不规则工作面微震时空演化规律研究

2023-10-11周金艳

煤炭与化工 2023年8期

周金艳

（1.河北煤炭科学研究院有限公司，河北邢台 054000；2.河北省矿井微震重点实验室，河北邢台 054000）

0 引言

煤矿回采过程中，由于工作面巷道布置、地质条件等因素的影响，不规则工作面出现的情况逐渐增多。不规则工作面主要表现为工作面倾向长度的变化，有的变化幅度较大，有的呈现刀把形，其在回采过程中，应力场变化不同于规则工作面。近年来微震技术因其具有监测范围广、实时动态监测等特点被广泛应用于煤矿回采过程中覆岩运动、底板破坏、导水通道监测等。孔令海等[1]基于工作面微震监测数据研究了采动覆岩裂隙空间分布特征；周金艳[2-3]深入挖掘九龙矿微震监测数据对其时空响应特征进行了总结；卢邦稳[4]等对邢东225 工作面覆岩活动规律和回采巷道采动影响变形规律进行分析。对于规则工作面采动影响下的微震事件时空分布规律已有丰硕的成果，但对于不规则工作面微震事件发育特点总结较少，理论也不完善。因此，本文结合梧桐庄182300 工作面微震实时监测数据，从时间序列、空间分布入手，深入分析其频次、能量、空间分布等规律，为今后类似情况提供参考。

1 工程概况

梧桐庄矿182300 工作面地面标高为＋217—＋238 m，煤层底板标高为-653—-547 m，埋深800 m 左右。井下位于三采区北翼，东与182300下工作面以F18 断层相隔，西与182302外下工作面以SF17 断层相隔，南为三采区准备大巷，北距182207 工作面150 m。走向长度662 m，倾向长度56～170 m，回采煤层为2 煤，平均煤厚为3.5 m，顶底板岩性见表1。该工作面位于神岗向斜两翼，地层走向N20°W～N54°E，倾向由SE 转为SW，倾角0°～24°，平均15°。工作面西邻SF17 断层，东临F18 断层，两断层经周围巷道实际揭露及区域治理钻孔探查，控制程度高，均不导（含）水。

表1 顶底板特征Table 1 Characteristics of roof and floor

结合该工作面巷道布置、水文地质条件等，微震监测项目共设计安装单轴检波器11 个，2 个监测分站。检波器采用包围式方式布置，检波器间距100～130 m。每日由专业人员结合微震事件时序、空间特征等分析得出监测日报发送至矿方，重点探查其垂向隐伏导水通道的形成。

2 微震事件时序特征

微震事件随着时间轴的延长呈现出一定的发育特征即为微震事件的时序特征，揭示了微震事件随时间序列变化发生的变化。182300 工作面监测周期为2022 年1 月12 日～7 月12 日，监测期间微震事件总数为8 170 个，日均45 个。

2.1 频次时序特征

频次可以反映煤岩体变形破坏速度，频次越高，裂纹发生发展速度越快。在182300 工作面监测周期内，随着时间推进，频次分布如图1 所示。

图1 监测周期内微震事件频次柱状图Fig.1 Microseismiceventfrequencyhistograminmonitoringperiod

由图1 可以看出，回采初期微震事件频次较高，应力场内平衡被打破，岩体发生破裂变形，微震事件频繁发育，且随着推进，工作面倾斜长变化幅度较大，围岩破断区不断增大，因此微震事件频次较高；随着回采推进，倾斜长变化幅度减小，且采空区面积不断增大，应力卸荷面积增大，微震事件发育频次有所降低。停采后微震事件频次逐渐降低，也说明微震事件受采动活动影响较多。

2.2 单日24 小时玫瑰图

将回采周期内数据进行24 h 统计分析，如图2所示，2 煤以浅层段发育密集。野青下-山伏青下层段事件在1～3 时发育较多，与回采活动相关。

图2 单日24 小时玫瑰图Fig.2 Rose chart of 24 hours for a single day

2.3 能量时序特征

微震现象就是失稳破坏发生前岩体给出的重要信息之一。能量反映了煤岩体变形破坏的程度，能量越高，煤岩体应力集中程度越大，破坏越严重。将182300 工作面监测周期事件能量进行统计分析，结合能量分段柱状图3 来看，182300 回采期间小能量事件频次最多，占比最大，为58.87%，中等能量事件个数次之，大能量事件个数最少。工作面内小能量占比较大，说明回采过程中，岩体破裂尺度微小，释放能量较小，未向深部、大尺度扩展延伸。停采后，小能量事件占比大幅降低，中等能量占比增大，采空区内应力场处于恢复期，可能存在大的垮落、变形，也有可能受到施工活动影响，造成能量较为集中的释放。

