深部地質構造區沖擊地壓時空監測預警技術

韓正燦，石翔元，申銀朋，張曉雷，陳海龍，朱廣安

（1.陜西郭家河煤業有限責任公司，陜西 寶雞 721500；2.西安科技大學能源學院，陜西 西安 710054）

0 引 言

隨著開采深度的增加，受復雜構造、高地應力等因素影響，厚煤層誘發沖擊、強礦震的危險性較高，大大增加了沖擊地壓防控工作難度。根據相關研究，沖擊地壓影響因素可分為地質構造和開采技術兩部分，其中，地質構造影響因素包括斷層、褶曲、煤巖相變等[1-2]。斷層、褶曲等構造區經歷漫長地質作用后本身應力集中程度高，受采動影響，地質構造影響范圍擴大，導致沖擊危險進一步升高。

在地質構造應力集中誘發沖擊機理及防治研究方面，曹安業等[3]、井廣成等[4]基于數值模擬和現場實測方法分析了褶皺構造區工作面回采期間頂板、煤層和底板的應力演化特征，探討了褶皺構造區沖擊地壓發生機理。趙耀中等[5]基于地應力測試結果，分析了礦區地應力場類型及與構造分布的關系，反演了礦區地應力場的分布規律。賀虎等[6]根據華亭煤礦250102 工作面開采過程中微震監測數據，得出強礦震大部分發生在向斜軸部，向斜軸處沖擊動力災害危險高于其他位置。姜耀東等[7]通過數值模擬研究分析了斷層附近礦山壓力分布規律，斷層面正應力變化總是早于剪應力，工作面距離斷層越近或者下盤開采時，斷層滑移危險程度越高。李振雷等[8]建立了斷層煤柱型沖擊地壓力學模型，研究了斷層區采動誘沖機制，并提出了針對性的防控措施。朱廣安等[9]建立斷層賦存條件下的孤島工作面開采的數值模型，確定了斷層滑移失穩的判定準則，總結了斷層滑移失穩與沖擊危險之間的關系。

上述研究為深部地質構造區沖擊危險的監測預警提供了理論基礎[10-12]。目前沖擊地壓監測預警采用區域監測和局部監測相結合的方式：區域監測主要采用微震監測；局部監測包括鉆屑、應力、地音和電磁輻射等[13-16]。由于沖擊動力災害的復雜性，單一監測預警方法無法滿足沖擊動力災害監測預警的需要，因此，多參量綜合監測是目前應用較廣泛的一種監測預警模式，將巖石力學與地球物理方法相結合[17-19]。

本文基于郭家河煤礦1309 工作面開采過程中微震分布規律，首先分析工作面開采期間礦震頻次、能量變化及震源時空演化特征，進而分析沖擊變形能指數時序演化規律，最終構建礦震時空演化中長期動態預警與沖擊變形能短臨時空預警相結合的沖擊地壓監測預警方法，以期為礦井后續工作面地質構造應力集中區沖擊地壓監測預警提供參考。

1 工程背景

1309 綜放工作面位于郭家河煤礦I 盤區東翼，+820 m 水平，開采3#煤層。該工作面設計可采走向長度1 078 m，工作面長度為225 m（平距）。井下位置北側為1307 工作面采空區，南側靠近零點邊界，西側為1301 工作面采空區，東側為Ⅱ盤區未開采區。1309 工作面布置情況如圖1 所示。

圖1 1309 工作面布置平面圖Fig.1 Layout plan of 1309 working face

1309 工作面地質構造復雜，根據三維地震勘探資料和掘進情況分析，工作面有1 條斷層（3DF12 斷層），橫貫整個工作面，對回采有一定影響；褶曲發育較多，起伏較大，共有2 個背斜（B2 背斜、B5 背斜），2 個向斜（X2 向斜、X6 向斜）。

2 礦震活動時空分布規律

目前，郭家河煤礦裝備了SOS 微震監測系統，可根據連續記錄煤巖體內出現的動力現象，預測煤礦動力現象危險狀態。根據1309 工作面回采過程中地質構造附近的微震分布情況，為工作面地質構造區沖擊危險預測提供依據。

2.1 微震時間序列分布

1）斷層。1309 工作面內3DF12 斷層地理位置及工作面過斷層前后微震區域總能量-頻次分布情況，如圖2 所示。3DF12 斷層（落差0～15 m）后方附近動載擾動較小，能量與頻次均較低，而距離3DF12 斷層前方200～300 m 處，能量與頻次均達到峰值，對工作面回采影響較大，應及時采取卸壓措施。

圖2 工作面過斷層前后微震能量-頻次變化情況Fig.2 Variation of microseismic energy and frequency before and after the working face passes through fault

