矿井工作面回采对微震活动的影响研究

2020-05-22吕鹏飞包鑫阳董红娟

中国矿业 2020年5期

吕鹏飞，包鑫阳，董红娟

(1.内蒙古科技大学矿业研究院，内蒙古包头 014010；2.沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿，辽宁灯塔 111307)

微震监测是矿山工程中常用的预测预报矿震、冲击地压等动力现象的手段[1]。矿山工程中微震的发生归根结底是由于产生了采动影响，工作面回采造成围岩的变形、开裂和破坏是导致微震发生的根本原因。因此，工作面的回采与微震的发生之间必然存在一定联系。尹万蕾等[2]研究了不同回采条件下矿震分布特征及对冲击地压发生的影响，认为强震或冲击地压灾害多数发生在矿震活动周期峰值附近。陈学华等[3]、闫宪磊等[4]、吕鹏飞等[5-7]基于微震监测研究了矿震孕灾机理，认为强震发生通常与工作面坚硬顶板和回采速度变化密切相关。张宏伟等[8]以大同矿区为研究背景，分析了三硬条件下工作面的安全回采速度，认为三硬条件下工作面回采速度小于3.6 m/d时，大能量矿震或冲击地压不会发生。朱志洁等[9]运用数值模拟和微震监测相结合的方法分析了特厚煤层工作面回采速度对矿压显现的影响，认为回采速度与工作面周期来压步距和支架动载系数正相关。陈通等[10]以澄合矿区董家河煤矿22517工作面为例分析了长臂工作面采动应力对微震分布的影响，认为采动影响产生的微震震源主要集中在煤壁支撑影响区和离层区。

前人对工作面回采与矿震、冲击地压发生的关系作了大量研究，基本上一致认同微震监测可有效反应采动煤岩体及其围岩破裂、破坏程度，推演矿震或冲击地压灾害发生的可能性。本文基于大量现场监测数据，重点研究工作面回采速度、回采进尺及采动应力对工作面微震发生的影响规律，以期为煤矿矿震、冲击地压的防治提供借鉴。

1 回采速度对微震活动的影响

1.1 大能量矿震前后的回采速度特征

东滩煤矿43上13工作面和63上04工作面回采及地质情况类似，是目前兖州矿区最常见的地质及开采条件。43上13工作面和63上04工作面煤层厚度分别为5.1 m和5.25 m，近水平煤层，综采一次采全高开采方式，开采深度分别为625 m和678 m，工作面斜长都为260 m，地质构造简单，且都为轨顺侧沿空开采工作面。煤层上覆50～120 m范围内赋存一组以砂岩为主，夹杂少量泥岩的坚硬岩层，坚硬岩层厚度30～50 m不等。该组坚硬岩层破断过程中常常引起2.0级以上矿震事件，是诱发工作面动力显现的主要原因。因此，采集东滩煤矿43上13工作面和63上04工作面分别选取6个月的回采速度资料，并将这一期间发生的2.0级以上矿震事件标注在图1中，据此分析工作面回采速度对微震活动的影响。

由图1可知，大能量矿震发生前回采速度通常发生较剧烈的变化，主要表现为：①43上13工作面5月26日、8月30日，63上05工作面4月13日发生大能量矿震之前都经历了5～8 d的停采，停采过后回采速度提升较快，诱发顶板强烈震动；②43上13工作面6月14日、6月21日2次大能量矿震，63上04工作面4月18日、4月22日、4月27日、4月29日连续4次大能量矿震之前的回采速度持续上升，并呈现频繁的波动变化；③43上13工作面10月6日、10月19日、10月27日3次大能量矿震，63上04工作面5月17日、6月2日、6月20日、7月18日、7月25日、7月29日、8月2日7次大能量矿震发生之前，回采速度下降后突然或连续升高，爆发大能量矿震。因此，认为回采速度对大能量矿震发生影响较大，工作面停采后再次回采时，应缓慢增加采速；开采遇断层时应均匀放慢回采速度，尽量降低对围岩的扰动，避免开采速度不均造成应力突增突降。

图1 回采速度与大能量矿震关系曲线

Fig.1 Relationship curve between mine earthquakes and mining speed

图2 不同采速下各能量级别的微震频次、能量

Fig.2 Time and energy of microseism of every energy degree in different mining speed

1.2 回采速度与微震频次、能量相关性拟合分析

对工作面回采速度的分类统计可直观辨识大能量矿震前后的回采速度特征，将回采速度分成5个等级，然后将对应期间每日监测到的微震事件归类到各个回采速度等级中，再分类统计不同采速和震能等级下的微震特征，结果见表1。再按照回采速度和震动能量等级分析其日均震动频次和能量特征，并将微震频次、能量特征曲线进行数据拟合分析，如图2所示。