图3 不同阶段能量对比柱状图Fig.3 The energy contrast histogram of different stages

将顶板、底板中大能量事件展点到图件上，其平面分布如图4 所示，主要集中分布在回采初期倾斜长变化较大区域、回采后期停采线附近。回采初期一方面是回采活动打破工作面内应力平衡，一方面是工作面倾斜长变化幅度较大，且存在巷道转弯处，因此存在大能量事件。回采后期停采线附近巷道较为密集，且巷道东西两侧为实体煤区域，应力集中程度较高，因此大能量较为密集。

图4 大能量事件分布Fig.4 Distribution of large energy events

3 空间分布特征

182300 工作面倾斜长变化较大，从回采初期的56 m 逐渐增加至170 m，整个工作面形状不规则。在回采过程中，随着采线位置的前移，微震事件发育规律有所不同。

3.1 回采初期

在回采初期（2022 年1 月），微震事件平面分布如图5 所示，事件主要集中分布在采线附近，受回采扰动影响明显。分析认为该阶段内工作面由56 m 逐渐增加至125 m，从开切眼开始向前推移，直接顶悬露面积不断增大，顶板来压显现加剧。初期上覆岩体破断形式多样化，岩层运移极不规则，支承压力的分布也出现明显的不对称性。

结合1 月份事件分布来看，如图6 所示，事件超前扰动范围为40 m，采空区后方微震事件零星出现；另有一部分事件沿回风顺槽分布。在工作面回采至巷道拐弯处，微震事件单日从94 增加至126 个，底板事件由48 增加至95 个，增长了97.9%。底板事件占比增大，且扰动深度最深为60.54 m，较前期有所加深。分析为此处回风顺槽处于拐弯处，应力场波动较大，且采空区内上覆围岩垮落，形成微震事件密集区。

图6 微震监测日报（2022.1.25）Fig.6 Microseismic monitoring daily report(2022.1.25)

3.2 回采中期

从2 月开始工作面倾斜长增加幅度变缓，结合微震事件分布来看（图7）事件分布逐渐分散，整体较初期频次发育有所降低。采线附近底板事件密度较大，且靠近运输顺槽，分析与该工作面周围均为采空区有关，底板扰动深度较大。山伏青层段事件发育在神岗向斜两翼较为发育，在K2 物探异常区内扰动深度较深，走向方向上微破裂有逐渐向采空区延伸的趋势，事件随着回采推进而有规律的进行前移，未监测到山伏青以深层段事件，未发现有明显聚集情况，事件分布较为分散，分析为单一裂缝发育，形成有效导水通道可能性极低。1、2月份沿回风顺槽事件较多，主要为相邻工作面182302 撤架作业影响所致。

图7 2 月微震事件平面分布Fig.7 Plane distribution of microseismic events in February

2 月份该工作面持续存在山伏青以深事件，2月20 日伏青事件数量最多，为19 个，事件分布如图8 所示，此时工作面推进217 m，扰动深度52.08 m。分析与物探异常区相关，该处地质条件较为薄弱，山伏青事件数量较多。

图8 微震监测日报（2022.2.20）Fig.8 Microseismic monitoring daily report(2022.2.20)

随着回采推进，顶板事件占比逐渐增加，底板占比减小，且扰动深度有所降低。进入3 月份后，结合微震事件平面分布图9 来看，主要分布在切眼前方314 m 至停采线区域。结合单日微震监测情况（图10）来看，事件分布比较分散，采线附近聚集密度低，分布在采线前方150 m 范围内。3 月份时工作面基本推采至中部，且倾斜长变化幅度较小，处于神岗向斜南翼，埋深逐渐减小，由深向浅发育，顶板岩体破裂明显，顶板微震事件随着回采推进有规律的前移。底板事件主要为野青层位事件，且向西南方向发育密度较大，分析可能与该方向上山伏青放水孔相关。

图9 3 月份微震事件平面分布Fig.9 Plane distribution of microseismic events in March

图10 微震监测日报（2022.3.24）Fig.10 Microseismic monitoring daily report(2022.3.24)

3.3 回采末期

进入4 月份后，工作面逐渐变得倾斜，此时工作面回采进入回采后期，其平面分布如图11 所示。

图11 4～6 月份微震事件平面分布Fig.11 Plane distribution of microseismic events from April to June

事件主要分布在切眼前方490 m 至停采线区域内。结合微震监测日报来看，事件超前分布范围约为采线前方100 m。山伏青含水层事件主要分布在停采线附近偏向回风顺槽，分析该处可能受到山伏青放水孔影响，采场范围内承压水水压有所变化，同时在采动应力扰动下，底板扰动深度较前期有所增加。在前期回采时两侧采空区进行了卸压，300工作面内应力变化较小。进入回采末期，工作面外实体煤区域增大，导致采动应力在覆岩和底板岩层中演化的非线性特征更加明显，从3 月份到4 月份，山伏青层段事件由12 个增加至131 个，围岩失稳变形程度较大，因此微震事件密集发生。