不规则工作面微震时空演化规律研究.pdf

第46 卷第8 期2023年8 月专题矿井水害探测与防控不规则工作面微震时空演化规律研究煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.8Aug.2023周金艳1,2（1.河北煤炭科学研究院有限公司，河北邢台0 5 40 0 0；2.河北省矿井微震重点实验室，河北邢台0 5 40 0 0）摘要：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。不规则工作面回采过程中应力场变化不同于规则工作面，其微震时空演化规律也不同。本文结合梧桐庄矿1 8 2 3 0 0 工作面微震监测数据，分析不规则工作面频次、能量等随时间推进其发育特征，以及空间分布演化规律。研究结果表明，随着工作面倾向长度变化，微震事件频次会呈现正相关变化。工作面倾向长度一直在增大，微震事件数量持续处于高位；随着回采推进，工作面倾向长度变化幅度变小，微震事件频次有所降低。微震事件发育受回采扰动明显，停采后微震事件频次明显降低。回采期间小能量事件频次最多，占比最大，为5 8.8 7%，大能量事件个数最少，说明回采期间岩体破裂尺度微小，未向深部、大尺度扩展延伸。关键词：不规则工作面；微震；时序特征；空间特征中图分类号：TD163Study on temporal and spatial evolution law ofmicroseism in irregular working face(1.Hebei Coal Research Institute CO.,LTD.,Xingtai 054000,China;2.Hebei Mine Microseism Key Laboratory,Abstract:In the process of coal mining,due to the influence of working face roadway layout,geological conditions andother factors,the occurrence of irregular working face is gradually increasing.The variation of stress field in irregularworking face is different from that in regular working face,and the temporal and spatial evolution law of microseism is alsodiferent.Based on the microseismic monitoring data of No.182300 Face in Wutongzhuang Mine,the frequency and energydevelopment characteristics of irregular working face,as well as the spatial distribution evolution rule,were analyzed overtime.The main conclusions were as follows:with the change of working face dip length,the frequency of microseismicevents would show a positive correlation change.The inclined length of the working face was increasing and the number ofmicroseismic events was at a high level.With the advance of mining,the variation range of working face inclined lengthbecame smaller,and the frequency of microseismic events decreased.The development of microseismic events wasobviously disturbed by mining,and the frequency of microseismic events decreased obviously after stoping.During mining,the frequency of small energy events was the largest,accounting for 58.87%,while the number of large energy events wasthe least,which indicated that the rock mass fracture scale was small during mining,and did not extend to the deep andlarge scale.Key words:irregular face;microseism;time series feature;spatial feature文献标识码：AZhou Jinyant2ingtai 054000,China)文章编号：2 0 9 5-5 9 7 9（2 0 2 3）0 8-0 0 5 7-0 4责任编辑：张彤D0I：1 0.1 9 2 8 6/j.c n k i.c c i.2 0 2 3.0 8.0 1 4基金项目：邢台市重点研发计划社会发展领域专项项目（2 0 2 2 zz048）作者简介：周金艳（1 9 8 5 一），女，河北廊坊人，工程师。引用格式：周金艳.不规则工作面微震时空演化规律研究 J.煤炭与化工，2 0 2 3，46（8）：5 7-6 0，6 6.572023年第8 期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 深人挖掘九龙矿微震监测数据对其时空响应特征进行了总结；卢邦稳等对邢东2 2 5 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1 8 2 3 0 0 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1 8 2 3 0 0 工作面地面标高为+2 1 7 一+238m，煤层底板标高为-6 5 3 一-5 47 m，埋深800m左右。井下位于三采区北翼，东与1 8 2 3 0 0 下工作面以F18断层相隔，西与1 8 2 3 0 2 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1 5 0 m。走向长度6 6 2 m，倾向长度56170m，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N20WN5 4E，倾向由SE转为SW，倾角0 2 4，平均1 5。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名称老顶直接顶直接底老底细砂岩，厚度为5.8 5 m，深灰色，以石英为主，含少量白云母及黑色矿物，泥质胶结，裂隙发育，具微波状层理煤炭与化工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。1 8 2 3 0 0 工作面监测周期为2 0 2 2 年1 月1 2 日7 月1 2 日，监测期间微震事件总数为8 1 7 0 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1 8 2 3 0 0 工作面监测周期内，随着时间推进，频次分布如图1 所示。250微震事件总数回采期三顶板事件200底板时间停采期1501005002022/2/12022/2/222022/3/152022/4/52022/5/72022/6/52022/6/26图1 监测周期内微震事件频次柱状图Fig.1 Microseismic event frequency histogram in monitoring period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2 4小时玫瑰图将回采周期内数据进行2 4h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。2325022200特征20中砂岩，9.2 5 m，以石英为主，厚层状19砂质页岩厚度为5.43 m，灰黑色，性脆致密18砂质页岩，3.6 4m，灰黑色1716第46 卷日期15010015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1 1 个，2 个监测分站。