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

D0I:10.13374/i.issnl001053x.2010.05.014 第32卷第5期 北京科技大学学报 Vo132 No 5 2010年5月 Journal ofUniversity of Science and Technobgy Bejjing May 2010 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 孔令海1》姜福兴12) 杨淑华)宋金旺4)王存文12) 1)北京科技大学金属矿山高效开采教育部重点实验室.北京100083 2)北京科技大学土木与环境工程学院。北京100083 3)北京科技大学信息工程学院。北京1000834)大同煤矿集团大唐塔山煤矿，大同03003 摘要采用高精度微地震监测技术，研究了微震事件的动态发展规律和分布规律，结合岩石力学和矿山压力与岩层运动理 论，推断得到了特厚煤层综放工作面顶板岩层运动规律.随工作面的推进微震事件先在高位岩层以低密度分布，后在低位岩 层呈高密度分布.。微震事件发生层位与其最大振幅能量和的对比研究表明，微震事件在高度和时间上具有周期性分布规律， 根据矿山压力与岩层运动理论，进而推知特厚煤层综放工作面的项板岩层运动规律.现场支架工作阻力宏观观测表明。研究 得到的特厚煤层综放工作面顶板岩层的周期性运动规律是存在的 关键词特厚煤层：综放开采：微地震监测：微震事件：岩层运动 分类号TD82325+4P6314 Movem ent of roof strata in extra thick coal seam s in top_coal caving m ning based on a high precision m icro_seism ic mon itoring system KONG Ling_hat2)JIANG Fuxng 2,YANG Shuhua)SONG Jnwang,WANG Cunwen 2) 1)Key Laboratory of theMnistry of Educa tion of China orH efficient Mining and Sa fety ofMetalMnes University of Science and Technopgy Bei jing Beijng 100083 China 2)SchoolofCivil and Envirmenl Engineering Universit ofScince and Technopgy Beijing Beijing 100083 China 3)Schoolof hpmaton Engneering University of Sc ience and Techrokgy Beijing Beijng 100083 Chna 4)Datangnshan Colliery DakngMneG xup Da rng037003 Chna ABSTRACT By using an undeground h gh-precisonm icro seimic mon ioring sysem he dynamic development lw and the distri bution pattem ofmicro seismjc events (MS events were analyzed and themovem ent lw of roof strata in extra thick coal seams n he fully mechan ied pp.coal cavng mnng workace was inferred in combination w ith he mne pessure and stratamovem ent heory and the rockm edanics theory Moniorng results show hatMS even ts n hgher strata and pwer strau are of bw-density distributon and hgh-density distributpn respectively Comparative sudies on the horion and maxiu amp liude energy sum ofm icro seis ic waves indicate hatMS even ts reveal period ical distributon n heght and time Furher more the movem ent hw of oof strat in extra hick coal seams in the fly m echanized pp_coal caving m ining workface was inferred Macro observations of support pressure show the con clusion of perpdic movement of roof strata is reasonab le KEY WORDS hick coal seam pp-coal caving microseismicmonitoring microseimic events strata movement 综放开采技术是厚煤层矿区开采技术的发展方 题.