能量密度分析法在向斜构造区冲击地压防治中的应用

姚亚虎

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆 400037；2.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400037)

随着开采深度的逐年增加，我国煤矿开采过程中矿压动力显现也愈发频繁，至今已有170多个煤矿遭受到了冲击地压灾害影响[1-2]。国内外学者在冲击地压发生机理、预测预报、灾害防控方面做了卓有成效的工作[3-5]。由于复杂多样的地质条件和开采环境，诱发冲击地压的原因也多种多样，破坏形式也多种多样。以往研究表明，地质构造对矿震的发生具有重要影响，大多数矿井开采期间诱发的微震事件多集中于地质构造区，如向斜、断层构造区及煤层厚度、倾角突变区等，这些构造的存在为冲击地压的发生创造了条件[6-8]。其中，向斜构造区诱发冲击地压的案例最为常见，尽管许多学者试图了解向斜构造区诱发冲击地压的机制，但由于向斜构造特征的复杂机制和精确识别开采诱发冲击的复杂性，至今尚未研发出用于预测冲击危险性和向斜构造区潜在冲击显现位置的有效手段[9-11]。

本文以兴安煤矿典型向斜构造影响范围内的四水平1号工作面为研究对象，从微震事件的时空分布和能量密度云图角度研究了微震活动与冲击地压发生的关联性；利用震波速度层析成像技术对向斜构造区煤层内形成的高应力区进行了识别，并在高应力区实施大直径钻孔和深孔爆破措施，最后对后续开采活动引起的微震事件进行了分析，验证了这些解危措施的有效性。这一研究最终可为微震监测系统精确预警冲击地压提供一种新方式，进而提高煤矿安全性。

1 工作面回采期间微震监测情况

根据位置和诱发因素的不同，可将冲击地压分为煤柱型、向斜构造型、坚硬顶板型和断层诱发型4种[12-14]，兴安煤矿四水平1号工作面位于向斜构造影响范围内。兴安煤矿四水平1号工作面采用分层开采工艺，采高为2.6 m，开采深度为600～680 m，倾斜长度为137 m。由于存在向斜构造区，掘巷期间工作面两侧平巷的方向调整了2次。该工作面上区段为采空区，采空区由5～10 m宽的煤柱与工作面隔开，煤层顶板由0.83 m厚的泥岩顶板、9.47 m厚的中砂岩顶板和32.75 m厚的粗砂岩顶板组成。该工作面采掘期间共发生了12次冲击地压，其中8次发生在邻近工作面，4次发生于本工作面内。冲击地压导致了巷道严重底臌，底臌量为0.8～1.5 m，两帮移近量为0.5～1.7 m，严重损坏了巷道围岩的支护结构，造成重大经济损失。波兰中央矿业研究所开发的SOS微震监测系统[15-16]被安装应用于兴安煤矿中，该系统主要由实时监测记录仪、分析仪、地震检波器、数字传输系统等组成，且其中包含16台地震检波器，频率范围为1～600 Hz，采样率为500 Hz，采用16位A/D转换，最大数据传输率为1 Mb/s。

图1(a)为1号工作面周围地震检波器布置图，图1(b)为1号工作面放大图，同时图中还显示了回采期间能量大于104J的微震事件的空间分布情况。从图1可以看出，微震事件多发生于向斜轴部附近，存在许多微震事件聚集在一起的现象。图2显示了向斜构造区“10·15”冲击地压发生前后的日最大能量、总能量和频率变化规律。

图1 四水平1号工作面回采期间微震监测时空分布图Fig.1 Spatio-temporal distribution map of microseismic monitoring during the stoping period ofNo.1 working face of Four Level

