姚亞虎

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400037；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037)

隨著開采深度的逐年增加，我國煤礦開采過程中礦壓動(dòng)力顯現(xiàn)也愈發(fā)頻繁，至今已有170多個(gè)煤礦遭受到了沖擊地壓災(zāi)害影響[1-2]。國內(nèi)外學(xué)者在沖擊地壓發(fā)生機(jī)理、預(yù)測預(yù)報(bào)、災(zāi)害防控方面做了卓有成效的工作[3-5]。由于復(fù)雜多樣的地質(zhì)條件和開采環(huán)境，誘發(fā)沖擊地壓的原因也多種多樣，破壞形式也多種多樣。以往研究表明，地質(zhì)構(gòu)造對(duì)礦震的發(fā)生具有重要影響，大多數(shù)礦井開采期間誘發(fā)的微震事件多集中于地質(zhì)構(gòu)造區(qū)，如向斜、斷層構(gòu)造區(qū)及煤層厚度、傾角突變區(qū)等，這些構(gòu)造的存在為沖擊地壓的發(fā)生創(chuàng)造了條件[6-8]。其中，向斜構(gòu)造區(qū)誘發(fā)沖擊地壓的案例最為常見，盡管許多學(xué)者試圖了解向斜構(gòu)造區(qū)誘發(fā)沖擊地壓的機(jī)制，但由于向斜構(gòu)造特征的復(fù)雜機(jī)制和精確識(shí)別開采誘發(fā)沖擊的復(fù)雜性，至今尚未研發(fā)出用于預(yù)測沖擊危險(xiǎn)性和向斜構(gòu)造區(qū)潛在沖擊顯現(xiàn)位置的有效手段[9-11]。

本文以興安煤礦典型向斜構(gòu)造影響范圍內(nèi)的四水平1號(hào)工作面為研究對(duì)象，從微震事件的時(shí)空分布和能量密度云圖角度研究了微震活動(dòng)與沖擊地壓發(fā)生的關(guān)聯(lián)性；利用震波速度層析成像技術(shù)對(duì)向斜構(gòu)造區(qū)煤層內(nèi)形成的高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行了識(shí)別，并在高應(yīng)力區(qū)實(shí)施大直徑鉆孔和深孔爆破措施，最后對(duì)后續(xù)開采活動(dòng)引起的微震事件進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了這些解危措施的有效性。這一研究最終可為微震監(jiān)測系統(tǒng)精確預(yù)警沖擊地壓提供一種新方式，進(jìn)而提高煤礦安全性。

1 工作面回采期間微震監(jiān)測情況

根據(jù)位置和誘發(fā)因素的不同，可將沖擊地壓分為煤柱型、向斜構(gòu)造型、堅(jiān)硬頂板型和斷層誘發(fā)型4種[12-14]，興安煤礦四水平1號(hào)工作面位于向斜構(gòu)造影響范圍內(nèi)。興安煤礦四水平1號(hào)工作面采用分層開采工藝，采高為2.6 m，開采深度為600～680 m，傾斜長度為137 m。由于存在向斜構(gòu)造區(qū)，掘巷期間工作面兩側(cè)平巷的方向調(diào)整了2次。該工作面上區(qū)段為采空區(qū)，采空區(qū)由5～10 m寬的煤柱與工作面隔開，煤層頂板由0.83 m厚的泥巖頂板、9.47 m厚的中砂巖頂板和32.75 m厚的粗砂巖頂板組成。該工作面采掘期間共發(fā)生了12次沖擊地壓，其中8次發(fā)生在鄰近工作面，4次發(fā)生于本工作面內(nèi)。沖擊地壓導(dǎo)致了巷道嚴(yán)重底臌，底臌量為0.8～1.5 m，兩幫移近量為0.5～1.7 m，嚴(yán)重?fù)p壞了巷道圍巖的支護(hù)結(jié)構(gòu)，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。波蘭中央礦業(yè)研究所開發(fā)的SOS微震監(jiān)測系統(tǒng)[15-16]被安裝應(yīng)用于興安煤礦中，該系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)監(jiān)測記錄儀、分析儀、地震檢波器、數(shù)字傳輸系統(tǒng)等組成，且其中包含16臺(tái)地震檢波器，頻率范圍為1～600 Hz，采樣率為500 Hz，采用16位A/D轉(zhuǎn)換，最大數(shù)據(jù)傳輸率為1 Mb/s。