2）褶曲。1309 工作面褶曲位置及過X6 向斜、B5 背斜、X2 向斜和B2 背斜區域能量-頻次分布如圖3 所示。由圖3（b）可知，由于X6 向斜位于工作面推進方向150 m 處，處于工作面初采階段，受開采擾動影響較小，X6 向斜影響區域微震事件總能量、頻次均較??；由圖3（c）可知，B5 背斜后方50 m 和前方250 m 范圍均出現微震能量-頻次峰值，在背斜前方0～250 m 區域內影響顯著；過X2 向斜時（圖3（d）），前方100 m 范圍內出現能量-頻次峰值，在0～200 m動載擾動最為劇烈；B2 背斜位于1309 工作面推進方向750 m 處，處于工作面末采階段，受開采擾動范圍較大，動載擾動最為強烈的區域主要集中在背斜后方100 m 范圍內，總能量與頻次峰值也位于向斜后方。

圖3 工作面過褶曲前后微震能量-頻次變化情況Fig.3 Variation of microseismic energy and frequency before and after the working face passes through the fold

綜上所述，向背斜構造區對工作面采動影響較大。從整體上看，該褶曲在?100～+250 m 范圍內影響較為顯著。

2.2 微震空間演化規律

依據1309 工作面推進距離進行劃分，每推進100 m 利用微震數據進行定位，如圖4 所示。由圖4可知，工作面初采階段微震事件較少，在工作面前方分散分布，無明顯規律，當工作面推進至500 m 時（圖4（b）），由于受到3DF12 斷層、X2 向斜和B2 背斜地質構造復合影響，微震事件在工作面前方明顯增多；當工作面推進至600 m 時（圖4（c）），B2 背斜構造附近微震事件集中，主要集中在B2 背斜與巷道的交叉位置，多數為102J 微震事件和103J 微震事件；當工作面推進至900 m 時（圖4（d）），由于工作面為末采階段受回采擾動和B2 背斜的影響，在停采線附近巷道交叉區域出現應力集中現象，微震事件分布密集，103J 微震事件占總事件的24.93%，103J 微震事件的能量占總能量的85.38%。

圖4 1309 工作面回采期間平面震源分布Fig.4 Microseismic distribution during the mining period of 1309 working face

3 沖擊變形能時空短臨監測預警

本文提出了時間序列的沖擊變形能預警指標Wε，從時間上對當前沖擊地壓危險進行預警，指標構建見式（1）和式（2）[20]。

式中：N為上一次宏觀破裂之后礦震事件總數，個；Ei為上一次宏觀破裂之后第i次礦震事件所釋放的能量，J；Eεt為沖擊變形能的當前值，J；Eεl為沖擊變形能的臨界值，J；E0為沖擊變形能的初始值，J，其默認設置為0。Wε=0～1，且當Wε分別處于0～<0.25、0.25～<0.50、0.50～<0.75、0.75～<1 時，對應沖擊危險等級分別為無、弱、中等與強。

3.1 沖擊變形能時序演化規律分析

對于工作面尺度的微震事件，當事件足夠多時，工作面微震事件的能量及頻次滿足G-R 冪率關系，見式（3）。

式中：N為微震事件能量大于或等于E的微震事件頻次，次；lgN為微震事件的頻度；E為微震事件能量，J；lgE為微震事件的能級；a、b為常數。

取1309 工作面自開采以來至工作面回采前1 000 m 的微震事件進行分析（2021-03-30—2021-12-17），工作面每推進500 m 統計微震事件的能級-頻度關系曲線，如圖5 所示。

由圖5 可知，1309 工作面回采前1 000 m 以來，微震事件能級/頻度基本滿足負相關關系，即微震事件的能級越高，該能級微震事件發生的次數越少。微震事件的能級-頻度適中，曲線基本呈線性分布，斜率和截距基本恒定，微震事件能級最高為1.4×104J，無105J 級別大微震事件出現。由此可見，1310 工作面回采期間能量釋放平穩，以工作面回采期間出現的最高能量的微震事件作為臨界值，進行沖擊變形能演化規律分析。繪制1310 工作面回采前1 000 m 微震事件的沖擊變形能時序曲線進行分析，如圖6 所示。

圖6 1309 工作面回采前1 000 m 沖擊變形能時序曲線Fig.6 Time series curve of bursting strain index for mining 1 000 m of 1309 working face

