工作面过联络巷微震时空能演化机制研究

赵立松

（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

在工作面回采过程中，由于受断层等地质因素的影响或由于运输任务的需要，会出现探巷、设备眼等联络巷，斜穿工作面，影响正常开采。许多学者对通过联络巷顶板支护、矿压变化等方面做了研究分析，张党育[1]等人以东庞煤矿9212 工作面过老巷为例，对其过老巷期间顶板微震响应的时空演化规律进行了描述，并应用主成分分析与熵权法确定综合权重，基于脆弱性指数法建立了危险性评价模型，为类似条件下过老巷顶板支护管理提供了参考。柏建彪[2]等人通过建立空巷顶板稳定性的力学模型，对工作面前方空巷基本顶的稳定性进行了研究分析。张德宝[3]在其硕士论文中采用理论研究、数值模拟以及现场实测等方法研究了工作面推进过程中的矿压显现特征及空巷与工作面相互影响情况，分析了平行与工作面的空巷在回采过程中的矿压显现规律及破坏规律。郭富利[4]围绕综放工作面空巷围岩关键结构稳定性等问题，提出了空巷“小结构”-锚杆与围岩作用而形成的共同承载结构的观点，形成了综放工作面过空巷时空巷围岩稳定及其控制的理论体系。任建峰[5]以斜沟煤矿8 号煤层为地质原型对大采高工作面过空巷时的支承压力分布进行模拟分析，得出工作面回采过程中不同阶段围岩应力分布情况进行了分析。张浩、唐海波、徐跃强等[6-8]对工作面过空巷也都做了一些研究分析。张峰[9]采用理论分析和现场调研的方法总结深部破碎巷道围岩的变形特征，提出了多种方法联合支护对围岩进行控制，并对支护效果进行了评价证明其支护方式的可行性。

本文以峰峰集团羊东矿8470 工作面为例，在基于矿井微震监测所得的连续实时数据，对顶板、底板微震事件时空、能量演化规律进行分析、研究，总结了其通过联络巷阶段的特征，可为类似条件下工作面安全通过联络巷提供参考。

1 工程概况

羊东矿8470 工作面为4 号煤综采工作面，标高为-611—-793 m，运料巷长为1 120 m，溜子道长1 340 m，采宽130 m。羊东矿8470 工作面东部以8468 工作面为界，西部以8466 采空区为界，南部以五二采区三条下山为界，北部以F30 断层预留防水煤柱为界。该工作面地质条件较复杂，呈褶曲构造形态，外段为背斜，里段为向斜，煤岩层走向为N53°W ～N84°E，倾角2° ～28°，平均14°，煤层厚度1.20 ～1.96 m，平均厚度1.3 m，其柱状图如图1 所示，受下伏奥灰水威胁，属带压开采，水文条件复杂。

图1 羊东矿8470 工作面柱状图Fig.1 Histogram of No.8470 Face in Yangdong Mine

该工作面开采4 号煤，顶板为野青灰岩含水层，该含水层富水性弱，随巷道掘进揭露以滴淋水形式可逐渐疏干，一般不会对正常掘进造成影响。底板含水层依次为伏青灰岩含水层、大青灰岩含水层、奥灰含水层。伏青含水层近3 a 最高水位为-605 m，根据工作面周边809 号钻孔资料分析，距野青煤层最小间距29.56 m。8470 工作面（里段）区域治理目的层为奥陶系灰岩含水层顶面向下30～40 m。2020 年，对8470 工作面及巷道内小构造及构造导水性、富水异常区探查及治理。

2 8470 工作面微震系统布置

检波器合理有效的布设对煤矿水害微震监测系统精确定位十分重要，本着立体化交错布置、经济合理等原则，该工作面微震监测项目共布置单轴检波器20 个，共3 个分站，其平面位置如图2 所示。通过检波器接收煤岩体在变形、破裂过程中的微震事件信号[10]，进行微破裂发生位置定位，同时得出能量、震级、视体积等属性参数。基于三维可视化地质建模理论和技术，根据羊东矿采掘工程平面图及8470 工作面附近钻孔柱状图，对煤系地层及巷道工程进行三维地质建模。经过收集原始资料结合采矿、水文地质对层段进行划分，得到煤系相关地层的顶底界面，从上往下依次为2 煤浅部、2 煤-野青底、野青底-山伏青底、山伏青底-大青底、大青底-奥灰顶、奥灰以深。微震监测系统实时传输数据至服务器，根据矿方生产情况制定日报监测周期，每天进行数据处理，然后展点上图，将顶板事件、底板事件等分别进行平面、顺巷剖面、垂巷剖面展布。

