边 戈1，牛一凡2，高歆于2，刘彦强1，李 航2，李一涵2，褚夫乐2，郝宪杰2，高红兵1
(1.陕西长武亭南煤业有限责任公司，陕西省咸阳市，713602；2.中国矿业大学(北京)能源与矿业学院，北京市海淀区，100083)
摘 要 冲击风险的预警和评价是冲击地压矿井安全生产的重要前提。以陕西长武亭南煤业有限责任公司307工作面为研究对象，利用微震监测、矿压监测相结合的技术手段，研究了不同地质层位微震活动度指标特征，通过对上覆岩层各地质层位微震进行精细分析，揭示了厚煤层综放开采工作面过见方影响区时各层位岩层的微震活动度指标变化特征及规律，提出了基于微震活动度指标的冲击风险分层差异化评价方法，建立了基于高位微震活动度的冲击地压综合预警指标，现场应用证明了该综合指标用于煤矿冲击地压风险预警的可行性。
关键词 地质分层；冲击地压；冲击风险评价；微震监测；微震活动度指标
工作面见方是煤矿生产过程中一个非常重要的时间点，根据钱鸣高院士的砌体梁理论，工作面见方阶段容易发生“O-X”破断、工作面见方阶段易发生大来压事件的结论也被广泛应用于现场的矿压与冲击地压防控[1]。
微震监测技术可以有效地监测工作面覆盖层微破裂的时间、空间和强度以及相关的微震震源参数。相关研究表明，高能微震事件代表上部坚硬岩层的破裂，低频带微震事件的能量比可作为评估顶板破裂强度的有效指标[2-3]。目前综放开采覆岩运移规律的研究大多是从微震频次与能量角度出发，针对微震事件或能量的整体空间分布来研究覆岩运移规律[4-7]。已有多位学者将微震技术应用于工作面见方的研究，王存文等[8]认为工作面推进至单个工作面或多个工作面见方时，采场上方覆岩空间结构的连通更易诱发冲击地压；金思德等[9]认为见方期间冲击危险源于上覆坚硬岩层中积聚了下位岩层断裂转移上来的水平应力，从而发生冲击地压，诱发矿震型的动力灾害，并研究了工作面见方期间冲击地压有效地预卸压和解危措施。
冲击风险的预警和评价是冲击地压矿井安全生产的重要前提。现有的微震分析多以整个区域作为研究对象，微震数量庞杂而掩盖了真正可起作用的预警指标。本文以陕西长武亭南煤业有限责任公司(以下简称“亭南煤矿”)307工作面为背景，利用微震监测、矿压监测相结合的技术手段，对不同地质层位微震活动度指标特征进行研究和分析，揭示了厚煤层综放开采工作面过见方影响区时各层位岩层的微震活动度指标变化特征及规律，从而为类似条件的煤矿冲击地区风险预警提供指导和借鉴。
亭南煤矿307工作面主采4号煤层，煤层平均厚度8.2 m，煤层倾角0°～8°，平均倾角4°。307工作面开切眼至317 m范围工作面长度为223 m，与305采空区之间以8 m窄煤柱隔开，工作面开切眼317 m以外工作面长度为200 m，与305采空区之间以30 m宽煤柱隔开。307工作面回采长度1 228 m，回采面积252 574 m2，采高3.5 m，放煤高度4.7 m。4号煤层基本顶为粗粒砂岩，厚度0.6～12.0 m，平均厚度6.3 m；直接顶为泥岩，厚度0.83～1.50 m，平均厚度1.17 m；直接底为铝质泥岩，厚度0.96～1.60 m，平均厚度1.28 m；基本底为泥岩，厚度3.14～4.41 m，平均厚度3.78 m。
307工作面采用波兰的ARAMIS微震监测系统，对微震事件进行实时动态监测，并进行震源定位和微震能量计算。ARAMIS微震监测系统组成示意如图1所示。
图1 ARAMIS微震监测系统组成示意
ARAMIS微震监测系统在307工作面运输巷布置1个监测探头、1个拾震器，在回风巷布置2个监测探头，在三盘区303灌浆巷对应的三盘区轨道集中巷内布置1个拾震器，加上地面微震监测系统，从而形成空间、立体的微震监测台网。
为了分析307工作面微震事件分布规律，对各层位岩层所对应的微震指标进行分析，进而推导上覆岩层运移破断规律。对工作面上覆岩层进行层位划分，综合考虑微震事件分布范围以及各岩层岩性特征，结合厚硬岩层位置将工作面顶板上方55 m范围内岩层由低到高划分为较低层位岩层、较高层位岩层、高层位岩层3个层位。后续在这3个层位划分的基础上，开展对不同层位微震指标的对比分析。
根据307工作面地质资料可知，307工作面煤层埋深663.6 m，煤层上方55 m内存在2层厚硬岩层，分别位于煤层上方12 m及32 m处。将煤层上方55 m内岩层划分为3层，分别为较低层位岩层(标高+420～+432 m)，岩层厚度12 m；较高层位岩层(标高+432～+452 m)，岩层厚度为20 m；高层位岩层(标高+452～+475 m)，岩层厚度为23 m。307工作面上覆岩层层位划分示意如图2所示。
