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，因地质条件复杂，受断层影响，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。本文通过理论分析和微震实测震源参数分析研究河南赵固某矿工作面过单一正断层的活化阶段微震监测数据研究分析顶底板岩层的响应特征及规律。同时也能给相似条件下过断层工作面提供借鉴和参考。

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。Bertoncini C A[15]等利用微震监测数据对硐室顶板进行分级。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。

由于微震的各种优势，其在工程地质岩体灾害监测、震源参数分析建模预警，煤矿智能化等都有着不可或缺的地位。许多微震的研究主要集中在分析不同工程岩体的响应规律，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监测与工作面过断层的工程应用之间的特征有着重要实践意义。

1工程概况

14030工作面位于四盘区中部，东北方向为采空区，南向为断层保护煤柱，西南方向为煤岩区域，北向为三条大巷。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。

如图1所示，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，故本文主要将过正断层F184作为主要研究对象。区域测点共布置8个检波器，其中上、下顺槽各间距100m交错布置4个于煤层顶底板。

图1 14030工作面微震监测系统布置

2工作面过单一正断层活化微震响应特征分析

2.1断层活化过程的超前支承压力

图2 超前支承压力与构造应力耦合过程

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，正常开采环境中，由于各种人类工程行为会破坏原岩状态，而断层本质是一个软弱结构面，因此原来的内部应力受到扰动引起变化，当达到断层的强度极限时，断层则会进一步地发生位移，上下盘重新开始错动变形，这一过程就是断层活化。如图2所示，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有利于矿井安全生产，也更好确定断层活化阶段。

2.2研究阶段的确定

经理论计算得出超前支承压力影响范围距离工作面采线96.1m；对比分析6/16至6/19的微震事件分布可知，当工作面开采至6/17的采线位置时，F184断层距离采线最短距离为108.0m，超前支承压力开始影响该断层，如图3所示。构造应力与超前支承压力耦合作用扩大影响区域证实该结果。因此，设定6/17采线位置为工作面开采工作面影响F184断层起始点，即活化断层的起点。

图3工作面开采研究阶段划分

2.3 14030工作面断层活化全时段微震特征分析

根据潘一山[6]等研究断层的活化建立响应粘滑失稳模型分析断层应力的影响，表明断层冲击受到断层剪应力增加和正应力减少影响。根据张宁博[7]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。

随着工作面向前推进，其前方支承压力开始影响断层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，诱发大量低能量微震事件，此时极易引发断层活化冲击来压，故本节将此阶段称为应力初显阶段。

随着工作面的继续推进，当煤壁的支承压力的升高去与断层附近的构造应力持续耦合变大，断层上下盘之间的软弱结构面由于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，故本节将此阶段称为弹粘蓄能阶段。

随着工作面采线距离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，故本节将此阶段称为结构活化阶段。

本文统计断层活化期间全时段微震日事件和能量，如图4所示，根据图中微震事件和能量极大值和极小值及变化趋势可以明显区分出断层活化阶段三个阶段。因此，本文将赵固二矿14030工作面过断层F184的活化阶段分为：应力初显阶段、弹粘蓄能阶段、结构活化阶段。

图4 活化阶段全时段微震日总事件和日总能量分布

如图4所示，应力初显阶段为2020/6/18~2020/7/4工作面共推进50m，期间监测有效微震个数766个，释放能量1.65×105J。其微震总体呈出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。弹粘蓄能阶段为2020/7/5~2020/7/11工作面共推进28m，期间监测有效微震个数417个，释放能量6.02×104J。其微震总体呈出平稳、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。结构活化阶段为2020/7/11~2020/7/19工作面共推进30m，期间监测有效微震个数314个，释放能量5.17×104J。其微震总体呈事件数较多、能量较多的特征，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确定了河南赵固某矿14030工作面过断层时的影响起点为工作面108m。并将工作面按照断层活化的三个阶段划分为：应力初显阶段、弹粘蓄能阶段和结构活化阶段。其中三个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呈出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。

（2） 弹粘蓄能阶段其微震总体呈出平稳、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。

（3） 结构活化阶段微震总体呈事件数较多、能量较多的特征，无明显周期来压特征，受断层结构活化影响，应力降低。

参考文献

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