圖1(a)為1號(hào)工作面周圍地震檢波器布置圖，圖1(b)為1號(hào)工作面放大圖，同時(shí)圖中還顯示了回采期間能量大于104J的微震事件的空間分布情況。從圖1可以看出，微震事件多發(fā)生于向斜軸部附近，存在許多微震事件聚集在一起的現(xiàn)象。圖2顯示了向斜構(gòu)造區(qū)“10·15”沖擊地壓發(fā)生前后的日最大能量、總能量和頻率變化規(guī)律。

圖1 四水平1號(hào)工作面回采期間微震監(jiān)測時(shí)空分布圖Fig.1 Spatio-temporal distribution map of microseismic monitoring during the stoping period ofNo.1 working face of Four Level

根據(jù)圖2中微震事件的頻率和能量釋放情況可知，“10·15”沖擊地壓發(fā)生前，能量不斷積累與釋放，總能量總體呈現(xiàn)升高趨勢，礦震頻發(fā)，頻率明顯增加；10月15日總能量和最大能量增大到最大值后，突降到0，能量釋放超過煤巖體動(dòng)力失穩(wěn)臨界值，發(fā)生了沖擊失穩(wěn)，引發(fā)沖擊地壓?！?0·15”沖擊地壓發(fā)生后，對(duì)損壞的巷道段進(jìn)行了修復(fù)，并實(shí)施了大直徑鉆孔和深孔爆破卸壓措施， 防止進(jìn)一步?jīng)_擊地壓的發(fā)生。由于提前采取了預(yù)防措施(即大直徑鉆孔、深孔爆破等)， 該工作面恢復(fù)開采后均未引發(fā)沖擊地壓。

圖2 “10·15”沖擊前后日最大能量、總能量和頻次規(guī)律Fig.2 Rule of daily maximum energy,total energy and frequency before and after “10.15” impact

2 向斜構(gòu)造區(qū)沖擊地壓發(fā)生前微震監(jiān)測時(shí)空特征

2.1 沖擊地壓發(fā)生前微震事件的時(shí)空演化特征

如圖3所示，采用不同顏色和圓形大小表示了不同能級(jí)的能量分布規(guī)律及其工作面回采期間的演化特征。10月7日至15日期間，大能量微震事件頻發(fā)，發(fā)生于向斜構(gòu)造區(qū)，此時(shí)工作面回采靠近向斜軸部。以典型的3班8 h工作面制為例，對(duì)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。10月10日至13日，小范圍內(nèi)每天都有大量微震事件發(fā)生，10月14日礦震頻率顯著下降。 第一次強(qiáng)礦震(能量大小為1.29×105J)發(fā)生在向斜構(gòu)造區(qū)，但沒有誘發(fā)沖擊地壓；隨后在同一區(qū)域又發(fā)生了一次強(qiáng)礦震(能量大小為3.02×105J)，并于10月15日誘發(fā)了嚴(yán)重的沖擊地壓。

圖3 沖擊地壓前微震的時(shí)空演化特征Fig.3 Temporal and spatial evolution characteristics of microseisms before rock burst

沖擊顯現(xiàn)位置在回風(fēng)平巷實(shí)體煤側(cè)，這是因?yàn)橄蛐睒?gòu)造區(qū)內(nèi)的回風(fēng)平巷較軌道平巷具有更小的彎曲半徑和更大的曲率，易受到較大構(gòu)造應(yīng)力影響。另外一個(gè)原因?yàn)檐壍榔较锟拷徑煽諈^(qū)側(cè)，構(gòu)造應(yīng)力和存儲(chǔ)的彈性能得到了很大程度的釋放，而回風(fēng)平巷鄰近實(shí)體煤側(cè)，向斜構(gòu)造區(qū)受鄰近開采影響較小，構(gòu)造應(yīng)力和存儲(chǔ)的彈性能較大，這也導(dǎo)致了沖擊地壓發(fā)生于靠近實(shí)體煤側(cè)的回風(fēng)平巷中。