检波器采用包围式方式布置，检波器间距100130m。每日由专业人员结合微震事件时序、5814一2 煤一2 煤底：一野青下：以上野青下出伏青下图2 单日2 4小时玫瑰图Fig.2 Rose chart of 24 hours for a single day10131211周金艳：不规则工作面微震时空演化规律研究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1 8 2 3 0 0 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，1 8 2 3 0 0 回采期间小能量事件频次最多，占比最大，为5 8.8 7%，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。60%58.872023年第8 期3空间分布特征182300工作面倾斜长变化较大，从回采初期的5 6 m逐渐增加至1 7 0 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（2 0 2 2 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56m逐渐增加至1 2 5 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。5713图5 回采初期（1 月份）微震事件平面分布40%20%0%小能量中等能量大能量小能量中等能量大能量回采期图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。182300工作面3022.8518.28Fig.5 The plane distribution of microseismic events in the停采期结合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9 4增加至126个，底板事件由48 增加至9 5 个，增长了97.9%。底板事件占比增大，且扰动深度最深为60.54m，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。4430early stage of mining(January)182300工作面182300工作面230图6 微震监测日报(2 0 2 2.1.2 5)Fig.6 Microseismic monitoring daily report(2022.1.25)图4大能量事件分布3.2回采中期Fig.4 Distribution of large energy events从2 月开始工作面倾斜长增加幅度变缓，结合592400324200244012023年第8 期微震事件分布来看（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。煤炭与化工发育，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。300工作面图9 3 月份微震事件平面分布Fig.9 Plane distribution of microseismic events in March24200第46 卷2440024600182300工作煎182300工作面图7 2 月微震事件平面分布2300Fig.7 Plane distribution of microseismic events in February2月份该工作面持续存在山伏青以深事件，2月2 0 日伏青事件数量最多，为1 9 个，事件分布如图8 所示，此时工作面推进2 1 7 m，扰动深度52.08m。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。24000380Fig.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，此时工作面回采进人回采后期，其平面分布如图1 1 所示。2420024000图1 0 微震监测日报(2 0 2 2.3.2 4)2420024400182300工作面82300.工作面818230023800Fig.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。进人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3 1 4m至停采线区域。结合单日微震监测情况（图1 0）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1 5 0 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6024000图8 微震监测日报(2 0 2 2.2.2 0)242002400图1 1 4 6 月份微震事件平面分布Fig.11 Plane distribution of microseismic eventsfrom April to June事件主要分布在切眼前方49 0 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1 0 0 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(下转第6 6 页）2023年第8 期要由回采扰动造成，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。150100500-509/2图1 0 微震事件每日顶底板分布范围图Fig.10 Distribution range of daily microseismicevents in roof and floor4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(上接第6 0 页）增加。在前期回采时两侧采空区进行了卸压，3 0 0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1 2 个增加至1 3 1 个，围岩失稳变形程度较大，因此微震事件密集发生。4结 论（1）随着工作面倾向长度变化，微震事件频次会呈现正相关变化。工作面倾向长度一直在增大，微震事件数量持续处于高位；随着回采推进，工作面倾向长度变化幅度变小，微震事件频次有所降低。（2）微震事件发育受回采扰动明显，停采后微震事件频次明显降低。微震事件空间分布随着采线的前移而有规律的前移。（3）1 8 2 3 0 0 回采期间小能量事件频次最多，占比最大，为5 8.8 7%，大能量事件个数最少，说66煤炭与化工始增多。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。超前影响阶段通过联络巷阶段9/169/3010/1410/2811/1111/2512/9日期第46 卷参考文献：1 张党育，盖秋凯，黄磊，等.工作面过老巷顶板微震时空演化机制及危险性分区研究 J.煤炭学报，2 0 2 1（1 2）：3805-3818.2柏建彪，侯朝炯.空巷顶板稳定性原理及支护技术研究 J.煤炭学报，2 0 0 5（1）：8-1 1.3张德宝.马营煤矿复采工作面过老巷矿压显现特征及关键技术研究 D.阜新：辽宁工程技术大学，2 0 1 4.4郭富利.综放工作面空巷围岩控制理论研究 D.太原：太原理工大学，2 0 0 3.5任建峰.大采高工作面过空巷时的支承压力分布规律数值模拟 JJ.山西煤炭，2 0 0 9，2 9（3）：1 7-1 9.6张浩.基于“三带理论”3 1 5 综采工作面过老巷分段充填支护技术研究 D.北京：中国地质大学（北京，2 0 1 8.7唐海波.条带式残煤工作面过空巷顶板应力和围岩变形规律研究 D太原：太原理工大学，2 0 1 5.8徐跃强.煤层合并区应力分布于冲击地压防治技术研究与应用 D.徐州：中国矿业大学，2 0 1 9.9张峰.深部破碎巷道围岩变形特征及控制技术 J.煤炭与化工，2 0 2 1，44（4)：2 8-3 0，3 3.10 周金艳，陈为民，赵立松.煤层底板导水通道微震信号辨识特征 JJ.煤炭技术，2 0 2 2，41（1 2）：1 2 8-1 3 4.11 周金艳，桂二国，扈勇亮.不等长工作面微震响应特征分析J.煤炭与化工，2 0 2 2，45（4)：43-48.明回采期间岩体破裂尺度微小，未向深部、大尺度扩展延伸，保障了工作面安全回采。参考文献：1 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