由图2可知，低能微震事件与回采速度呈明显线性关系，高能微震频次、能量与回采速度呈非线性关系。由图2(a)～(c)可知，在全部能量与低能量级别下的微震频次与回采速度之间成良好的线性关系。能量级别在0～102J的回归直线斜率为1.8，能量级别在102～103J的回归直线斜率为1.45，说明能量级别在0～102J的微震事件比能量级别在102～103J的微震事件随回采速度增加的快，也说明回采速度的增加促使低能量微震事件向高能量微震事件转移。当工作面回采速度大于4 m/d时，大能量微震事件频次和能量释放非稳定程度增强，因此认为当回采速度大于4 m/d时，发生大能量矿震和冲击地压的危险性大大增加。

表1 不同回采速度下各能量级别的微震统计结果

2 回采进尺与大能量矿震发生的关系

地震学相关研究表明天然地震在发生时空上都具有周期特性[11-13]。因此，对东滩煤矿43上13工作面回采过程中2.0级以上矿震事件发生的时间、位置关系进行分析，以期揭示回采进尺与微震发生的关系。先后以100 m和50 m作为一个进尺周期，统计每个周期内大能量矿震次数，结果见表2。

由表2可知，东滩煤矿43上13工作面回采431 m范围内大能量矿震周期特性并不明显，这可能与距离开切眼约450 m位置的煤层夹矸分叉线有关，工作面回采初期的煤厚分布不稳定，断层较多；同时夹矸分叉也会引发一定程度的应力集中，为应力传递提供良好的通道，这些都是大能量矿震并未呈现出明显周期特性的原因。在工作面回采431 m之后，大能量矿震的周期特性表现为100 m的大周期范围内存在50 m的小周期，一个大周期内约发生4次大能量矿震，一个小周期内约发生2次大能量矿震。将矿震周期特性与工作面矿压监测结果结合起来发现，大周期和小周期分别对应6次和3次基本顶周期来压。

表2 大能量矿震与回采进尺关系

续表2

日期当日进尺/m累计进尺/m进尺范围/m进尺周期/m2015-08-271.50661.5631～681502015-08-306.00676.52015-09-034.50693.7681～731502015-09-070.50704.52015-09-233.50753.5731～781502015-10-064.00811.3781～831502015-10-094.50821.8

3 采动应力对工作面微震分布的影响

3.1 数值模型建立

为揭示采动应力与微震分布之间的关系，以东滩煤矿63上05工作面为背景，建立FLAC3D三维数值模型，如图3所示。模型尺寸长×宽×高=605 m×900 m×160 m，共建立193 860个单元，203 294个节点。模型中各岩层的物理力学参数见表3。按照现场地应力实测结果，模型X方向施加10.31～24.95 MPa梯度应力，Y方向施加1.69～9.62 MPa梯度应力，顶部施加14.25 MPa等效均布载荷，Z轴设置为自重载荷，计算中选用摩尔-库伦屈服准则。模拟分析工作面推进到不同位置时的垂直应力分布规律，然后将对应期间现场微震系统监测到的震源分布情况通过地理坐标叠加到对应回采阶段的垂直应力平面分布云图上，对比分析采动应力对微震震源分布的影响，如图4所示。

图3 三维模型

Fig.3 3D model

表3 煤岩力学参数

图4 垂直应力云图上的微震分布

Fig.4 Microseismic distribution in vertical stress cloud map

3.2 采动应力与微震分布的叠加效应分析

由图4可知，第一，随63上05工作面推进，微震系统定位到的震源绝大多数集中在采空区后方的应力降低区及临近的64上04采空区，少部分集中在煤壁前方应力升高区，在原岩应力稳定区分布较少；第二，工作面初采阶段，应力水平较低，几乎不产生大能量微震事件，随回采进度及强度增加，工作面整体应力增大，大能量微震事件出现并持续增加，微震频次也有增加趋势；第三，工作面回采200～300 m和500～600 m区域时，这两个区域是工作面一次“见方”和二次“见方”区域，大能量微震事件相比之下都较之前的回采阶段明显增多，尤其在工作面回采500～600 m区域时更为明显，说明工作面“见方”引发的顶板周期大压容易促使大能量震动频发。综上认为，工作面整体应力水平的提高有助于大能量震动事件的产生。周期来压、工作面“见方”等时段是防震减灾的重要时期。