在沖擊地壓發(fā)生前，微震事件聚集在向斜軸部附近，由于微震事件的空間分布與煤巖體微裂縫的發(fā)生發(fā)展過程相對(duì)應(yīng)，微震事件的空間分布極其復(fù)雜，且隨時(shí)間呈非線性演化。考慮到這一點(diǎn)，很難直觀地觀察微震事件隨時(shí)間的演變規(guī)律，進(jìn)而沖擊地壓發(fā)生前的前兆特征無法從微震事件的分布規(guī)律中精確推斷出來。

2.2 沖擊地壓發(fā)生前能量密度的時(shí)空演化特征

煤巖體的損傷與微震事件的次數(shù)、時(shí)間間隔和能量釋放密切相關(guān)，因此建立了能量密度指數(shù)?？紤]到上述三個(gè)參數(shù)可以量化為微震事件在時(shí)間和空間域的演變?；诳臻g平滑微震活動(dòng)性模型，將采場劃分為多個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)域，利用微震事件的空間點(diǎn)來計(jì)算沖擊危險(xiǎn)性[17-18]。關(guān)于某一區(qū)域的累積能量密度，可由式(1)計(jì)算得到。

(1)

沖擊發(fā)生前能量密度的演化規(guī)律如圖4所示。10月10日至14日，能量密度成核區(qū)逐漸擴(kuò)展，強(qiáng)度增加，10月15日，能量密度成核區(qū)邊緣的強(qiáng)礦震(能量大小為3.02×105J)引發(fā)了嚴(yán)重的沖擊地壓。圖4中能量密度的變化顯示了煤巖體局部變形的時(shí)間和空間特征，這是因?yàn)椴傻V活動(dòng)引起了圍巖應(yīng)力的不斷動(dòng)態(tài)調(diào)整，應(yīng)力傾向于集中在煤巖體內(nèi)部固有缺陷附近的較小區(qū)域。在此條件下，從微觀角度，煤巖體內(nèi)部隨機(jī)分布的微觀缺陷在外界高應(yīng)力場作用下，從無序分布向有序發(fā)展，最終形成沿某一方位發(fā)展的宏觀裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致煤巖破壞、失穩(wěn)。同時(shí)，高應(yīng)力集中會(huì)促使煤巖體結(jié)構(gòu)內(nèi)自由能升高，系統(tǒng)進(jìn)入亞穩(wěn)定狀態(tài)，微觀上則表現(xiàn)為煤巖內(nèi)部裂紋匯聚、成核、穩(wěn)定擴(kuò)展等。隨著能量積聚的深入，當(dāng)結(jié)構(gòu)自由能達(dá)到一定程度時(shí)，煤巖微元結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)，裂紋擴(kuò)展速度大于裂紋閉合速度，系統(tǒng)進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)，就會(huì)發(fā)生沖擊失穩(wěn)。微裂縫的合并和集中，產(chǎn)生了局部化效應(yīng)，局部變形是煤巖體發(fā)生主要破裂變形過程中的一種重要地質(zhì)現(xiàn)象，根據(jù)局部化變形的結(jié)果可以預(yù)測未來強(qiáng)礦震的位置。

圖4 沖擊地壓前能量密度云圖Fig.4 Energy density cloud map before rock burst

3 沖擊地壓發(fā)生后高應(yīng)力區(qū)識(shí)別與卸壓措施

3.1 高應(yīng)力區(qū)的層析成像識(shí)別

近年來，震波速度層析成像技術(shù)被用于地下礦山高應(yīng)力分布區(qū)的推斷[19]。已有研究表明震波速度分布與應(yīng)力分布呈正比，該技術(shù)根據(jù)地震檢波器與震源發(fā)生地點(diǎn)的距離和監(jiān)測站記錄的應(yīng)力波初至?xí)r間，計(jì)算礦區(qū)內(nèi)的波速分布情況。利用同步迭代重建算法對(duì)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成速度層析成像圖，如圖5所示。圖5中向斜構(gòu)造區(qū)和巷道相交區(qū)域均為受采動(dòng)應(yīng)力影響的高速度區(qū)域，說明這兩類區(qū)域均表現(xiàn)出較高的應(yīng)力集中程度。

