采煤工作面过单一正断层活化阶段微震响应特征分析

摘要

煤层开采过程中，工作面过断层易诱发断层活化引起顶板来压和顶底板岩层破坏加深连通导水通道引起突水等事故。微震监测能够实现实时全方位空间监测，有利于预测预警工作面的顶底板岩层的破碎情况。本文通过推理和微震实测分析研究河南某矿工作面过单一正断层的活化阶段微震监测数据研究顶底板岩层的响应特征及规律。

关键词：断层活化，微震监测，微震响应

0 引言

随着科技进步和时代的发展，智能绿色矿山建设如火如荼。微震监测作为智能化矿山扮演着重要作用，可通过三维实时、高效、灵敏监测围岩微破裂变化数据及时给现场生产提供预警，极大保障了矿山的安全生产工作。

李庶林[1]等利用微震监测岩体稳定性提供风险评价做出地质灾害预测预警。Cheon D S[2]使用微震监测系统对边坡的稳定性进行实时观测。Wu Wei[3]分析锦屏二号水力发电站隧道掘井中岩爆时微震事件的释放规律。Zhou Jinren[4]等观察分析注浆帷幕技术引发微震响应的特征。盖秋凯[5]等利用主成分析法将宏观三维微震事件投影为二维分析工作面过老巷的响应规律并进行顶底板的危险性评价。

综上微震的研究主要集中在不同工程围岩的响应规律，缺少微震监测对过断层工作面的规律研究，因此需进一步探究微震与工作面断层活化之间的响应规律有着重要实践意义。

1工程背景

14030工作面位于四盘区中部，东北方向为采空区，南为断层保护煤柱，西南向为煤岩区域，北为三条大巷。14030工作面采法为走向长壁采煤法，采煤工艺为一次采全高综合机械化采煤，沿煤层顶板回采，工作面煤层厚度4.8～6.1m。

工作面地质构造简单主要含有一条S5向斜轴、F184、F186、F188和F189。根据其断层参数和位置发现只有F184的落差达到2m，倾角35°，倾向128°，其位置与工作面推进方向进垂直且断层前后100m没有其他断层的影响，故将正断层F184作为主要研究对象。并在该工作面上、下顺槽各间距100m交错布置4个微震检波器于煤层顶底板。

2工作面过单一正断层活化阶段微震响应特征分析

2.1 断层活化过程的超前支承压力

断层是煤层的内的软弱结构面，其活化过程与煤岩体的采动状态紧密相关。正常开采时，原岩应力状态受到扰动引起变化。当扰动应力达到断层的强度极限时，断层则会进一步地发生位移，上下盘重新错动变形，这一过程就是断层活化。随着工作面的推进，其超前支承压力的影响范围不断向前发展，与断层引起的应力集中耦合作用形成叠加应力导致影响范围增大，故研究并确定超前支承压力与构造应力耦合作用的影响范围可确定断层活化阶段。

2.2 断层活化起始点

经理论计算得超前支承压力影响范围距工作面采线96.1m；对比分析6/16至6/19的微震事件分布情况可知，当工作面开采至6/17的采线位置时，微震事件分布异常增多，此时F184断层距采线最短距离108m。超前支承压力开始影响该断层，该情况与构造应力和超前支承压力耦合作用扩大影响区域相符合。因此，设定6/17采线位置为F184断层活化起始点。

2.3工作面断层活化全时段微震特征分析

本文统计断层活化期间全时段微震日事件和能量，如图1所示，微震事件和能量极大值和极小值及变化趋势明显区分出断层活化阶段三个阶段。根据张宁博[6]等研究粘滑理论的活化机理表明断层活化存在“起始活化”、“剧烈活化”、“冲击显现”三个阶段。基于此研究，结合微震响应关系推演该三个阶段的过程。