图2 307工作面上覆岩层层位划分示意
在覆岩微震活动特性的深入研究中，微震Z-map值能有效揭示微震事件的时空分布特征与强度，活动标度ΔF能精确量化微震活动的动态变化，活动度S能进一步体现单位区域内的微震活跃程度。通过分层位计算分析以上指标，有助于系统剖析初次来压、见方前周期来压及过见方影响区周期来压等不同阶段覆岩微震活动的演变规律。
Z-map值是指通过分析微震活动平均震级的变化，可以反映出研究区域内某一段时间内微震平均震级相对于长期微震平均震级的变化情况。其计算式为：
mi——研究时间段内该区域的单个微震事件震级；
Z——Z-map值；
σm——研究时段内该区域的微震事件的震级均方差值；
σM——某一时段内全部微震事件的震级均方差值。
Z-map值服从标准正态分布，当Z值较小时(Z<0)表明该段时间内微震事件发生率上升，当Z值较大时(Z>0)表明该时间段内微震事件发生率降低，因此当Z为低值异常时预示着有冲击危险的可能性，可以作为预测冲击地压的指标。
微震活动标度ΔF计算式为：
式中：ΔF——微震活动标度；
F0——微震活动标度基准值；
T——天数；
M——微震震级。
微震活动标度ΔF的提出，统一了微震频次和强度2个指标，强能量微震事件理论上与微震活动标度呈正比，即强微震发生前出现活动标度会产生高值异常现象。
微震活动度S集合了微震事件的频次、最大能量、微震平均能量等多种常用指标，微震活动度的提出充分考虑到了微震的时间、空间以及微震强度3方面因素，其计算式为：
(5)
Mi——第i个微震事件的震级。
307工作面在2020年6月份开始进入经过见方影响区后的地质条件良好区，为了更好地研究过见方影响冲击风险区前后的上覆岩层运移破断规律及微震特征，并与见方前阶段进行对比，选取工作面6-8月份过见方影响冲击风险区前后微震指标进行分析，研究其所对应的上覆岩层运移破断规律及微震特征。
2020年6-8月份微震震源三维分布示意如图3所示，图中3个层位的微震事件分别用3个颜色表示，微震事件球体的大小反映微震事件能量的强弱。可以明显看出，过见方影响区后的高层位岩层微震事件相较于见方前阶段有了大幅度的增长，因此计算高层位岩层微震指标并与下面两层岩层微震指标变化进行对比成为必要。各层位微震事件数量及能量占比见表1。
为进一步研究各阶段各层位岩层微震分布特征，将初次来压前后、2020年2-3月份、6-8月份回采期间微震事件及能量指标进行绘图对比分析，如图4所示。由图4可以看出，初次来压前后，低层位岩层微震事件数和能量数值最高，中间层位次之，高层位岩层最低，但随着工作面回采不断推进，过见方影响区后6-8月份高层位岩层微震事件数及能量数值相较于前2个阶段有了大幅度的增长，因此计算高层位岩层微震指标并与下面两层岩层微震指标变化进行对比成为必要。
图3 6-8月份微震震源三维分布示意
表1 2020年6-8月份微震震源高程分布
震源层位 微震事 件数/ 个 事件数 占比/ % 微震能量 / J 能量 占比/ % 较低层位 1 407 25. 84 165 770. 34 31. 62 较高层位 1 812 33. 28 194 715. 04 37. 14 高层位 2 226 40. 88 163 744. 16 31. 24
图4 各阶段微震数量和能量数值对比
综上所述，在过见方影响区后，煤层采动所影响的岩层逐渐向上部延伸，高层位岩层微震事件和能量占比的增加，也意味着高层位岩层微震指标反映重要的冲击风险信息，需要进行具体对比分析。
为了方便通过微震Z-map值分析过见方影响区阶段周期来压前后上覆岩层运移破断规律及微震特征，同样在2020年6-8月份选取中间2次较为明显的大周期来压作为研究区段，进行对应的微震Z-map值分析。2020年6-8月份矿压及微震综合Z-map值曲线对应如图5所示，矿压及3个层位微震Z-map值曲线对应如图6所示，图中(图5～图10)40 MPa直线是支架的卸载压力值，达到该压力值即卸载。
图5 2020年6-8月份矿压及微震综合Z-map值曲线对应
图6 2020年6-8月份矿压及微震分层位Z-map值曲线对应
由图5可以看出综合Z-map值在周期来压前基本保持稳定，但在周期来压后会产生较大幅度的波动，其余时间段综合Z-map值基本保持稳定，无明显规律。