根据图2中微震事件的频率和能量释放情况可知，“10·15”冲击地压发生前，能量不断积累与释放，总能量总体呈现升高趋势，矿震频发，频率明显增加；10月15日总能量和最大能量增大到最大值后，突降到0，能量释放超过煤岩体动力失稳临界值，发生了冲击失稳，引发冲击地压。“10·15”冲击地压发生后，对损坏的巷道段进行了修复，并实施了大直径钻孔和深孔爆破卸压措施， 防止进一步冲击地压的发生。由于提前采取了预防措施(即大直径钻孔、深孔爆破等)， 该工作面恢复开采后均未引发冲击地压。

图2 “10·15”冲击前后日最大能量、总能量和频次规律Fig.2 Rule of daily maximum energy,total energy and frequency before and after “10.15” impact

2 向斜构造区冲击地压发生前微震监测时空特征

2.1 冲击地压发生前微震事件的时空演化特征

如图3所示，采用不同颜色和圆形大小表示了不同能级的能量分布规律及其工作面回采期间的演化特征。10月7日至15日期间，大能量微震事件频发，发生于向斜构造区，此时工作面回采靠近向斜轴部。以典型的3班8 h工作面制为例，对微震监测数据进行了分析。10月10日至13日，小范围内每天都有大量微震事件发生，10月14日矿震频率显著下降。 第一次强矿震(能量大小为1.29×105J)发生在向斜构造区，但没有诱发冲击地压；随后在同一区域又发生了一次强矿震(能量大小为3.02×105J)，并于10月15日诱发了严重的冲击地压。

图3 冲击地压前微震的时空演化特征Fig.3 Temporal and spatial evolution characteristics of microseisms before rock burst

冲击显现位置在回风平巷实体煤侧，这是因为向斜构造区内的回风平巷较轨道平巷具有更小的弯曲半径和更大的曲率，易受到较大构造应力影响。另外一个原因为轨道平巷靠近邻近采空区侧，构造应力和存储的弹性能得到了很大程度的释放，而回风平巷邻近实体煤侧，向斜构造区受邻近开采影响较小，构造应力和存储的弹性能较大，这也导致了冲击地压发生于靠近实体煤侧的回风平巷中。

在冲击地压发生前，微震事件聚集在向斜轴部附近，由于微震事件的空间分布与煤岩体微裂缝的发生发展过程相对应，微震事件的空间分布极其复杂，且随时间呈非线性演化。考虑到这一点，很难直观地观察微震事件随时间的演变规律，进而冲击地压发生前的前兆特征无法从微震事件的分布规律中精确推断出来。

2.2 冲击地压发生前能量密度的时空演化特征

煤岩体的损伤与微震事件的次数、时间间隔和能量释放密切相关，因此建立了能量密度指数。考虑到上述三个参数可以量化为微震事件在时间和空间域的演变。基于空间平滑微震活动性模型，将采场划分为多个统计区域，利用微震事件的空间点来计算冲击危险性[17-18]。关于某一区域的累积能量密度，可由式(1)计算得到。

(1)

冲击发生前能量密度的演化规律如图4所示。10月10日至14日，能量密度成核区逐渐扩展，强度增加，10月15日，能量密度成核区边缘的强矿震(能量大小为3.02×105J)引发了严重的冲击地压。图4中能量密度的变化显示了煤岩体局部变形的时间和空间特征，这是因为采矿活动引起了围岩应力的不断动态调整，应力倾向于集中在煤岩体内部固有缺陷附近的较小区域。在此条件下，从微观角度，煤岩体内部随机分布的微观缺陷在外界高应力场作用下，从无序分布向有序发展，最终形成沿某一方位发展的宏观裂纹，进而导致煤岩破坏、失稳。同时，高应力集中会促使煤岩体结构内自由能升高，系统进入亚稳定状态，微观上则表现为煤岩内部裂纹汇聚、成核、稳定扩展等。随着能量积聚的深入，当结构自由能达到一定程度时，煤岩微元结构发生失稳，裂纹扩展速度大于裂纹闭合速度，系统进入不稳定状态，就会发生冲击失稳。微裂缝的合并和集中，产生了局部化效应，局部变形是煤岩体发生主要破裂变形过程中的一种重要地质现象，根据局部化变形的结果可以预测未来强矿震的位置。