圖5 震波速度層析成像波速云圖Fig.5 Seismic velocity tomography wavevelocity cloud image

3.2 高應(yīng)力區(qū)煤層大直徑鉆孔與頂板爆破卸壓

根據(jù)層析成像圖，在巷道內(nèi)對(duì)煤層高應(yīng)力區(qū)實(shí)施大直徑鉆孔，這些大直徑鉆孔周圍區(qū)域會(huì)形成破碎帶，從而降低巷道周圍的應(yīng)力集中，釋放出存儲(chǔ)在巷道附近的彈性能。因此，高應(yīng)力集中區(qū)遠(yuǎn)離巷道，降低了沖擊危險(xiǎn)性。同時(shí)為了防止沖擊地壓，在高速度區(qū)域的上覆巖層中也進(jìn)行了深孔爆破，這可以減小懸頂跨度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的：降低工作面前方的超前支承應(yīng)力，防止其與構(gòu)造應(yīng)力疊加而增加沖擊危險(xiǎn)性；降低堅(jiān)硬頂板破裂和滑動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)載應(yīng)力波強(qiáng)度(圖6)。

圖6 上覆巖層深孔爆破方案Fig.6 Deep-hole blasting plan for overlying strata

4 煤層與頂板卸壓后微震監(jiān)測時(shí)空演化特征

該工作面采取卸壓措施后，于12月7日發(fā)生一次強(qiáng)礦震，但未引發(fā)沖擊地壓，該次強(qiáng)礦震發(fā)生前的微震事件和能量密度時(shí)空演化特征分析如下所述。

4.1 強(qiáng)礦震發(fā)生前微震事件的時(shí)空演化特征

工作面于10月22日恢復(fù)開采，11月7日上午發(fā)生了一次強(qiáng)礦震(能量大小為3.02×105J)，雖然在強(qiáng)礦震發(fā)生時(shí)，巷道中能感覺到明顯的震動(dòng)，但隨后并沒有發(fā)生沖擊地壓。圖7闡明了強(qiáng)礦震發(fā)生前微震事件的時(shí)間和空間分布規(guī)律。微震事件主要發(fā)生于向斜構(gòu)造區(qū)，但微震事件的空間分布并沒有表現(xiàn)出明顯的演化規(guī)律，因而無法從微震事件的分布規(guī)律精確預(yù)警沖擊地壓。

圖7 沖擊地壓發(fā)生后微震的時(shí)空演化特征Fig.7 Temporal and spatial evolution characteristics of microseisms after rockburst

4.2 強(qiáng)礦震發(fā)生前能量密度的時(shí)空演化特征

如圖8所示，12月2日云圖中向斜構(gòu)造區(qū)域出現(xiàn)了能量密度成核現(xiàn)象，12月3日至12月6日，以能量密度成核區(qū)為中心逐漸擴(kuò)展，強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，最終于12月7日發(fā)生了強(qiáng)礦震。在強(qiáng)礦震前，其演化也表現(xiàn)出明顯的能量密度成核特征。與“10·15”沖擊地壓發(fā)生前的能量密度相比，圖8中的能量密度強(qiáng)度降低，隨后的強(qiáng)礦震(能量大小為1.49×105J)更低，巷道內(nèi)感覺到了震動(dòng)但是沒有損壞發(fā)生，說明上述應(yīng)力卸壓措施對(duì)防治沖擊地壓起到了積極的作用。

圖8 強(qiáng)礦震前能量密度云圖Fig.8 Energy density cloud map before strong mine earthquake

5 結(jié) 論

1) 向斜構(gòu)造區(qū)煤層開采的微震監(jiān)測直觀反映了震源多集中于向斜軸附近的區(qū)域，該區(qū)域與沖擊地壓發(fā)生的空間位置相一致，但微震事件空間分布極其復(fù)雜，很難識(shí)別微震事件隨時(shí)間演化的趨勢。

2) 利用微震事件計(jì)算得到的日能量密度，顯示了煤巖體局部變形的時(shí)間和空間特征，進(jìn)而根據(jù)局部化變形的結(jié)果可以預(yù)測未來強(qiáng)礦震的位置。

3) 利用震波速度層析成像技術(shù)對(duì)向斜構(gòu)造引起的煤層高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行了識(shí)別，并對(duì)高應(yīng)力區(qū)實(shí)施了大直徑鉆孔和深孔爆破卸壓措施，后續(xù)開采引起的強(qiáng)礦震活動(dòng)證實(shí)了卸壓措施的有效性。