动压灾害作为复杂世界性难题，一直以来都没有得到很好解决，严重威胁着矿井的安全。尤其是近年来，随着开采深度的逐步增加，动压灾害已逐渐上升为影响矿井安全生产的主要灾害之一[1-3]。但是由于监测技术和手段的局限性，有很多理论问题还没有研究清楚，也缺乏较为有效的临场监测预警手段及相应的动压控制体系。目前对冲击地压机理的认识主要概括为：强度理论、能量理论、冲击倾向性理论、“三准则”理论、变形系统失稳理论等[4-5]。矿震诱发冲击地压和冲击地压诱发矿震是两类不同机理的灾害，因此，深入研究这类关联性动力灾害的机理，对针对性地防治具有重要的理论意义和实用价值。

在微震监测方面，众多学者利用微震监测技术对煤矿覆岩运动规律方面做了大量的研究。姜福兴等[6]采用微地震监测揭示采场围岩空间破裂形态；肖鹏等[7]在物理相似材料模拟试验中，采用微震监测覆岩裂隙演化规律，从微震能量积聚和释放的角度探讨上覆岩层裂隙演化规律；成云海等[8]采用微地震定位监测技术，根据岩体在三维空间的破裂成像，揭示采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系；孔令海等[9]采用高精度微地震监测技术，研究了微震事件的动态发展和分布规律，得到了特厚煤层综放工作面顶板岩层运动规律；程关文等[10]探讨煤矿顶板岩体微震分布沿垂直方向分布规律与煤矿顶板沿垂直方向分带的相互关系，建立基于微震监测煤矿顶板分带方法。

本文以微地震监测技术为手段，以具有一定典型性的某煤矿千米深井为研究背景，对深井开采中的动压显现问题进行了研究，分析了工作面岩层运动规律与冲击地压的关系，进行了初次来压分析和周期来压分析，并结合多次来压预测预报经验，建立了基于微地震监测结果为主的来压预测预报模式。研究结果对有针对性地防治冲击地压具有重要的指导作用和实用价值[11]。

1、工作面基本条件介绍

1)该综采工作面为采区第一个工作面，巷道沿底板布置。

煤层厚3.7～10 m,平均厚6.95 m,黑色，沥青-玻璃光泽，条带状，块状结构，层状构造，阶梯状、贝壳状、参差状断口，视密度为1.37 t/m3,煤岩成分以亮煤、暗煤为主，次为镜煤、半亮型煤，局部含黄铁矿，上下部煤质较脆，中部较硬，水平层理，裂隙发育。局部含1～2层夹矸，上部夹矸厚0～5.32 m,为黑色泥岩，下部夹矸厚0～0.3 m,为炭质泥岩。本区段煤层总体为一宽缓向斜构造，倾向NE,倾角在16°左右。煤层硬度系数f=2.5.

2)煤层顶底板情况：

煤顶板大部分被风化剥蚀，仅局部保存完整，上部以砂岩为主，其中距煤层约45 m处，有1层厚度约为13 m的矸岩老顶，直接顶砂质含量较高，相变为砂质泥岩，大部分为细砂岩或粉砂岩，厚度约为43 m,底部有炭质泥岩发育，厚度约为1 m,下部以黑、灰黑色-灰白色为主，向上受风化剥蚀影响，有铁质浸染现象，变为浅灰显紫色、灰黄色等，细砂岩、粉砂岩成分以石英长石为主，次为云母片及其他暗色矿物，细粒砂状结构，泥质胶结。3煤底板，上部以泥岩为主，局部相变为砂泥岩，厚度为1.20～4.15 m,平均厚2.56 m,呈灰黑-黑色，泥质结构，水平层理，含植物化石、炭质和黄铁矿；下部以细砂岩为主，局部相变为中砂岩，为3下煤老底，厚2.60～6.80 m,平均厚4.08 m,灰黑、浅灰、灰、深灰色，细粒-粗粒砂状结构，薄层状，成分以石英、长石为主，泥质胶结，水平层理，局部层理不规则，含大量泥岩，局部有铁质浸染现象，有生物扰动现象，裂隙发育，与下部过渡接触。其底界面为二叠系与石炭系的分界线。

3)瓦斯：

根据当年度瓦斯鉴定结果，本矿属低瓦斯矿。

4)煤尘：

有爆炸危险性，爆炸指数41.63%.

