复合顶板下冲击地压煤层综放工作面微震特征分析

高永刚，叶 飞，赵维收

(陕西彬长小庄矿业有限公司，陕西 咸阳 713500)

随着煤矿向深部开采，冲击地压作为一种常见的煤矿动力灾害，许多学者对其进行了研究[1-4]。微震监测技术可以用来研究煤岩层的活动规律、煤岩体的破裂机制及矿震时空演化规律，可以对冲击地压等煤岩动力灾害进行监测预警[5-10]。

国内外学者对微震活动特征开展了大量的卓有成效的研究。姜福兴[11]、窦林名[12]、潘一山[13]等采用微震系统对三维空间内所有煤岩体破裂过程进行24 h连续监测，采集和分析煤岩体微破裂时产生的弹性波，判断煤岩体破裂的时间、空间位置、震级、能量释放等参数，实现对冲击地压的超前预警；夏永学等[14]提出了微震预测冲击地压的5个指标；CAO Anye等[15]运用微震系统的被动层析成像技术对孤岛工作面冲击危险源进行辨识。但上述研究大多针对厚层坚硬顶板开展，针对复合顶板条件下微震活动特征的研究尚显不足。

笔者对小庄煤矿复合顶板条件下40204综放工作面回采期间的微震活动特征进行研究，并由此制订特厚煤层综放工作面防冲措施。分析结果对类似条件下的冲击地压煤层安全回采具有借鉴意义。

1 工程概况

1.1 工作面概况

40204综放工作面主采4#煤层，其埋深约+518～+690 m，平均煤层倾角约3°～4°。40204综放工作面走向长1 801 m、宽195 m，工作面区域内煤层赋存较为稳定，平均厚度22 m，南邻40203采空区，其余3面均为实体煤。

工作面回采前煤岩体中蕴含集中静载荷，在工作面开始回采后，由于综放开采顶煤、顶板垮落或顶板弯曲下沉，导致在煤体中发生破裂事件。采用微震系统对工作面回采过程中产生的煤岩破裂事件进行监测，在工作面上下巷各布置3个探头，同一巷道内探头间距不超过300 m。

1.2 复合顶板概况

根据小庄煤矿40204工作面附近的1-2和2-4钻孔柱状图可知，局部区域4#煤层上方垂距约60 m范围内顶板岩层岩性及厚度如表1所示。

表1 40204工作面局部区域4#煤层上方顶板结构

由表1可知，勘探钻孔附近区域多由厚度小于10 m的薄岩层组成，在1-2柱状中煤层上方13层岩层中仅有2层厚度大于10 m，在2-4柱状中煤层上方 13层岩层中仅有1层厚度大于10 m，并且在统计的13层岩层中，1-2柱状包括7层砂岩，2-4柱状包括6层砂岩，砂岩为钙质或泥质胶结，硬度较高。对比1-2和 2-4 柱状图，发现两钻孔岩层结构差异较大。由此可见，钻孔附近区域4#煤层上方垂距约60 m范围内含有多层坚硬岩层但厚度较小，且顶板岩层赋存稳定性较差，顶板岩层内没有起主要作用的亚关键层，顶板硬度是靠多层薄硬岩层叠加而得。

2 复合顶板下综放开采微震活动特征分析

2.1 微震基本规律分析

选取40204综放工作面及其周围100 m范围的微震数据进行分析，此时空范围内共有46 529个有效微震事件，总能量为1.10×108J，平均能量为 2.36×103J，最大能量为3.13×105J。在数据监测时间范围内，工作面共推进1 123.3 m，平均每米释放能量为9.76×104J。

经统计，能量大于104J微震事件占总频次的1.12%；能量小于104J微震事件占总频次的70.39%，其能量和频次均占主导地位；能量小于 103J 微震事件占总频次的28.37%，这表明回采过程中围岩积聚的能量释放较为均匀，对冲击地压的防治较为有利。根据以往发生的动力现象来看，当微震事件能量在104J以上时，就有可能对巷道围岩造成破坏，而在40204综放工作面回采过程中，最大能量为3.13×105J，说明40204综放工作面回采期间具有一定的冲击危险性。但能量释放还是以“高频低能”的形式为主，这主要由于回采前和回采中采取的大量卸压措施在煤层内形成了大量裂隙，导致能量的逐渐释放，也说明了目前煤层大孔径钻孔卸压参数较为合理，形成的裂隙场连续性较好。