塔山煤矿主采煤层平均厚15m以上，属特 向.自1982年以来中国的综放开采研究取得了大 厚近水平煤层，采用低位综放开采技术.开采过程 量成果，解决了厚及特厚煤层开采面临的许多问 中，由于对顶板异常响声、岩层运动高度以及老顶断 收稿日期.2009-06-12 基金项目：国家重点基础研究发展计划资助项目(N92010C边26803片国家自然科学基金资助项目(N040674017N050774012},“十一五" 国家科技支撑计划资助项目(N020D7BAK2404) 作者简介：孔令海(1979-，男，博士研究生：姜福兴(1962-，男.教授.博士生导师，Ema1jaBx吗@163cm

第 32卷 第 5期 2010年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 JournalofUniversityofScienceandTechnologyBeijing Vol.32 No.5 May2010 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 孔令海 1, 2) 姜福兴 1, 2) 杨淑华 3) 宋金旺 4) 王存文 1, 2) 1)北京科技大学金属矿山高效开采教育部重点实验室, 北京 100083 2)北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 3)北京科技大学信息工程学院, 北京 100083 4)大同煤矿集团大唐塔山煤矿, 大同 037003 摘 要 采用高精度微地震监测技术, 研究了微震事件的动态发展规律和分布规律, 结合岩石力学和矿山压力与岩层运动理 论, 推断得到了特厚煤层综放工作面顶板岩层运动规律.随工作面的推进, 微震事件先在高位岩层以低密度分布, 后在低位岩 层呈高密度分布.微震事件发生层位与其最大振幅能量和的对比研究表明, 微震事件在高度和时间上具有周期性分布规律, 根据矿山压力与岩层运动理论, 进而推知特厚煤层综放工作面的顶板岩层运动规律.现场支架工作阻力宏观观测表明, 研究 得到的特厚煤层综放工作面顶板岩层的周期性运动规律是存在的. 关键词 特厚煤层;综放开采;微地震监测;微震事件;岩层运动 分类号 TD823.25 + 4;P631.4 Movementofroofstratainextra-thickcoalseamsintop-coalcavingmining basedonahighprecisionmicro-seismicmonitoringsystem KONGLing-hai1, 2) , JIANGFu-xing1, 2) , YANGShu-hua3) , SONGJin-wang4) , WANGCun-wen1, 2) 1)KeyLaboratoryoftheMinistryofEducationofChinaforHigh-efficientMiningandSafetyofMetalMines, UniversityofScienceandTechnologyBei￾jing, Beijing100083, China 2)SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 3)SchoolofInformationEngineering, UniversityofScienceandTechnologyBeijing, Beijing100083, China 4)DatangtashanColliery, DatongMineGroup, Datong037003, China ABSTRACT Byusinganundergroundhigh-precisionmicro-seismicmonitoringsystem, thedynamicdevelopmentlawandthedistri￾butionpatternofmicro-seismicevents(MSevents)wereanalyzed, andthemovementlawofroofstratainextra-thickcoalseamsinthe fullymechanizedtop-coalcavingminingworkfacewasinferredincombinationwiththeminepressureandstratamovementtheoryand therockmechanicstheory.MonitoringresultsshowthatMSeventsinhigherstrataandlowerstrataareoflow-densitydistributionand high-densitydistribution, respectively.Comparativestudiesonthehorizonandmaximumamplitudeenergysumofmicro-seismicwaves