5)煤的自燃：

根据该年资质部门煤炭科学研究总院对3下煤自燃鉴定结果，本区段煤层属Ⅲ类不易自燃煤层。

6)地温：

本区为地温正常区，煤系地层地温梯度为2.93℃,非煤系地层地温梯度为2.24℃.根据本采区煤层埋深推断，本采区的正常地温为26℃～28℃,属高温区。

7)地压：

本区属地压正常区，但因煤层埋藏较深，且东侧为已开采区，矿山压力较大，局部压力显现明显，特别是构造复杂区。

根据已揭露巷道的地质资料和构造发育规律综合分析，预计本工作面煤层赋存较简单，根据胶带巷掘进断层揭露情况分析，本工作面材料道和胶带巷在掘进过程中将分别揭露F2-1断层和F2-2断层，并且材料道将提前过断层。另外，本工作面东部与Fx2断层平行相邻，受其影响，断层附近围岩较破碎，局部地段可能发育小断层，因此施工过程中必须加强支护质量。

2、工作面岩层运动规律与冲击地压的关系研究

岩层运动与矿山压力显现有着密切的关系：

1)随着工作面的推采距离不断增大以及覆岩破坏的成拱发展，整个采空区上覆岩层的自重应力场将会转移至采空区周围，从而导致采空区周围(包括工作面前方)垂直应力场逐渐升高[12-14]。

2)当工作面自开切眼推进一段距离后，随着顶板悬露达到一定跨度将发生初次断裂，随后发生周期性的断裂，这些断裂所代表的特定类型的岩层运动，是工作面矿压显现的根本原因。因此岩层运动决定了采场的矿山压力显现，包括初次来压和周期来压，而微地震监测通过对监测到的数据进行定位分析可以反演出采场的岩层运动情况[15]。

利用MS事件的数量、发生时间以及与采矿活动之间的关系，可以研究工作面的初次来压和周期来压[16]。

3、基于微地震监测的工作面初次来压分析

老顶初次来压期间，老顶岩层会发生初次断裂，将会对工作面产生明显的动压影响，尤其是工作面上、下隅角采面前方受超前支承压力及侧向支承压力双重影响的区域[17]。

某矿的微震监测项目组对某日以来的微震数据分析时，发现两次能量特别巨大的微地震事件(Microseismic Monitoring Technique事件，简称MS事件),发生的大能量微地震事件监测原始数据。

这次微地震事件(MS事件)具有典型的进入老顶初次来压阶段特征：7号检波器收到的岩层破裂信号幅值达到8 500 mV(7号检波器是距离工作面最近的1个检波器),前期监测数据峰值一般都不到1 000 mV,由于破裂信号能量在传播过程中的衰减，离工作面较远的8检波器和9检波器的幅值分别为1 900 mV和600 mV,而前期监测数据这两个位置衰减后的峰值一般为100～200 mV.

对该事件进行定位后，微震事件坐标为：(X,Y,Z)=(7 883,5 496,-902)。根据井下工人描述，该事件发生时，听到很大的响声，并有轻微震感。剖面定位结果显示，该事件发生在顶板上方老顶位置，可以判断此次事件是老顶断裂所致。

工作面初次来压具体过程如下：

1)老顶初次来压开始阶段：

2023年4月15日清晨，微震监测项目组对4月14日以来的微震数据分析时，发现两次能量特别巨大的微地震事件(MS事件),分别发生在4月14日22:37:11和4月15日04:06:31.