由圖6 可知，若以9 790 J 級別微震事件作為評判工作面高能量釋放的臨界值，1310 工作面回采前500 m 整體位于沖擊變形能預警閾值以下，僅有1 個時段達到了1.0 的預警閾值，為4 月19 日，所對應工作面推進度為319 m，但預警時段內工作面未出現104J 以上微震事件，這表明1310 實體煤工作面回采前500 m 礦壓非常平穩。1310 工作面回采前500～<1 000 m 時，同樣只有1 個時段達到了沖擊變形能預警閾值，為10 月11 日，所對應工作面推進度為744.6 m，工作面出現了9 930 J 較大能量微震事件，且在后續10 月17 日，工作面又出現了8 680 J 較大能量的微震事件，對應采掘工程平面圖，這段時間為工作面由實體煤回采進入臨空工作面的外錯區域，受拐角煤柱區域的應力疊加影響，大能量事件的出現次數明顯高于前期實體煤回采區域，表明10 月11 日—10 月17 日這段時間是一個能量積聚期，工作面受到的動力擾動能量和頻次均明顯提高，可以將此項指標用于工作面外錯等應力異常區域的沖擊危險性分析。

3.2 沖擊變形能空間演化規律分析

定義空間上的沖擊變形能指數為單位面積、單位時間內的應變能量總和，可通過該指標來描述微震事件造成的區域震動場能量積聚程度。同時為了使結果更為精細化，便于定量描述，對最終結果進行對數處理，見式（4）。

式中：Ei為落入統計區域內第i個礦震的能量，J；S為統計區域面積，m2；T為統計時間，d。

為統計1309 工作面在向斜、背斜、斷層等構造異常區域的能量釋放情況，繪制工作面每推進50 m的沖擊變形能指數云圖，統計區域與震源定位區域相同，統計滑移半徑取30 m，網格劃分間距取10 m。得到1309 工作面推進前1 000 m（2021 年3 月8 日—2021 年12 月17 日）的沖擊變形能空間演化云圖，如圖7 所示。

圖7 1309 工作面回采過褶曲和斷層期間沖擊變形能空間分布云圖Fig.7 Spatial distribution of bursting strain energy when 1309 working face passing through the fault and fold

由圖7 可知，1309 工作面回采期間能量積聚規律如下所述。①4 月8 日—4 月17 日，1309 工作面推進度為150～<200 m，能量釋放集中區位于B5 向斜軸部和X2 向斜軸部區域，工作面整體能量釋放集中區面積相比之前增大，推測主要受超前支承壓力與褶曲軸部應力集中影響。分析表明，1309 工作面推進150～<200 m 無來壓現象，B5 向斜軸部和X2 向斜區域為相對高應力區。②4 月28 日—5 月12 日，1309工作面推進度為250～<300 m，工作面當前推進區域與褶曲、斷層距離較遠，推進區域及褶曲、斷層區域均無明顯能量釋放，工作面整體能量釋放集中區面積較小。③5 月13 日—5 月26 日，1309 工作面推進度為300～<350 m，工作面當前推進區域位于B5 背斜前50 m，3DF12 斷層前80 m，工作面推進區域及B5 背斜、3DF12 斷層區域和X2 向斜軸部均出現了大面積應力集中區，高應力區面積相比上一階段明顯增加。④5 月27 日～6 月4 日，1309 工作面推進度為350～<400 m，工作面過B5 背斜軸部，與3DF12 斷層距離約為30 m。工作面當前推進區域與3DF12 斷層前50 m、B2 背斜軸部區域均出現了大面積應力集中區，3DF12 斷層前應力集中程度升高，但工作面整體高應力區面積相比上一階段減小。該推進度下能量釋放集中區主要集中于工作面中部，以及工作面靠近臨空側的寬煤柱區域。⑤7 月4 日—7 月14 日，1309 工作面推進度為500～<550 m，工作面當前推進區域位于X2 向斜前50 m，B2 背斜前200 m。工作面當前推進區域與X2 向斜前后50 m、B2 背斜軸部、翼部區域均出現了大面積應力集中區，工作面整體高應力區面積相比上一階段急劇增加。

4 結 論

1）提出了一種將礦震時空演化中長期動態預警與沖擊變形能短臨時空預警相結合的沖擊地壓監測預警方法，可實現深部地質構造應力集中區沖擊危險的有效監測預警。

2）微震時空分布規律表明，落差15 m 左右的斷層在褶曲構造的疊加影響下，影響范圍可達到80 m，褶曲、斷層影響范圍內工作面可出現較為明顯的應力異常區。

3）沖擊變形能空間分布規律表明，X2 向斜應力集中區影響范圍約為50 m；傾角較大的B2 背斜應力集中區影響范圍可達到200 m；背斜、向斜與超前支承壓力、采空區側向支承壓力疊加后，會造成工作面大面積來壓，出現大面積應力異常區。