微震监测地质异常对工作面回采影响分析

张爱华，陈建东

（1.中煤新集能源股份有限公司 新集二矿，安徽 淮南 232000；2.河北煤炭科学研究院有限公司，河北 邢台 054000；3.河北省矿井微震重点实验室，河北 邢台 054000）

0 引言

底板突水是煤矿开采过程中遇到的主要水害之一，近年来随着转入深部开采，底板水害防治形势日益严峻[1]。尤其应力扰动接近隐伏导水构造、裂隙薄弱带，各含水层段连通发展的趋势增强。断层、陷落柱、隐性裂隙带等地质异常体易受外界活动扰动而诱发突（涌）水等矿井水害，监测这些地质异常体在采动过程中的活化过程、探讨其活化规律和机制，对减少该类地质灾害的发生有重要的现实意义。

查明地质及水文地质条件是工作面安全开采的基础[2-3]，开展隐蔽致灾因素探查，查明各类致灾“隐伏地质异常”，避免采掘误揭造成重大安全事故。受外来推覆构造影响，新集二矿地面三维地震资料品质相对较差，致使煤系地层及下伏隔（含）水层构造不能有效探查。

为了确保工作面安全回采，通过微震大范围实时监测手段查明复杂区水文地质情况[4-5]，尽量做到无遗漏，实现安全回采。微震监测技术通过在监测区周边布置检波器阵列，实时采集煤岩体在变形或断裂过程中微震信号。进行事件定位，在三维空间中实时展示微震事件发生的空间位置，实时动态分析煤岩体的活动范围、破裂规律及其稳定性，为工作面安全回采做出科学评价。与传统岩体稳定监测技术相比，微震监测技术的优点是可以实时、精确给出煤岩体破裂或失稳的空间位置并提前进行水害监测预警。

1 工作面概况

新集二矿230102 工作面位于二水平东翼2301采区，为该采区首采面。工作面西起2301 采区辅助运输上山，东至老人仓断层防水煤柱线，南邻210108 工作面（2014 年1 月采毕），北至1 上煤-650 m 底板等高线附近，北部为设计230106 工作面（未采）。地面标高+13.0—+23.7 m，工作面标高-613.0—-663.8 m。该工作面为走向长臂后退式一次采全高，可采走向长604 m，倾向长155 m，平均煤层厚度4.3 m，可采斜面积91 318 m2。上距4-1 煤层间距平均80.6 m，下距太原组1 灰平均18.8 m。回采范围内煤岩层总体倾向为NNE 单斜构造，局部地质构造发育地段存在起伏。

2 微震监测系统布置

依据检波器布置原则，结合矿井现有系统巷道，对检波器位置及采集分站合理优化布置。微震检波器布置在230102 工作面底板巷和230106 工作面下底板巷，构成了全包围监测阵列。布置单轴检波器16 个，间距100～110 m，监测分站3 个，共计20 通道（图1）。

图1 230102 工作面微震监测系统布置Fig.1 Microseismic monitoring system arrangement in No.230102 working face

3 工作面回采过断层微震响应

自1996 年12 月皖北矿业集团发生岩溶陷落柱突水淹井事故后，两淮矿区相继发现了近30 个岩溶陷落柱。突水过程实质上是导水通道形成、发展及通道扩充，高压水对围岩的破坏过程，且必然伴随微震事件的发生。工作面附近太原组地层厚105.56～138.36 m，平均109.8 m，其中灰岩总厚60.10～86.65 m，灰岩平均69.25 m，占组厚63.1%。太原组灰岩地层由12 层浅灰—深灰色灰岩，1 煤底板距1 灰16.5～22.1 m，平均18.8 m。

断层的存在不同程度地破坏了煤层的连续性及原生结构，使煤体强度降低，滑面和裂隙也较为发育。230102 工作面构造揭露情况如图2 所示。

图2 230102 工作面揭露构造平面示意Fig.2 Structure plan schematic exposed in No.230102 working face

3.1 老人仓断层微震响应

老人仓断层，又称为颍上断裂，为华北型煤田南部边界。该断层为高角度正断层，总体走向为东西向，断层面倾向北。受老人仓断层影响，附近伴生构造可能较发育，存在大量原生、次生裂隙。230102 工作面南部边界为老人仓断层80 m 保护煤柱线，于2020 年7 月初开始试采。

工作面回采初期，微震事件在切眼附近和断层保护煤柱内密集发生。尤其底板微震事件，分析受底板巷断层F230102d-3、F230102d-2、机巷断层F230102j-1 以及老人仓边界断层影响内原生裂隙影响，太原组灰岩C3Ⅰ组和C3Ⅱ组层段事件较密集发生（图3）。

图3 回采初期底板微震事件平面示意Fig.3 Microseismic event under floor plan schematic during early mining period