2)老顶初次来压持续阶段：

从4月16日到4月26日，多次接收到大能量MS事件及一些小能量MS事件，均对其进行了定位，期间为了保证微地震监测系统分站及检波器正常工作，于4月23日对下系统进行了例行检查。

3)老顶初次来压结束阶段：

4月26日后没有发生大能量的MS事件，支架阻力回落，井下煤炮从数量到强度上都大幅减少。

4、基于微地震监测的工作面周期来压分析

每一次煤岩体破裂都会产生一次微震事件和声波，而震动能量、频次等反映了煤岩体受力破坏程度，微震事件能量越高，震动越频繁；煤岩体应力集中程度越大，破坏越严重；另外，震动能量与微震累计次数的对数呈线性关系，根据前人研究成果，统计单日微震频次分析工作面矿山压力显现规律是科学的。图1为微震事件监测时段(因监测系统单日存储限制在524 Mb)。

图1 22116工作面与22118采空区微震事件时域分布

从图1可以看出，4月9日、4月10日、4月15日的22116工作面微震表现较弱，而连续快速推进3 d(4月13日～4月15日)后，22116工作面微震声发射微震频繁时，单日的声发射微震监测时长少于24 h;或者监测区域停电时，单日的声发射微震监测时长也可能少于24 h时域分布图(图中微震次数的统计时间为10 min)。表现强烈，说明岩梁弯曲能更多地以微震形式释放。4月20日、4月21日微震次数频繁且强烈，说明在工作面推进过程中上覆顶板受扰动影响较大，顶板逐渐发生破断，引起微震信号频发，且此阶段工作面平均推进度较快，说明工作面的微震强弱与工作面推进度有着直接的联系。因此为避免微震强度过大而引起的顶板不稳定，应对工作面推进度进行严格把控。

因22118工作面先于22116工作面开采，故22118工作面属于非充分采动。从图1也可以看出，在22118工作面非充分采动条件下，22116工作面推采过程中，尤其是周期来压期间，22118采空区顶板岩梁结构运动频繁(微震强烈),在今后的回采实践，应避免工作面跳采。从图中可以看出，工作面周期来压前强微震较弱，周期来压期间强微震较强。从4月17日开始，4月18日～4月23日的强微震明显，而这6 d工作面的日推进度均在6.8 m以上，说明工作面推进速度越快，煤层弯曲断裂形成的结构越易动力扰动下失稳，具体表现为结构滑落失稳的强微震活动明显。根据周期来压的定义，基本顶“砌体梁”结构的周期性失稳引起的顶板来压现象称之为周期来压，煤层在4月17日、4月23日的微震频次高，具有明显的周期来压特点，与矿山压力监测结果一致。

对工作面上的岩层运动进行多次分析，工作面在周期来压期间，顶板岩层运动在微地震监测结果上主要有两个特征：周期来压期间，MS事件数将会出现1个峰值，如图2所示；周期来压期间，顶板岩层由于发生较大能量的剪切破坏或者拉伸破坏，因此在每天MS事件能量均值图上也会出现1个波峰，如图3所示。结合微地震监测结果和井下宏观矿压显现可以精确地确定周期来压的步距以及来压显现强度。

图2周期来压波形图片

图3每日MS事件能量均值图

1)第一个周期来压阶段。

通过分析数据可以得出：某天MS事件数出现了1个波峰，当天MS事件的能量都较大；随后的几天MS事件数都维持在一个较高的水平，井下的宏观矿压显现也较为明显。综合以上几点可以判断得出该工作面于当日进入第一个周期来压阶段，周期来压步距为24 m.

2)第二个周期来压阶段。

①对一段时间的微震数据进行分析，某日微地震监测得到的反映岩层运动的信息有三个特点：在顶板四十多米处发生了一次高位岩层断裂；当天MS事件数明显增多；部分MS事件集中分布到采场周围的高应力区。②工作面液压支架的支撑阻力明显高于平均水平，并且井下宏观矿压显现较为明显。③工作面开采过程中发生了冒顶等现象。通过分析微地震监测数据及其他矿压观测数据相互验证，并结合压力及岩层控制的理论，可以得出当日该工作面进入第二个周期来压阶段，周期来压步距为27 m.

因此综合两次周期来压步距可以得到工作面平均步距为25.2 m.