图4 冲击地压前能量密度云图Fig.4 Energy density cloud map before rock burst

3 冲击地压发生后高应力区识别与卸压措施

3.1 高应力区的层析成像识别

近年来，震波速度层析成像技术被用于地下矿山高应力分布区的推断[19]。已有研究表明震波速度分布与应力分布呈正比，该技术根据地震检波器与震源发生地点的距离和监测站记录的应力波初至时间，计算矿区内的波速分布情况。利用同步迭代重建算法对微震监测数据进行处理，生成速度层析成像图，如图5所示。图5中向斜构造区和巷道相交区域均为受采动应力影响的高速度区域，说明这两类区域均表现出较高的应力集中程度。

图5 震波速度层析成像波速云图Fig.5 Seismic velocity tomography wavevelocity cloud image

3.2 高应力区煤层大直径钻孔与顶板爆破卸压

根据层析成像图，在巷道内对煤层高应力区实施大直径钻孔，这些大直径钻孔周围区域会形成破碎带，从而降低巷道周围的应力集中，释放出存储在巷道附近的弹性能。因此，高应力集中区远离巷道，降低了冲击危险性。同时为了防止冲击地压，在高速度区域的上覆岩层中也进行了深孔爆破，这可以减小悬顶跨度，进而实现两个目的：降低工作面前方的超前支承应力，防止其与构造应力叠加而增加冲击危险性；降低坚硬顶板破裂和滑动产生的动载应力波强度(图6)。

图6 上覆岩层深孔爆破方案Fig.6 Deep-hole blasting plan for overlying strata

4 煤层与顶板卸压后微震监测时空演化特征

该工作面采取卸压措施后，于12月7日发生一次强矿震，但未引发冲击地压，该次强矿震发生前的微震事件和能量密度时空演化特征分析如下所述。

4.1 强矿震发生前微震事件的时空演化特征

工作面于10月22日恢复开采，11月7日上午发生了一次强矿震(能量大小为3.02×105J)，虽然在强矿震发生时，巷道中能感觉到明显的震动，但随后并没有发生冲击地压。图7阐明了强矿震发生前微震事件的时间和空间分布规律。微震事件主要发生于向斜构造区，但微震事件的空间分布并没有表现出明显的演化规律，因而无法从微震事件的分布规律精确预警冲击地压。

图7 冲击地压发生后微震的时空演化特征Fig.7 Temporal and spatial evolution characteristics of microseisms after rockburst

4.2 强矿震发生前能量密度的时空演化特征

如图8所示，12月2日云图中向斜构造区域出现了能量密度成核现象，12月3日至12月6日，以能量密度成核区为中心逐渐扩展，强度不断增强，最终于12月7日发生了强矿震。在强矿震前，其演化也表现出明显的能量密度成核特征。与“10·15”冲击地压发生前的能量密度相比，图8中的能量密度强度降低，随后的强矿震(能量大小为1.49×105J)更低，巷道内感觉到了震动但是没有损坏发生，说明上述应力卸压措施对防治冲击地压起到了积极的作用。

图8 强矿震前能量密度云图Fig.8 Energy density cloud map before strong mine earthquake

5 结 论

1) 向斜构造区煤层开采的微震监测直观反映了震源多集中于向斜轴附近的区域，该区域与冲击地压发生的空间位置相一致，但微震事件空间分布极其复杂，很难识别微震事件随时间演化的趋势。

2) 利用微震事件计算得到的日能量密度，显示了煤岩体局部变形的时间和空间特征，进而根据局部化变形的结果可以预测未来强矿震的位置。

3) 利用震波速度层析成像技术对向斜构造引起的煤层高应力区进行了识别，并对高应力区实施了大直径钻孔和深孔爆破卸压措施，后续开采引起的强矿震活动证实了卸压措施的有效性。