秦凱鋒

（沁和能源集團有限公司候村煤礦，山西 晉城 048000）

1 工程概況

候村煤礦礦井面積12.151 3 km2，現(xiàn)生產(chǎn)能力120 萬t/a，開采3#煤層，為高瓦斯礦井。候村煤礦3604 工作面煤層頂?shù)装鍑鷰r受巷道采掘影響，其穩(wěn)定性及應力會發(fā)生變化。在3604 工作面掘進過程中采用微震監(jiān)測技術對煤層頂?shù)装鍘r體穩(wěn)定性及應力進行動態(tài)實時監(jiān)測，以保證采掘安全。

2 圍巖穩(wěn)定性動態(tài)微震監(jiān)測方案[1-2]

2.1 觀測系統(tǒng)

候村煤礦3604 工作面圍巖穩(wěn)定性微震監(jiān)測系統(tǒng)：共布設一套12 通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，分2 個6通道微震監(jiān)測分站，每個微震監(jiān)測分站連接1 支三軸微震傳感器、3 支單軸微震傳感器，微震傳感器間距100 m。監(jiān)測臺網(wǎng)布設如下：

（1）3604 膠帶巷、回風巷各布設1 臺微震監(jiān)測分站及1支三軸微震傳感器、3支單軸微震傳感器。微震傳感器沿煤礦走向方向于膠帶巷和回風巷的非開采幫，覆蓋有效監(jiān)測區(qū)域400 m。

（2）3604 面圍巖穩(wěn)定性動態(tài)微震監(jiān)測系統(tǒng)布設如圖1、圖2，微震傳感器編號S1～S8，微震監(jiān)測分站編號1#～2#。

圖1 單巷微震監(jiān)測系統(tǒng)布設示意圖

圖2 3604 掘進工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)布設示意圖（m）

（3）S1、S3、S4 為單軸微震傳感器，間距100 m，通過電纜連接1#微震監(jiān)測分站；S2 為三軸微震傳感器，通過電纜連接1#微震監(jiān)測分站；S5、S7、S8 均為單軸微震傳感器，通過電纜連接2#微震監(jiān)測分站；S6 為三軸微震傳感器，通過電纜連接2#微震監(jiān)測分站。1#、2#微震監(jiān)測分站通過光纜連接井下環(huán)網(wǎng)中心。

2.2 電纜鋪設

3604 面圍巖穩(wěn)定性動態(tài)微震監(jiān)測區(qū)域中每個單軸微震傳感器需鋪設一根兩芯通訊屏蔽電纜到微震采集分站，電纜型號MHYVP2*7/0.37；每個三軸微震傳感器需鋪設一根六芯通訊屏蔽電纜到微震采集分站，電纜型號MHYVP3*2*7/0.37。

2.3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及地震波速標定

微震監(jiān)測系統(tǒng)安裝后，進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及地震波速標定。地震波速標定根據(jù)現(xiàn)場實際條件進行現(xiàn)場煤層敲擊實驗完成。施工方法：在監(jiān)測區(qū)域選取多個敲擊實驗點，如微震監(jiān)測點附近約20 m、10 m處的煤壁幫和頂部；大錘結合金屬底板進行敲擊實驗，記錄敲擊時間；根據(jù)敲擊實驗波的到時與敲擊點到傳感器的距離，計算地震波傳播速度，綜合測試結果獲得微震處理時使用的地震波速。

3 3604 工作面頂板圍巖穩(wěn)定微震監(jiān)測分析

3.1 3604 工作面微震事件處理

2020.8.12—2021.2.4 期間，3604 面掘進期間共監(jiān)測微震事件1986 次。通過拾取監(jiān)測微震事件進行P、S 波到時，利用基于微震到時和方位角相結合雙差定位算法的微震定位方法來精準定位掘進開采誘發(fā)產(chǎn)生的微震事件。通過對3604 面開采誘發(fā)產(chǎn)生的微震事件進行處理、分析，獲得底板破壞深度、頂板破壞高度以及開采影響區(qū)域。根據(jù)微震事件分布特征，結合巷道圍巖地質(zhì)、地層、巖性等資料，可初步分析工作面掘進引起的圍巖應力變化規(guī)律。通過對彈性波信息進行采集處理，獲取微震事件發(fā)生位置、大小、能量、地震矩、非彈性變形和震源機制等數(shù)據(jù)，對掘進工作面圍巖體變形全過程和巖石微破裂情況進行全面、實時監(jiān)測。

3.2 工作面微震時空演化規(guī)律分析

3.2.1 3604 工作面時間域分析

2020.8.12—2021.2.4，3604 面掘進期間微震事件月度統(tǒng)計如表1 所示。從8 月開始，微震事件逐漸增多，到10月微震事件數(shù)達到最大值后逐漸減少。表明8 月—10 月間3604 面掘進作業(yè)頻繁，巷道圍巖誘發(fā)較強烈的微震事件，因此10 月微震數(shù)據(jù)急劇增多，工作面巷道上覆煤巖體受開采擾動影響較大。

表1 監(jiān)測區(qū)間定位微震事件月度統(tǒng)計

3.2.2 3604 工作面能量域分析

（1）3604 工作面能量區(qū)間分析

3604 工作面微震能量不同能量區(qū)分布統(tǒng)計見表2。近半數(shù)以上的微震事件其釋放的能量在100 J 以內(nèi)，另外近39.78%的微震事件其釋放能量在1000 J 以內(nèi)，初步推測這些微震事件是3604 工作面掘進生產(chǎn)擾動引起的圍巖應力變化、應變發(fā)展及延伸等產(chǎn)生的圍巖體應力調(diào)整活動。大能量事件相對較少、地震活動性頻度高，說明監(jiān)測區(qū)域的應力積聚-調(diào)整-釋放-再積聚活動穩(wěn)定持續(xù)進行。