5、基于微地震监测的来压预测预报模式研究

结合某煤矿工作面初次来压、周期来压的多次预测预报经验，研究确定了基于微地震监测结果为主的来压预测预报模式，即理论推导进行预判，微地震监测进行确定，其他矿压观测进行验证的技术闭环，具体实施步骤如图4所示：

图4实施步骤

6、结 语

本文以微地震监测技术为手段，对于深井开采中的动压显现问题进行了研究，进行了初次来压分析和周期来压分析，并结合多次来压预测预报经验，建立了基于微地震监测结果为主的来压预测预报模式。得到的结论如下：

1)通过理论推导、微地震监测结果分析以及其他矿压观测数据，综合得出工作面周期来压步距为25.2 m.

2)工作面在周期来压期间，顶板岩层运动在微地震监测结果上主要有两个特征：第一，周期来压期间，MS事件数将会出现一个峰值；第二，周期来压期间，顶板岩层由于发生较大能量的剪切破坏或者拉伸破坏，在每日MS事件能量均值图上也会出现一个波峰。因此，结合微地震监测结果和井下宏观矿压显现可以精确地确定周期来压的步距以及来压显现强度。

3)提出了基于微地震监测的工作面及其他工作面来压预测预报的模式，即理论推导进行预判，微地震监测进行确定，其他矿压观测进行验证的技术闭环，实现了工作面来压预测预报的“正规化”。

参考文献:

[1]王宏岩,王猛.深部矿井开采问题与发展前景研究[J].煤炭技术,2008,27(1):3-5.

[2]姬长发,姬晨阳,王展荣,等.冷却服相变蓄冷填充材料特性实验研究[J].煤矿安全,2019,50(7):21-25,30.

[3]赵建领,宋根祥.突出危险煤层综采面综合防突技术[J].现代矿业,2011,27(9):127-128.

[4]李生舟.地应力主导型突出危险煤巷水力扩孔卸压防突技术研究[J].煤炭工程,2020,52(4):97-102.

[5]姜福兴,杨淑华.微地震监测揭示的采场围岩空间破裂形态[J].煤炭学报,2003(4):357-360.

[6]肖鹏,韩凯,双海清,等.基于微震监测的覆岩裂隙演化规律相似模拟试验研究[J].煤炭科学技术,2022,50 (9):48-56.

[7]成云海,姜福兴,张兴民,等.微震监测揭示的C型采场空间结构及应力场[J].岩石力学与工程学报,2007(1):102-107.

[8]孔令海,姜福兴,杨淑华,等.基于高精度微震监测的特厚煤层综放工作面顶板运动规律[J].北京科技大学学报,2010,32(5):552-558,588.

[9]程关文,王悦,马天辉,等.煤矿顶板岩体微震分布规律研究及其在顶板分带中的应用:以董家河煤矿微震监测为例[J].岩石力学与工程学报,2017,36(S2):4 036-4 046.

[10]王帅锋.建新煤矿4206孤岛工作面合理停采煤柱尺寸确定[D].徐州:中国矿业大学,2021.

[11]郭晓朋.不同类型采场冲击地压危险预测体系研究[D].唐山:河北工程大学,2015.

[12]汪浅予.煤矿冲击地压危险特征分析及智能预测预警研究[D].淮南:安徽理工大学,2023.

[13]侯玮,秦玄烨,陈伊涛,等.基于微震监测和多因素耦合法的冲压危险性研究[J].煤炭技术,2016,35(1):110-112.

[14]昌孝存.同煤集团煤矿重大灾害预防与安全保障体系构建及应用研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2019.

[15]薛征,陈政文,吴士良.基于IMU监测的采空区上覆岩层运动规律研究[J].山东煤炭科技,2023,41(4):184-187.

[16]李定超.崔木煤矿特厚煤层采动巷道围岩变形规律及控制技术研究[D].徐州:中国矿业大学,2018.

文章来源:王居潮.深部复杂条件下的综放工作面来压分析[J].煤,2024,33(08):66-69+81.