indicatethatMSeventsrevealperiodicaldistributioninheightandtime.Furthermore, themovementlawofroofstratainextra-thick coalseamsinthefullymechanizedtop-coalcavingminingworkfacewasinferred.Macro-observationsofsupportpressureshowthecon￾clusionofperiodicmovementofroofstrataisreasonable. KEYWORDS thickcoalseam;top-coalcaving;microseismicmonitoring;microseismicevents;stratamovement 收稿日期:2009--06--12 基金项目:国家重点基础研究发展计划资助项目(No.2010CB226803);国家自然科学基金资助项目(No.40674017, No.50774012);“十一五 ” 国家科技支撑计划资助项目(No.2007BAK24B04) 作者简介:孔令海(1979— ), 男, 博士研究生;姜福兴(1962— ), 男, 教授, 博士生导师, E-mail:jiangfuxing1@163.com 综放开采技术是厚煤层矿区开采技术的发展方 向 .自 1982年以来,中国的综放开采研究取得了大 量成果 , 解决了厚及特厚煤层开采面临的许多问 题 [ 1--6] .塔山煤矿主采煤层平均厚 15 m以上, 属特 厚近水平煤层 , 采用低位综放开采技术 .开采过程 中, 由于对顶板异常响声 、岩层运动高度以及老顶断 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2010.05.014

第5期 孔令海等：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 ·553 裂步距等不清楚，每支架平均工作压力12000k的 近似对称，工作面上下端头覆岩破坏高度基本一致， 液压支架仍出现了压架现象，现场也缺乏有效监测 即上下端头覆岩破裂范围和支承压力分布规律近似 手段.对类似塔山煤矿煤厚15m以上一次采全厚 对称.因此根据矿山压力与岩层运动理论，对工作 综放工作面顶板运动规律等方面的研究，尚未见国 面一侧覆岩层运动的监测即可推断整个工作面的覆 内外相关文献报道.因此，有必要深入研究特厚煤 岩运动规律. 层综放工作面的岩层运动规律，以指导工作面安全 根据众多学者己有对长壁工作面岩层运动规律 科学开采，为特厚煤层综放工作面高产高效提供 和顶板结构的研究成果4-以及塔山煤矿8103 保障. 工作面现场开采条件，高精度微震监测范围选取在 微地震监测技术是一种基于交叉学科的新技 该工作面回风巷进行监测. 术，该技术采用震动定位原理，在监测区域周围附近 为了能够精确监测岩层断裂位置，提高微震监 空间内布置多组检波器实时采集因岩层破裂而产生 测的精度，同时考虑到可靠性，在回风巷距离工作面 的微震数据，经过数据处理和定位后，可确定发生破 切眼250~680m的范围内安装20组三分量检波 裂的位置，并在三维空间上显示出来.国内外学者 器，分别布置在工作面下回风巷顶板岩层和底板岩 对此进行了大量卓有成效的研究，取得了很多有价 层的钻孔中.安装在钻孔中的相邻两组三分量检波 值的成果6-1，该技术也日益成为监测因采动引起 器的间距为30四检波器布置采取区域内集中式布 的岩层运动的最为有效的研究手段之一. 置.由于微地震监测信号的有效区域一般在200~ 本文采用北京科技大学自主研发的高精度微地 300?坚硬岩层断裂的监测距离可以达到1000m 震监测技术域称集中式微地震监测技术，对特厚 以上.因此目前的测区可以覆盖走向800四顺槽 煤层综放工作面覆岩运动规律进行了监测和研究. 两侧各300m的区域. 微震监测系统在工作面顺槽安装完毕后，通过 1高精度微地震监测系统的精度标定 放炮进行系统原位的精度标定，以达到检验系统工 开采煤层为水平煤层，工作面为四周实体煤开 作状态和获得微地震波在该工作面岩层的传播参数 采，根据矿山压力和岩层运动理论，四周实体煤 的目的.标定炮钻孔口部设在回风巷道的底板岩 开采后覆岩层下沉盆地成“O”形.当工作面推进到 层距离切眼464四钻孔朝向开采工作面一侧的底 一定距离后，最大破裂高度不再扩展，空间结构尺度 板岩层打钻，钻孔与水平面间的夹角为45，距离底 参数进入相对稳定阶段.当不考虑地质构造，地层 板岩层与煤层的交界线即垂深为4.6四距工作面 为水平各向同性介质时，沿推进方向以工作面中部 一侧巷帮水平投影长46四标定炮触发的微地震 为对称轴，可认为四周实体煤开采工作面上下端头 波波形见图1. aHo-WAN3MrEt 电A牌 固 长1-4州14)-2654349./5236 K> 个大携渐54349 （ D 3 图1各组检波器接收到的标定炮波形图(a)和边检波器接收到的标定炮波形放大图() Fig 1 Calbration blast ng waves rece ived from differentgoups of derecors a)and enla gmentofcalibration blasting waves rece ived fron De tec or 也(b 利用布置在钻孔内检波器接收到的微地震波初 波器的距离可通过计算得到，每个检波器之间的距 始到时结合各检波器的空间坐标确定波速.钻孔中 离差除以爆破波形到达对应检波器的时间差，即可 检波器的坐标己知，检波器接收的微地震波的初始 以得到一个速度值，如此得出一系列的速度值，即为 到时可通过波形信息得到，放炮震源点至各底板检 微地震波的传播速度见表1