由图6可以看出，3个层位的Z-map值变化中，高层位岩层的微震Z-map值整体处于平稳变化状态，仅在大周期来压时有一个突然降低与迅速回升的波动段，而较高层位与较低层位的Z-map值受支架压力变化影响较为敏感，在支架短期超出报警阈值但是并未形成大周期来压时就会发生波动。说明低位岩层受高位岩层的影响较大，岩层运移较为活跃，但是不是大周期来压的主导因素。而高位岩层的Z-map值变化趋势在来压时阶段与非来压阶段区别明显，适合用于大周期来压的评价。
微震活动标度ΔF统一了微震频次和强度2个指标，强能量微震事件理论上与微震活动标度呈正比，即强微震发生前活动标度会产生高值异常现象。
选取2020年6-8月份2次较为明显的大周期来压作为研究区段，分别对综合、分层微震活动标度ΔF、微震活动度S在过见方影响区前后上覆岩层运移破断规律及微震特征进行分析。2020年6-8月份矿压及微震综合活动标度ΔF曲线、3个层位微震活动标度ΔF曲线、微震综合活动度S曲线、3个层位微震活动度S曲线如图7～10所示。
图7 2020年6-8月份矿压及微震综合活动标度ΔF曲线
图8 2020年6-8月份矿压及微震分层位活动标度ΔF曲线
图9 2020年6-8月份矿压及微震综合活动度S曲线
图10 2020年6-8月份矿压及微震分层位活动度S曲线对应
由图7可以看出，相对于分层位活动标度ΔF，综合活动标度ΔF整体数值走势更为平稳，基本只在大周期来压发生期间有明显的数值上升，但并无明显规律。由图8可看出，较低层位岩层活动标度ΔF大部分时间处于高位，数值出现短暂下降后又会很快回升；较高层位岩层活动标度ΔF出现周期性数值峰值；岩层层位越低，微震活动标度ΔF数值处于高位的时间就越长。同时低层位岩层微震活动标度ΔF数值峰值也要低于高层位岩层数值峰值。由图9～图10可以看出，活动度S与活动标度ΔF变化规律基本一致。
综上所述，较低层位岩层在过见方影响区之后的回采阶段，微震活动变化相对频繁，但微震活动强度不高。而高层位岩层微震活动程度在大周期来压前6～8 d会突然增强，并很快达到较高的水平，这反映在大周期来压前高层位岩层出现规模较大的运移破断，为冲击风险创造了条件，同时也反映了高层位岩层微震指标对冲击风险具有较好的预警作用。
针对单指标评价冲击地压风险的可靠性较差问题，选取了评价大周期来压效果较好的高层位微震活动标度ΔF和微震活动度S，在这2个指标基础上建立基于高层位岩层微震活动度的冲击风险预警指标。
(1)对各个基础指标进行标准化处理，采用最大最小归一化的方法，计算式为：
(6)
式中：Zij——标准化后第i个样本第j个指标的数值；
minxj、maxxj——第j个指标的最小值和最大值。
(2)第j个指标第i天数据占该指标比重计算式为：
(7)
式中：Pij——第j个指标第i天数据占该指标比重。
(3)第j个指标信息熵计算式为：
(8)
式中：ej——第j个指标信息熵；
m——第j个指标的数据数量。
(4)第j个指标信息有效值计算式为：
dj=1-ej
(9)
式中：dj——第j个指标信息有效值。
(5)各项指标的权重计算式：
(10)
式中：Wj——各个基础指标权重系数。
(6)根据各基础指标，综合指标公式构建如下：
(11)
式中：Si——冲击危险性综合评价指标。
根据前述基于微震活动度指标的分层位冲击风险规律分析，代入高层位每日微震数据，计算得到307工作面大周期来压综合指标预警阈值S0=0.65。
根据工作面微震监测数据，对2020年6-8月份高层位微震活动标度ΔF和微震活动度S进行计算，并代入综合指标公式得到每日综合指标值。对大周期来压时间与预警天数进行标记，综合预警指标变化如图11所示。
图11 综合预警指标变化
由图11可以看出，综合指标值在7月2日和7月18日超过了307工作面大周期来压综合指标预警阈值S0，其综合指标值分别为0.83、1.00。工作面在该时间段内的报警日期分别超前大周期来压5、8 d。工程应用结果表明，综合指标值超过工作面阈值时报警后的确出现大周期来压，对307工作面大周期来压和冲击地压风险的预警有较好的效果，进一步验证高层位微震活动的重要性。
(1)现有的微震分析多以整个区域作为研究对象，微震数量庞杂而掩盖了真正可起作用的预警指标。本文重点研究了不同地质层位微震活动度指标特征来揭示冲击风险的预警指标，建立了基于分层差异化微震活动度指标的冲击危险评价方法。
(2)基于分层差异化微震活动度指标的冲击危险评价方法，研究发现过见方影响区阶段工作面矿压显现更为剧烈，冲击风险大幅增加，期间平均支架压力增长，高层位岩层微震事件和能量占比均有较大幅度的增长，煤层采动所影响的岩层逐渐向上部延伸，说明高层位岩层在有冲击风险的岩层活动中发挥的关键作用。
