高。工作面继续推进，每日最大能量和总能量始终处于较高的水平。

(2) 8104工作面推进750～1 100 m微震总能量和能量大于105J的震动次数均处于较高数值，工作面推过重叠煤柱区域，工作面后方覆岩运动在重叠煤柱作用下，覆岩运动剧烈。

(3) 工作面推过1 550 m接近终采线时微震总能量和能量大于105J的震动次数有所降低，由于工作面接近临近采空区实体煤区域，工作面与临近采空区的相互扰动减缓，覆岩运动强度减弱。

(4) 通过现场矿压显现观测可知，8104工作面推进580 m(与上部永定庄14号煤层采空区的水平距离为70 m)后，5104巷道超前矿压显现强烈。工作面接近终采线时，5104巷道矿压显现逐渐减弱。微震监测数据与实际矿压显现情况具有较好的一致性。

4 大同矿区特厚煤层覆岩破坏与运动特征分析

大同矿区煤层顶板覆岩以坚硬的砂岩类岩石为主，岩体相对完整、强度较大。煤层开采后，顶板覆岩易形成大块度的砌体结构，特别是在上部煤层开采的条件下，主关键层的运动将导致上部大范围的岩层运动。

图12为在侏罗系煤层的采空区覆岩载荷作用下，石炭系特厚煤层开采的覆岩运动更为剧烈。在侏罗系煤层已采区域下回采时，工作面后方300～500 m范围的采空区覆岩仍然在运动，引起工作面后方大范围矿压显现强烈。

图12 侏罗系已采区域对石炭系工作面开采的影响

石炭系煤层工作面在侏罗系煤柱影响区域下回采时，覆岩结构如图13所示。在工作面的开采扰动和煤柱应力传递的共同作用下，覆岩运动更加剧烈，而在非重叠煤柱区域覆岩运动相对较平缓。侏罗系重叠煤柱与石炭系覆岩运动的耦合作用，引起大范围和高强度的覆岩运动。

图13 侏罗系重叠煤柱对石炭系煤层开采的影响

多个工作面开采后的覆岩结构如图14所示，石炭系特厚煤层开采后，使得上部侏罗系覆岩活化，通过块体的水平传递作用，引起临近采空区覆岩发生运动。因此，在工作面开采的影响下，临近采空区覆岩再次受到扰动，覆岩运动范围已波及至临近的8105已采区、8106已采区和8107已采区3个采空区，在工作面开采扰动和临近采空区覆岩运动共同作用下，工作面采空区侧的覆岩运动更为剧烈。

图14 石炭系临近采空区对工作面开采的影响

侏罗系采空区覆岩运动和石炭系临近采空区覆岩运动的共同作用加剧了石炭系工作面覆岩的剧烈程度，工作面进入上部侏罗系采空区对应区域矿压显现强烈，巷道底臌0.3～0.5 m，顶板下沉0.3～0.6 m，巷道宽4.3 m、高2.1～2.5 m；石炭系工作面推过侏罗系煤柱重叠区域，工作面临空巷道在工作面超前范围变形严重，巷道具有冲击性来压显现，接替工作面临空巷道产生了底臌。

5 结 论

(1) 8104工作面接近和进入上部侏罗系煤层采空区对应区域，8104工作面覆岩运动加剧，侏罗系煤层的开采是工作面覆岩运动加剧的主要原因；侏罗系煤柱重叠区域微震事件密集分布，在工作面的开采扰动和重叠煤柱应力传递的共同作用下，覆岩运动更加剧烈。

(2) 8104工作面推过侏罗系采空区300 m后，工作面覆岩运动加剧，超前范围200～300 m范围和工作面后方300～500 m微震事件密集分布；工作面接近终采线阶段，超前范围微震事件迅速减少直至消失，覆岩运动逐渐变得平缓。由此可见，临近采空区对8104工作面的强烈覆岩运动起到了关键作用，在临近采空区和侏罗系覆岩共同作用下，工作面超前微震事件集中，矿压显现剧烈。

(3) 工作面开采的覆岩运动范围已波及至临近的8105已采区、8106已采区和8107已采区3个采空区，工作面的采空区侧的微震事件能量级别更高，矿压显现更为剧烈。

(4)工作面开采扰动、临近采空区覆岩运动和侏罗系重叠煤柱的耦合作用，是石炭系综放工作面矿压显现距离的根本原因。

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Relationship between overburden strata movement and strata behavior during dual system seam mining based on microseismic monitoring technology

TANG Guo-shui1,ZHU Zhi-jie1,HAN Yong-liang2,LI Zhi3

(1.CollegeofMiningEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China;2.Xi’anResearchInstituteofChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup，Xi’an710054，China;3.InstituteofMineConstruction,TiandiScience&TechnologyCo.,Ltd.,Beijing100013,China)

With the dual system of coal mining in Datong mining area,the microseismic events space-time evolution characteristics under the influence of complex mined-out area at the upper Jurassic coal seam group during fully-mechanized caving mining at the 8104 coal face in the Carboniferous extremely thick coal seam was investigated based on the high accuracy micro seismic monitoring technology.The relationship of strata movement and rock pressure under the influence of double series coal seams was obtained.The results show that the strata movement of the 8104 working face was enhanced when the 8104 face was close to the corresponding area under the upper Jurassic coal goaf.The coal mining working face in the Jurassic is the main reason for the increase of strata movement at the 8104 coal face.The distribution of seismic events was concentrated at the area with the Jurassic coal pillars overlap,the mining disturbance and the coal pillar overlap in the working face transferred stress,thus the vibration frequency with the total energy greater than 105J was still high.Closing to goaf played a key role in the strata movement at the 8104 working face.Microseismic events in advance at the 8104 coal face were concentrated under the joint action of the adjacent goaf and the Jurassic strata,and the mine pressure appeared sharp.The coupling effects of working face mining disturbance,adjacent goaf strata movement and the Jurassic overlapping coal pillar were the root cause of the mine pressure intensity at of the Carboniferous full-mechanized caving mining face.

dual system seam;microseismic monitoring;overburden strata movement;extremely thick coal seam;overlapping pillar

10.13225/j.cnki.jccs.2016.0661

2016-05-12

2016-07-27责任编辑:常 琛

国家自然科学基金资助项目(51274117)

汤国水(1976—)，男，安徽来安人，副教授。E-mail:tgsttgst@126.com。通讯作者：朱志洁(1986—)，男，辽宁调兵山人，讲师。Tel：0418-3350469，E-mail:zhuzhijie036@qq.com

TD324

A

0253-9993(2017)01-0212-07

汤国水，朱志洁，韩永亮，等.基于微震监测的双系煤层开采覆岩运动与矿压显现关系[J].煤炭学报,2017,42(1):212-218.

Tang Guoshui,Zhu Zhijie,Han Yongliang,et al.Relationship between overburden strata movement and strata behavior during dual system seam mining based on microseismic monitoring technology[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):212-218.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.0661