2.2 微震频次与能量的周期性变化

40204综放工作面回采过程中每天的微震事件频次和能量的变化曲线如图1所示。从图1中可以看出，在40204综放工作面回采前期微震事件的频次和能量保持在较低水平，中后期有3个明显的微震事件活跃时段：

1)A时段：A活跃时段持续48 d，平均每日微震频次为282，单日微震能量总和平均为6.72×105J。

2)B时段：B活跃时段持续35 d，平均每日微震频次为311，单日微震能量总和平均为7.66×105J。B时段相对于A时段，微震活跃度进一步升高。在A和B活跃时段出现时，工作面内并没有大的地质构造，采掘布置情况相对于开采初期也没有大的变化，工作面回采速度也比较稳定，表明该区域顶板岩层结构硬度较大，从而出现了这2个微震活跃时段。

图1 40204综放工作面回采期间微震事件每天频次和能量变化曲线

3)C时段：C活跃时段持续64 d，平均每日微震频次为146，单日微震能量总和平均为2.70×105J。该时段相对于A和B时段，持续时间更长，但能量和频次有所下降。该时段受停采煤柱及其附近巷道群的影响，微震能量和频次大幅升高。

40204综放工作面每推进5 m时的微震能量变化情况见图2。可以看出，工作面回采的大部分时间均处于弱冲击危险水平，少量时段工作面受顶板断裂产生的动载扰动影响，冲击危险性有所升高，达到了中等冲击危险水平。

图2 40204综放工作面回采期间冲击危险性分析

综上分析，40204综放工作面由于顶板岩层属于多层复合胶结顶板，单层厚度通常小于5 m，并且坚硬岩层较少，因此微震能量和频次较低，但局部顶板硬度加大，依然会导致微震活跃度的升高。

2.3 微震活动与采动应力的关系分析

研究表明，煤岩体破裂发生在应力差较大的区域，因此，煤岩体破裂区总是与高应力差区域相重合，并与高应力集中区域相接近，由此可见，只要监测到煤岩破裂区域，即可找到高应力区域和高应力差区域。每一次煤岩体破裂都会产生一次微震事件和声波，而震动能量、频次等又反映了煤岩体受力破坏程度，微震事件能量越大、震动越频繁，则煤岩体应力集中程度越大，破坏越严重。因此，可通过微震监测开采过程中微震事件能量、频次及发生位置等参数来分析采动对区域应力场分布特征的影响。

为研究工作面前方超前支承压力的分布特征，采用固定工作面的方法(即假定工作面的位置是固定不动的)，根据定位结果及工作面推进进度，可以计算出每个微震事件相对于固定工作面的相对坐标。微震事件的绝对位置和相对位置关系如图3 所示。

图3 微震事件的绝对位置和相对位置关系

假设第i天第j个微震事件Pij的定位坐标为(x,y,z)，且第1天至第i天工作面的推进距离为Li，则选取第1天作为固定工作面，可求得该微震事件的相对坐标(X,Y,Z)：

X=x-Licosαcosβ

Y=y-Licosαsinβ

Z=z-Litanα

式中：α为工作面推进角度；β为工作面推进方向在水平面上的投影与x轴的夹角。

对于小庄煤矿来说，工作面走向方向可以认为是近似水平的，即α=0，则：

X=x-Licosβ

Y=y-Lisinβ

Z=z

通过固定工作面位置，将40204综放工作面微震事件空间分布按照上述方法进行修正，取空间步长为10 m，得到工作面前方和后方微震事件分布特征，进而分析得到微震活动与采动应力的关系，如图4 所示。总体来看，微震能量和频次分布曲线同超前支承压力曲线相类似，随着与工作面距离的增大，微震能量和频次快速降低。