图1 活化阶段全时段微震日总事件和日总能量分布

随着工作面向前推进，其超前支承压力开始影响F184断层附近围岩的构造应力，当采线距离断层较远时，构造应力受到影响诱发原来断层中的大量裂隙继续扩展，大量低能量微震事件释放，此时极易引发断层活化冲击来压，将此阶段称应力初显阶段。应力初显阶段为6/18~7/4工作面推进50m，期间监测有效微震个数766个，释放能量1.65×105J。其微震总体呈明显的周期上升趋势，其极大值和极小值周替变化，周期来压趋势明显，断层周围构造应力开始受到采动影响。

随着继续推进，当煤壁的支承压力的升高与断层附近的构造应力持续耦合增大，断层上下盘之间的软弱结构面在应力初显阶段部分应力得到释放，持续增加的应力加大上下盘之间的摩擦阻力，使得断层上下盘产生粘滑现象，岩体出现突发、间歇性不稳定摩擦滑动，该过程有部分能量被结构积蓄，诱发微震事件少但能量比较高，将此阶段称弹粘蓄能阶段。弹粘蓄能阶段为7/5~7/11工作面推进28m，期间监测有效微震个数417个，释放能量6.02×104J。其微震总体呈平稳、事件数多、能量较多的特征，无明显周期来压特征，受断层活化结构面滑移影响剧烈。

随着采线距F184断层越来越近，支承压力的峰值区与断层的构造应力峰值区的耦合作用达到极值，使得断层上下承受更大的应力能够克服上下盘之间的摩擦阻力发生相对运动。顶板下沉回转对工作面煤柱和支架带来结构型冲击地压，导致围岩裂隙贯通，产生大量大能量微震事件，将此阶段称结构活化阶段。结构活化阶段为7/11~27/19工作面推进30m，期间监测有效微震个数314个，释放能量5.17×104J。其微震总体事件数较多、能量较多，无明显周期来压特征，受断层结构活化影响，应力降低。

3 结论

本文通过分析微震变化、理论计算和断层活化机理共同确定14030工作面过断层时的活化起点为108m。并结合微震响应规律推演断层活化的过程，将其划分为三个阶段：应力初显阶段、弹粘蓄能阶段和结构活化阶段。其各阶段的全时段微震响应规律为：

① 应力初显阶段其微震总体明显的周期上升，其极大值和极小值周期变化，周期来压趋势明显，断层周围构造应力开始受到采动影响；

② 弹粘蓄能阶段其微震总体平稳、事件数多、能量较多，无明显周期来压，受断层活化结构面滑移影响剧烈；

③ 结构活化阶段微震总体事件数较多、能量较多，无明显周期来压，受断层结构活化影响，应力降低。

参考文献

[1] 李庶林. 试论微震监测技术在地下工程中的应用[J]. 地下空间与工程学报, 2009, 5(01): 122-128.

[2] Cheon D S, Jung Y B, Park E S, et al. Evaluation of damage level for rock slopes using acoustic emission technique with waveguides[J]. Engineering Geology, 2011, 121(01):75-88.

[3] Wu Wei, Cheng Wenyou, Shiqiang Huang, et al. Acoustic emission monitoring of rockbursts during TBM-excavated headrace tunneling at Jinping II hydropower station[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 2013, 5(06): 486-494.

[4] Zhou Jinren, Yang Tianhong, Zhang Penghai, et al. Formation process and mechanism of seepage channels around grout curtain from microseismicmonitoring: A case study of Zhangmatun iron mine, China[J]. Engineering Geology, 2017, 226: 301-315.

[5] 张党育, 盖秋凯, 黄磊, 等. 工作面过废弃巷顶板微震时空演化机制及危险性分区[J]. 煤炭学报, 2021, 46(12): 3805-3818.

[6] 张宁博, 欧阳振华, 赵善坤, 等. 基于粘滑理论的断层冲击地压发生机理研究[J]. 地下空间与工程学报, 2016, 12(S2): 894-898.