图2 8470 工作面微震监测阵列布置Fig.2 Microseismic monitoring array layout in No.8470 Face

3 过联络巷阶段微震事件时空能演化机制

8470 面共存在2 条联络巷巷道（即联络巷），是羊东矿为分头采煤拉运设备使用的，其中1 条在距离运料巷切眼96 m、溜子道切眼200 m 处，即本文中所监测区域范围的联络巷，在4 号煤回采工作面中以53°的夹角与8470 工作面两平巷斜交。

结合9 月1 日—9 月3 日微震日报平面分布图，如图3 所示。9 月1 日微震事件主要分布在采线与联络巷巷道之间的位置，尚未影响到联络巷区域。9 月2 日采线附近微震事件开始增多，且联络巷与下巷交叉三角区域开始出现事件，至9 月3 日时该位置持续有事件。9 月2 日时微震事件发育频次比9 月1 日增大，能量参数振幅同时有大幅度增加趋势。因此选择9 月2 日为联络巷超前影响区开始的位置。此时推进15.1 m，超前影响范围为采线前方105 m。10 月24 日工作面推至联络巷与运料巷交叉处，共推进93.1 m。

图3 微震事件平面分布图（9.1-9.3）Fig.3 Plane distribution of microseismic event（9.1-9.3）

考虑工作面巷道布置、微震事件超前影响范围等多因素，将整个研究区域划分为2 个研究阶段，联络巷超前影响阶段（9.2-10.23）、通过联络巷阶段（10.24-12.15），如图4 所示。

图4 8470 工作面阶段划分示意Fig.4 Stage division of No.8470 Face

3.1 各研究阶段频次特征

联络巷超前影响阶段共监测到微震事件14 744个，日均284 个。据微震监测数据统计，微震事件数量对比柱状图如图5 所示，4 号煤以上事件5 963 个，占总数的40.4%，野青底-伏青底8 667个，占总数的58.8%，伏青底-大青底114 个，占总数的0.8%。

图5 微震事件数量对比柱状图Fig.5 Histogram of microseismic events number comparison

通过联络巷阶段共监测到微震事件14 899 个，日均276 个，相比超前影响阶段有所下降。4 号煤以上事件5 277 个，占总数的35.4%，野青底-伏青底9 455 个，占总数的63.5%，伏青底-大青底167 个，占总数的1.1%。

结合图5 可以看出，在通过联络巷阶段中4 煤以下底板事件占比增加，且山伏青以深事件占比也有所上升，分析认为，在通过联络巷过程中巷道交叉处形成的三角区域应力集中释放，应力传导范围增大，底板事件占比增大，扰动深度增大。

3.2 微震事件时空演化规律

根据所划分的研究阶段，选取起始日期以及通过联络巷的关键时间节点，结合微震日报，分析其事件随着回采的推进在时空分布上的变化规律。结合微震平面分布图可以直观、深入的了解事件发育规律[11]。各研究阶段微震事件平面分布趋势变化图如图6 所示。9 月2 日工作面回采至15.1 m 处，采线距离联络巷90 m 处，联络巷附近微震事件数量开始增多，其位置主要是联络巷与运料巷交叉处，其平面分布如图6（a） 所示，直到10 月23 日为联络巷超前影响区域，联络巷附近微震事件频次开始增大。在整个超前影响阶段内，微震事件主要是在联络巷与运料巷交叉处形成的三角区域内事件密度较大。分析认为，靠近联络巷一侧煤岩体受到采动应力和超前支承压力的叠加影响，上覆岩体载荷不断增加，容易发育微震事件。

图6 各研究阶段微震事件平面分布趋势变化图Fig.6 The trend change diagram of microseismic events plane distribution in each research stage

10 月24 日，工作面推进至联络巷与运料巷交叉处，微震事件数量骤增，且底板事件增幅较大。如图6（b） 所示，事件沿联络巷两侧密集分布，联络巷靠近工作面一侧的应力与工作面超前支承压力在推采过程中开始叠加，按照此时推采位置来看，采空区面积也不断增大，巷道内围岩应力急剧上升，围岩破碎活动密集，微震事件高度发育。11月5 日，采线到达联络巷约21 m 处，如图6（c）所示，微震事件数量仍持续处于高位，且事件主要分布在联络巷两侧，随着工作面的推进，密集区域由联络巷与运料巷交叉处逐渐发育至联络巷与溜子道交叉口处。11 月16 日，回采至联络巷中间位置，微震事件密集带位于采线前方，事件分布主要在联络巷与溜子道交叉处，此时形成的三角区域围岩应力集中，如图6（d） 所示，应力场变化受到巷道影响。12 月2 日，回采正在通过联络巷，推进速度的变慢，周围围岩应力长时间的释放，如图6（e） 所示，微震事件分布在联络巷附近且相对减少。12 月15 日安全通过联络巷。