图4 微震活动与采动应力的关系

由图4可知，大部分微震事件均集中在工作面附近，工作面前方40 m为微震能量和频次的峰值区域，说明工作面回采过程中顶板垮落较为及时，顶板岩层的垮落性较好，有利于防冲工作。此外，在工作面后方0～100 m，微震能量和频次也比较集中，但相对于工作面前方要降低很多。监测结果表明，随着40204综放工作面的回采，上部顶板垮落主要集中在工作面前方，而在工作面后方顶板破裂运动依然比较剧烈。由于工作面前后顶板破断均比较充分，使得工作面超前区域的应力保持在较低水平。

2.4 区段煤柱影响下微震能量沿倾向分布规律

40204综放工作面留设宽度为28.6 m的区段煤柱，沿煤层倾向微震事件能量和频次的分布情况如图5所示。

图5 沿煤层倾向微震事件分布情况

由图5可知，整个40204综放工作面微震事件沿倾向呈近抛物线型分布，距离区段煤柱越远则微震能量和频次越低；在工作面回风巷附近微震能量和频次出现了升高，而后再次降低，说明区段煤柱附近区域微震事件最为集中，相应的冲击危险性最高，随着与区段煤柱距离的增大危险性逐渐降低；工作面中部微震能量和频次相对较小，在工作面回风巷端头附近区域微震能量和频次出现突然升高，说明该区域具有较高的冲击危险性。

综上所述，在区段煤柱及采空区侧向压力影响下，煤柱区、胶带巷和回风巷端头区域属于应力增高区，煤岩体具有较强的活动性。

3 复合顶板下微震活动特征的成因分析

由微震监测结果可知，复合顶板条件下小面积的采空区对应力集中的影响较小，只有当采空区面积较大时才会产生较大影响，这是因为复合顶板单层岩层厚度较小，垮落性较好，当采空区面积较小时低位顶板垮落会填满采空区，对层位较高的顶板形成支承效应；但是当形成大面积采空区时，顶板垮落高度开始上升，大面积采空区上方的高位顶板会形成联动效应，这种联动效应增加了复合顶板下采空区附近顶板围岩的应力集中程度。

4 复合顶板下防冲卸压措施

根据微震监测结果，制订复合顶板下的防冲卸压措施。在工作面回采期间，与40203采空区相邻的胶带巷采取煤层爆破卸压，爆破孔孔径44 mm、孔深 12～15 m，单孔装药4～6 kg，孔间距2～4 m；回风巷采取大直径钻孔卸压，孔径133 mm，煤柱侧孔深 15 m，回采侧孔深50 m，孔间距0.8～1.6 m。根据冲击地压监测及现场动力显现情况，判定工作面冲击危险等级，依据冲击危险等级调整爆破孔和大直径钻孔间距。

目前，40204综放工作面已回采结束，未发生冲击地压显现，证明了回采过程中采取的卸压解危措施较为合理，进一步验证了微震监测结果符合客观实际。

5 结论

1)复合顶板条件下，40204综放工作面回采期间小于104J微震事件的能量和频次占居主导地位，表明回采过程中围岩积聚能量释放较为均匀，避免了局部应力集中。

2)复合顶板条件下工作面附近微震事件主要集中在工作面前方，但在工作面后方顶板活动依然比较剧烈，顶板垮落较为充分，工作面超前区域的应力保持在较低的水平，降低了工作面冲击危险性，说明复合顶板条件下40204采空区对工作面超前应力集中影响较小。

3)40204综放工作面区段煤柱附近区域，以及工作面回风巷端头附近区域微震事件最为集中，此区域冲击危险性最高，工作面中部微震能量和频次相对较小，冲击危险性相对较低，说明复合顶板条件下相邻采空区对邻空巷道的影响较大。

4)由于复合顶板垮落性较好，当采空区面积较小时低位顶板垮落会充满采空区，对层位较高的顶板形成支承效应，但是当形成大面积采空区时，采空区上方的高位顶板会形成联动效应，增加了复合顶板下采空区附近顶板围岩的应力集中程度。

5)根据微震监测结果，制订复合顶板下的防冲卸压措施。目前，40204工作面已回采结束，未发生冲击显现，表明微震监测结果符合现场实际。