工作面回采前2301 采区地面区域治理及底板注浆加固工程已完毕，且附近无封闭不良钻孔，受老人仓边界断层、采动和底板破坏应力传导影响，底板事件发育较深，最深至1 煤底板下73 m（图4）。

图4 微震事件投影Fig.4 Microseismic event projection

监测期间深部事件（C3Ⅱ组）聚集在老人仓断层保护煤柱和230102 工作面切眼附近，工作面内零星发育。回采初期矿压显现剧烈，应力扰动下微震事件密集发生，深部事件（C3Ⅱ组）占比较大。回采后期，工作面揭露断层均为1m 左右（小于1/2 煤厚），回采通过后未见深部（C3Ⅱ组）事件，偶见C3Ⅰ组事件（图5）。

图5 监测期间深部事件（C3Ⅱ组）平面分布Fig.5 Deep event（No.C3Ⅱgroup）plan distribution during monitoring period

老人仓边界断层、工作面和底板巷揭露断层影响，煤岩体在此区域较为薄弱。回采初期底板微震事件发育较深，只发育在老人仓断层上升盘，即工作面和保护煤柱内，且距离老人仓断层越近，底板事件深度越深，随着回采推进，底板事件发育深度变浅，最终稳定在某一范围。工作面外段煤岩体相对较为完整，应力扰动较浅，底板破坏深度较浅。整个回采过程未监测到C3Ⅱ组层段及深部事件持续密集发生，工作面未发生突水，表明老人仓断层未发生活化，监测过程老人仓断层不导水，未形成垂向有效导水通道。

3.2 断层带微震响应

230102 工作面为2301 采区首采面，紧邻井田南部边界老人仓正断层。受其影响，工作面内尤其是东段小断层、褶曲及裂隙等地质构造发育相对较密集，煤层及其顶板局部较破碎，倾角变化较大，巷道施工区域地质构造复杂。

3.2.1 初采期间断层影响微震响应

工作面于2020 年7 月8 日开始试采，7 月11日微震事件顶、底板（图6～图7），受揭露断层影响，230102 工作面初采期微震事件在机巷偏底板巷聚集程度高，顶、底板近煤层事件在断层附近较聚集，底板C3Ⅰ组事件在断层走向方向零星发育，此时仍存在C3Ⅱ组事件。

图6 微震监测顶板事件平面示意Fig.6 Microseismic monitoring event at roof plan schematic

图7 微震监测底板事件平面示意Fig.7 Microseismic monitoring event under floor plan schematic

微震事件多为小能量事件，顶板事件发育最大高度为37.31 m，底板事件发育仍较深，最大深度为61.18 m。

3.2.2 断层影响期微震响应

以F230102h-2 为例，分析断层对回采工作面的影响。该断层沿走向延伸约100 m，落差1.2 m。8 月11 日，微震事件沿断层走向零星发育（图8），此时，采线距离断层揭露位置约118 m。

图8 微震监测事件平面示意（2020.8.11）Fig.8 Microseismic monitoring event plan schematic（August 11,2020）

受采动和断层的影响，煤岩体薄弱区应力较集中。8 月15 日，断层附近微震事件聚集程度开始增大（图9），且事件在断层走向区域密集程度较高，岩体较破碎，应力集中释放。

图9 微震监测事件平面示意（2020.8.15）Fig.9 Microseismic monitoring event plan schematic（August 15,2020）

随着回采推进，9 月1 日开始揭露断层（图10～图11），受前方实体煤采线前方超前支撑应力距离变大。

图10 微震监测事件平面示意（2020.9.1）Fig.10 Microseismic monitoring event plan schematic（September 1,2020）

图11 微震监测事件平面示意（2020.9.10）Fig.11 Microseismic monitoring event plan schematic（September 10,2020）

工作面推过断层，微震事件在采空区后方仍大量聚集。工作面过断层期间，零星发育C3Ⅰ组层段事件，底板事件扰动深度为1 煤底10.25～43.80 m。受采掘揭露断层和采动矿压影响，微震事件在近煤层呈区域性密集，沿断层走向发育，未见C3Ⅰ组以深层段事件，未发现揭露断层活化迹象，未发现垂向导水通道（图12）。

图12 微震监测事件平面图（2020.9.20）Fig.12 Microseismic monitoring event plan view（September 20,2020）

4 结论

地质异常对工作面回采有一定影响，微震事件在相应区域呈现不同的聚集度及发育深度。

（1）回采初期，受老人仓断层、采掘揭露的断层影响，微震事件在断层上升盘一侧密集发育，且事件发育深度较深。断层附近煤岩体较为破碎，存在“吸能”作用，阻挡了应力向另一盘传递，老人仓断层未活化。

（2）回采后期底板只零星发育C3Ⅰ组层段事件，未发现向深部延展迹象，表明采掘揭露的构造未活化，未形成有效导水通道。