(3)工作面过见方影响区后，高层位微震指标往往会在冲击风险前6～8 d发生明显的变化，微震Z-map值在此阶段会出现明显下降，活动标度ΔF、活动度S数值会出现明显峰值，表现出较强的阶段性与规律性，证实高层位岩层微震活动度指标对冲击风险具有很好的预警作用。
(4)建立了基于高层位岩层微震活动度多指标的冲击风险预警指标，实践验证表明该指标可以有效预警工作面的大周期来压，进一步验证高层位微震活动的重要性。
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BIAN Ge1, NIU Yifan2, GAO Xinyu2, LI Hang2, LIU Yanqiang1,LI Yihan2, CHU Fule2, HAO Xianjie2, GAO Hongbing1
(1. Shaanxi Changwu Tingnan Coal Industry Co., Ltd., Xianyang, Shaanxi 713602, China;2. School of Energy and Mining Engineering, China University of Mining and Technology-Beijing, Haidian, Beijing 100083, China)
Abstract The early warning and evaluation of rock burst risks are important prerequisites for the safe production of rock burst mines. Taking 307 working face of Shaanxi Changwu Tingnan Coal Industry Co., Ltd. as the research object, the technical means of microseismic monitoring and mine pressure monitoring were used to study the characteristics of microseismic activity index in different geological layers. Through fine analysis of microseismic events in different geological layers of overlying rock strata, the variation characteristics and laws of microseismic activity index in each layer of the rock strata during fully mechanized caving face passing through the square influencing zone in thick coal seam were revealed, and a differentiated evaluation method for rock burst risks for different layer based on microseismic activity index was proposed, and comprehensive early warning index for rock burst based on high-level microseismic activity was established. The feasibility of this comprehensive index for coal mine rock burst risk's early warning was proved by on-site application.
Keywords geological layers; rock burst; rock burst risk evaluation; microseismic monitoring; microseismic activity index
中图分类号 TD324
文献标志码 A
基金项目：国家自然科学基金(52174097，51804309)；国家重点研发计划(2022YFC3004600)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(2022JCCXNY03)