基于微震监测技术的3604 掘进工作面围岩稳定性研究

秦凯锋

（沁和能源集团有限公司候村煤矿，山西 晋城 048000）

1 工程概况

候村煤矿矿井面积12.151 3 km2，现生产能力120 万t/a，开采3#煤层，为高瓦斯矿井。候村煤矿3604 工作面煤层顶底板围岩受巷道采掘影响，其稳定性及应力会发生变化。在3604 工作面掘进过程中采用微震监测技术对煤层顶底板岩体稳定性及应力进行动态实时监测，以保证采掘安全。

2 围岩稳定性动态微震监测方案[1-2]

2.1 观测系统

候村煤矿3604 工作面围岩稳定性微震监测系统：共布设一套12 通道微震监测系统，分2 个6通道微震监测分站，每个微震监测分站连接1 支三轴微震传感器、3 支单轴微震传感器，微震传感器间距100 m。监测台网布设如下：

（1）3604 胶带巷、回风巷各布设1 台微震监测分站及1支三轴微震传感器、3支单轴微震传感器。微震传感器沿煤矿走向方向于胶带巷和回风巷的非开采帮，覆盖有效监测区域400 m。

（2）3604 面围岩稳定性动态微震监测系统布设如图1、图2，微震传感器编号S1～S8，微震监测分站编号1#～2#。

图1 单巷微震监测系统布设示意图

图2 3604 掘进工作面微震监测系统布设示意图（m）

（3）S1、S3、S4 为单轴微震传感器，间距100 m，通过电缆连接1#微震监测分站；S2 为三轴微震传感器，通过电缆连接1#微震监测分站；S5、S7、S8 均为单轴微震传感器，通过电缆连接2#微震监测分站；S6 为三轴微震传感器，通过电缆连接2#微震监测分站。1#、2#微震监测分站通过光缆连接井下环网中心。

2.2 电缆铺设

3604 面围岩稳定性动态微震监测区域中每个单轴微震传感器需铺设一根两芯通讯屏蔽电缆到微震采集分站，电缆型号MHYVP2*7/0.37；每个三轴微震传感器需铺设一根六芯通讯屏蔽电缆到微震采集分站，电缆型号MHYVP3*2*7/0.37。

2.3 系统联调及地震波速标定

微震监测系统安装后，进行系统联调及地震波速标定。地震波速标定根据现场实际条件进行现场煤层敲击实验完成。施工方法：在监测区域选取多个敲击实验点，如微震监测点附近约20 m、10 m处的煤壁帮和顶部；大锤结合金属底板进行敲击实验，记录敲击时间；根据敲击实验波的到时与敲击点到传感器的距离，计算地震波传播速度，综合测试结果获得微震处理时使用的地震波速。

3 3604 工作面顶板围岩稳定微震监测分析

3.1 3604 工作面微震事件处理

2020.8.12—2021.2.4 期间，3604 面掘进期间共监测微震事件1986 次。通过拾取监测微震事件进行P、S 波到时，利用基于微震到时和方位角相结合双差定位算法的微震定位方法来精准定位掘进开采诱发产生的微震事件。通过对3604 面开采诱发产生的微震事件进行处理、分析，获得底板破坏深度、顶板破坏高度以及开采影响区域。根据微震事件分布特征，结合巷道围岩地质、地层、岩性等资料，可初步分析工作面掘进引起的围岩应力变化规律。通过对弹性波信息进行采集处理，获取微震事件发生位置、大小、能量、地震矩、非弹性变形和震源机制等数据，对掘进工作面围岩体变形全过程和岩石微破裂情况进行全面、实时监测。

3.2 工作面微震时空演化规律分析

3.2.1 3604 工作面时间域分析

2020.8.12—2021.2.4，3604 面掘进期间微震事件月度统计如表1 所示。从8 月开始，微震事件逐渐增多，到10月微震事件数达到最大值后逐渐减少。表明8 月—10 月间3604 面掘进作业频繁，巷道围岩诱发较强烈的微震事件，因此10 月微震数据急剧增多，工作面巷道上覆煤岩体受开采扰动影响较大。

表1 监测区间定位微震事件月度统计

3.2.2 3604 工作面能量域分析

（1）3604 工作面能量区间分析

3604 工作面微震能量不同能量区分布统计见表2。近半数以上的微震事件其释放的能量在100 J 以内，另外近39.78%的微震事件其释放能量在1000 J 以内，初步推测这些微震事件是3604 工作面掘进生产扰动引起的围岩应力变化、应变发展及延伸等产生的围岩体应力调整活动。大能量事件相对较少、地震活动性频度高，说明监测区域的应力积聚-调整-释放-再积聚活动稳定持续进行。