表2 不同能量區(qū)間分布統(tǒng)計表

由表2 數(shù)據(jù)可知，在整個監(jiān)測區(qū)間，有效定位的微震事件半數(shù)以上為100 J 以下的事件，屬于掘進生產(chǎn)活動擾動圍巖應力重分布產(chǎn)生的巖體微破裂事件，這些事件震源特性屬于高頻信號，不會對安全生產(chǎn)活動造成太大影響。

（2）3604 工作面能量最大值分析

對3604 工作面掘進中每天采集的微震事件頻次和微震事件能量進行分析。2020 年8 月—2021年2 月期間，2020 年10 月微震事件數(shù)最多，該月每天平均微震事件數(shù)達25 次，后期微震事件數(shù)明顯減少，日均10 次。微震事件主要是由于工作面回采期間對巷道圍巖造成的擾動所產(chǎn)生。

從圖3 可知，監(jiān)測期間微震事件能量曲線呈現(xiàn)一定規(guī)律性。掘進初期，因煤巖體原有應力平衡的改變，微震能量有明顯變化，沖擊危險性增強；隨著掘進進行，煤巖體應力趨于新的平衡，相應的能量明顯下降；隨著掘進對巷道圍巖擾動的增加，應力重新分布，再加上斷層和采空區(qū)的影響，微震事件能量在一段時間會快速增加，應力釋放后又逐漸穩(wěn)定；當停止工作面掘進后，微震事件能量有所回落。

圖3 微震事件能量與微震事件個數(shù)折線圖

3.2.3 3604 工作面破壞空間域分析

基于2020 年8 月12 日—2021 年2 月4 日期間3604 工作面微震事件處理結果分析：根據(jù)2020 年8 月—2021 年2 月每月的微震事件定位結果，可見微震事件主要分布在掘進工作面附近，隨著掘進工作推進，微震事件逐漸向回采線移動，直至貫通。微震信號的分布空間位置說明了微震事件的出現(xiàn)是工作面掘進作業(yè)對巷道圍巖擾動引起。

根據(jù)微震事件定位結果，3604 工作面生產(chǎn)期間圍巖頂板影響高度和底板影響高度見表3。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，工作面頂板圍巖影響高度呈現(xiàn)增大再降低的趨勢，其中9 月和10 月影響的范圍最大，這是由于9 月和10 月的掘進累計進尺較大導致。根據(jù)數(shù)據(jù)底板影響深度呈駝峰型變化，9 月和11 月影響深度最深。無論是頂板還是底板影響區(qū)域都隨著掘進接近尾聲而逐漸縮小。受開采擾動影響，工作面巷道上覆煤巖體微破裂較多，范圍廣，巖體穩(wěn)定性略低于下伏巖體。

表3 頂板破壞高度和底板破壞深度統(tǒng)計表 m

b 值是表征微震事件相對震級分布的函數(shù)，2020 年8 月到2021 年1 月b 值變化趨勢圖如圖4。從圖4 可知，除8 月外，b 值均在1 以上，表明3604 工作面內(nèi)巖體處于相對平穩(wěn)狀態(tài)，巷道圍巖的穩(wěn)定性較好。變化趨勢呈現(xiàn)出逐漸增加、減小、再增加的趨勢。說明2020 年8 月至10 月小震級微震事件相對增加，大震級微震事件出現(xiàn)的概率相對減小，工作面圍巖體損傷或局部破壞的風險在減小。而10 月到12 月小震級微震事件相對減小，大震級微震事件出現(xiàn)的概率相對增加，工作面圍巖體損傷或局部破壞的風險在增加。到2021 年1 月由于掘進接近尾聲，大能量事件減少，工作面圍巖體損傷或局部破壞的風險也在減小。

圖4 3604 工作面b 值變化趨勢圖

4 結論

（1）3604 工作面掘進期間共監(jiān)測微震事件1986 次。從2020 年8 月開始，掘進產(chǎn)生的微震事件逐漸增多，到10 月微震事件數(shù)達到最大值后又逐漸減少。

（2）3604 工作面掘進期間微震事件及能量的監(jiān)測結果表明，礦山生產(chǎn)擾動3604 工作面巷道的圍巖應力發(fā)生變化，進而導致圍巖體應力產(chǎn)生調(diào)整。3604 面掘進初期圍巖穩(wěn)定性較差，隨著掘進圍巖穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定，掘進后期由于對圍巖擾動的影響，巷道圍巖穩(wěn)定性再次變差，停止掘進后，圍巖穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定。

（3）微震事件主要分布在掘進工作面附近，隨3604 工作面掘進推進，微震事件逐漸向回采線移動，直至貫通。說明這些微震信號主要是掘進工作對圍巖的擾動引起。

（4）3604 面微震數(shù)據(jù)中，b 值函數(shù)結果表明：3604 工作面內(nèi)巖體處于相對平穩(wěn)狀態(tài)，呈現(xiàn)逐漸增加、減小再增加趨勢。3604 工作面破壞風險表現(xiàn)為減小-增加-減小的過程。整體上，巷道圍巖穩(wěn)定性較好。