总体来看，工作面内的联络巷为薄弱区域，在采动应力、联络巷围岩应力以及断层构造等叠加作用影响下，联络巷处围岩特别是与上下巷连通形成三角形的应力集中区更易发生微破裂事件。随着回采推进，在靠近联络巷附近有一个突变，微震事件扰动深度增加，深部事件增多，而后事件逐渐较少。

3.3 能量分布规律

在本文中用的能量参数为振幅A，能量E 与振幅A 的平方成正比。对该监测周期内的微震数据进行统计，微震事件振幅分段柱状图如图7 显示，微震事件的振幅集中在1 000 以内，占总数的94%，绝大多数集中在0 ~ 300。小能量事件占比较大，说明推采过程中，联络巷围岩发生较多小破裂，结合微震事件发育层位，在超前影响和通过联络巷阶段，近煤层事件较多，深部发育趋势不明显。

图7 微震事件振幅分段柱状图Fig.7 The segmented histogram of microseismic event amplitude

将单日微震事件数量与振幅总和做成点线图如图8 所示，这也反映了振幅时间分布特征。在超前影响阶段大能量事件较少，在采线刚刚推至联络巷处，数量突增，大能量事件分布密度明显增大，特别是采线前方50 m 范围内大能量事件占比大，在通过联络巷四分之三处大能量事件密度降低。通过联络巷阶段，微震事件整体呈现出高频次高能量、高频次低能量、低频次低能量3 个阶段变化。

图8 微震事件数量与振幅变化曲线图Fig.8 Curves of number and amplitude variation of microseismic events

从微震事件振幅空间分布图9 中可以看出随着离煤层距离越远，微震事件的数量和振幅都有减少的趋势。大振幅主要集中在顶板30 m～底板23 m范围内，距离煤层较近。煤层底板以上方向上来看，顶板0 ～30 m 微震事件聚集，说明该空间范围内上覆围岩岩体破碎、变形程度较大，裂隙充分发育，30 m 以上微震事件频次、能量均有大幅减小，说明该范围岩石变形程度较差。煤层底板以深方向上来看，距离煤层底板0 ～25 m 微震事件频次高。

图9 微震事件能量空间分布图Fig.9 Spatial distribution of microseismic event energy

3.4 垂向分布特征

垂向上微震事件每日顶底板分布范围如图10所示，超前影响阶段微震事件扰动范围要大于通过老巷阶段。在采线推进至联络巷时，微震事件响应剧烈时，顶板发育高度和底板破坏深度都有大幅增加，在4 d 之后，扰动范围减小。分析认为，在超前影响阶段，采动应力、原岩应力积聚，在通过联络巷时逐渐释放，在应力突变期有急剧扩展，是应力场由增大到集中，然后到释放的一个过程。

图10 微震事件每日顶底板分布范围图Fig.10 Distribution range of daily microseismic events in roof and floor

整个监测周期内，顶板事件99.3%事件集中发育在50 m 范围内，底板事件中64.28%的微震事件集中在野青底至伏青，平均发育深度在底板下31.4 m，山伏青底至大青底含水层事件较多，无大青底以深微震事件发生。表明8470 工作面微震事件主要由回采扰动造成，且采线中部位置底板破裂较为严重，但采动破坏深度有限，未形成深部有效导水通道。

4 结 论

（1） 工作面通过联络巷时呈现阶段性特征。随工作面的推进，靠近联络巷附近有1 个突变，微震事件扰动深度增加，深部事件增多，而后事件逐渐较少。

（2） 联络巷与其他巷道交叉处为应力集中区，易发育微震事件，说明其围岩易破碎，属于薄弱区域。在今后工作面中出现类似老巷情况时在超前影响范围内应做好顶板管理工作。

（3） 在超前影响阶段内事件能量较低，随着工作面的推进，离联络巷位置越近，大能量事件开始增多。在到达联络巷四分之三处，能量分布开始减少。

（4） 在通过联络巷期间，垂向上主要是近煤层事件，深部发育特征不明显。