表2 不同能量区间分布统计表

由表2 数据可知，在整个监测区间，有效定位的微震事件半数以上为100 J 以下的事件，属于掘进生产活动扰动围岩应力重分布产生的岩体微破裂事件，这些事件震源特性属于高频信号，不会对安全生产活动造成太大影响。

（2）3604 工作面能量最大值分析

对3604 工作面掘进中每天采集的微震事件频次和微震事件能量进行分析。2020 年8 月—2021年2 月期间，2020 年10 月微震事件数最多，该月每天平均微震事件数达25 次，后期微震事件数明显减少，日均10 次。微震事件主要是由于工作面回采期间对巷道围岩造成的扰动所产生。

从图3 可知，监测期间微震事件能量曲线呈现一定规律性。掘进初期，因煤岩体原有应力平衡的改变，微震能量有明显变化，冲击危险性增强；随着掘进进行，煤岩体应力趋于新的平衡，相应的能量明显下降；随着掘进对巷道围岩扰动的增加，应力重新分布，再加上断层和采空区的影响，微震事件能量在一段时间会快速增加，应力释放后又逐渐稳定；当停止工作面掘进后，微震事件能量有所回落。

图3 微震事件能量与微震事件个数折线图

3.2.3 3604 工作面破坏空间域分析

基于2020 年8 月12 日—2021 年2 月4 日期间3604 工作面微震事件处理结果分析：根据2020 年8 月—2021 年2 月每月的微震事件定位结果，可见微震事件主要分布在掘进工作面附近，随着掘进工作推进，微震事件逐渐向回采线移动，直至贯通。微震信号的分布空间位置说明了微震事件的出现是工作面掘进作业对巷道围岩扰动引起。

根据微震事件定位结果，3604 工作面生产期间围岩顶板影响高度和底板影响高度见表3。根据数据可知，工作面顶板围岩影响高度呈现增大再降低的趋势，其中9 月和10 月影响的范围最大，这是由于9 月和10 月的掘进累计进尺较大导致。根据数据底板影响深度呈驼峰型变化，9 月和11 月影响深度最深。无论是顶板还是底板影响区域都随着掘进接近尾声而逐渐缩小。受开采扰动影响，工作面巷道上覆煤岩体微破裂较多，范围广，岩体稳定性略低于下伏岩体。

表3 顶板破坏高度和底板破坏深度统计表 m

b 值是表征微震事件相对震级分布的函数，2020 年8 月到2021 年1 月b 值变化趋势图如图4。从图4 可知，除8 月外，b 值均在1 以上，表明3604 工作面内岩体处于相对平稳状态，巷道围岩的稳定性较好。变化趋势呈现出逐渐增加、减小、再增加的趋势。说明2020 年8 月至10 月小震级微震事件相对增加，大震级微震事件出现的概率相对减小，工作面围岩体损伤或局部破坏的风险在减小。而10 月到12 月小震级微震事件相对减小，大震级微震事件出现的概率相对增加，工作面围岩体损伤或局部破坏的风险在增加。到2021 年1 月由于掘进接近尾声，大能量事件减少，工作面围岩体损伤或局部破坏的风险也在减小。

图4 3604 工作面b 值变化趋势图

4 结论

（1）3604 工作面掘进期间共监测微震事件1986 次。从2020 年8 月开始，掘进产生的微震事件逐渐增多，到10 月微震事件数达到最大值后又逐渐减少。

（2）3604 工作面掘进期间微震事件及能量的监测结果表明，矿山生产扰动3604 工作面巷道的围岩应力发生变化，进而导致围岩体应力产生调整。3604 面掘进初期围岩稳定性较差，随着掘进围岩稳定性趋于稳定，掘进后期由于对围岩扰动的影响，巷道围岩稳定性再次变差，停止掘进后，围岩稳定性趋于稳定。

（3）微震事件主要分布在掘进工作面附近，随3604 工作面掘进推进，微震事件逐渐向回采线移动，直至贯通。说明这些微震信号主要是掘进工作对围岩的扰动引起。

（4）3604 面微震数据中，b 值函数结果表明：3604 工作面内岩体处于相对平稳状态，呈现逐渐增加、减小再增加趋势。3604 工作面破坏风险表现为减小-增加-减小的过程。整体上，巷道围岩稳定性较好。