第 5期 孔令海等 :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 裂步距等不清楚 ,每支架平均工作压力 12 000 kN的 液压支架仍出现了压架现象 ,现场也缺乏有效监测 手段.对类似塔山煤矿煤厚 15 m以上一次采全厚 综放工作面顶板运动规律等方面的研究, 尚未见国 内外相关文献报道.因此 , 有必要深入研究特厚煤 层综放工作面的岩层运动规律 ,以指导工作面安全 科学开采, 为特厚煤层综放工作面高产高效提供 保障. 微地震监测技术是一种基于交叉学科的新技 术 ,该技术采用震动定位原理, 在监测区域周围附近 空间内布置多组检波器实时采集因岩层破裂而产生 的微震数据 ,经过数据处理和定位后 ,可确定发生破 裂的位置,并在三维空间上显示出来.国内外学者 对此进行了大量卓有成效的研究, 取得了很多有价 值的成果 [ 6--13] ,该技术也日益成为监测因采动引起 的岩层运动的最为有效的研究手段之一. 本文采用北京科技大学自主研发的高精度微地 震监测技术 (或称集中式微地震监测技术 ), 对特厚 煤层综放工作面覆岩运动规律进行了监测和研究. 1 高精度微地震监测系统的精度标定 开采煤层为水平煤层 ,工作面为四周实体煤开 采 ,根据矿山压力和岩层运动理论 [ 14] , 四周实体煤 开采后覆岩层下沉盆地成 “O”形 .当工作面推进到 一定距离后 ,最大破裂高度不再扩展 ,空间结构尺度 参数进入相对稳定阶段.当不考虑地质构造 ,地层 为水平各向同性介质时 , 沿推进方向以工作面中部 为对称轴,可认为四周实体煤开采工作面上下端头 近似对称 ,工作面上下端头覆岩破坏高度基本一致, 即上下端头覆岩破裂范围和支承压力分布规律近似 对称 .因此, 根据矿山压力与岩层运动理论, 对工作 面一侧覆岩层运动的监测即可推断整个工作面的覆 岩运动规律. 根据众多学者已有对长壁工作面岩层运动规律 和顶板结构的研究成果 [ 2--3, 14--15]以及塔山煤矿 8103 工作面现场开采条件 ,高精度微震监测范围选取在 该工作面回风巷进行监测. 为了能够精确监测岩层断裂位置, 提高微震监 测的精度 ,同时考虑到可靠性 ,在回风巷距离工作面 切眼 250 ～ 680 m的范围内安装 20 组三分量检波 器, 分别布置在工作面下回风巷顶板岩层和底板岩 层的钻孔中.安装在钻孔中的相邻两组三分量检波 器的间距为 30 m,检波器布置采取区域内集中式布 置.由于微地震监测信号的有效区域一般在 200 ～ 300 m,坚硬岩层断裂的监测距离可以达到 1 000 m 以上 .因此, 目前的测区可以覆盖走向 800 m、顺槽 两侧各 300 m的区域 . 微震监测系统在工作面顺槽安装完毕后, 通过 放炮进行系统原位的精度标定, 以达到检验系统工 作状态和获得微地震波在该工作面岩层的传播参数 的目的.标定炮钻孔口部设在回风巷道的底板岩 层, 距离切眼 464 m,钻孔朝向开采工作面一侧的底 板岩层打钻,钻孔与水平面间的夹角为 45°,距离底 板岩层与煤层的交界线即垂深为 4.6 m, 距工作面 一侧巷帮水平投影长 4.6 m, 标定炮触发的微地震 波波形见图 1. 图 1 各组检波器接收到的标定炮波形图(a)和 B2检波器接收到的标定炮波形放大图(b) Fig.1 Calibrationblastingwavesreceivedfromdifferentgroupsofdetectors(a)andenlargementofcalibrationblastingwavesreceivedfromDetector B2 (b) 利用布置在钻孔内检波器接收到的微地震波初 始到时结合各检波器的空间坐标确定波速.钻孔中 检波器的坐标已知, 检波器接收的微地震波的初始 到时可通过波形信息得到 , 放炮震源点至各底板检 波器的距离可通过计算得到, 每个检波器之间的距 离差除以爆破波形到达对应检波器的时间差, 即可 以得到一个速度值 ,如此得出一系列的速度值,即为 微地震波的传播速度,见表 1. · 553·

。554" 北京科技大学学报 第32卷 表1岩层波速度计算 Table 1 MS wave speed calculations 底板 距离差/m 到时差ms 速度/(mms~1) 底板 距离差/m 到时差/ms 速度/(mms1) C1-E2 7312 17.07 428 C2-E3 11681 2873 406 Q-2 12889 3015 427 2-f 151.66 38.9 391 D1-2 6308 15.08 418 D2- 5291 12.80 413 D1- 11885 2816 422 D2-FI 8894 229 386 - 55.77 13.08 426 3-f 4000 9.6 401 塔山煤矿顶板和底板岩层微地震波的传播速度 由于震源性质和传播介质的差别，定位精度将 分别为424m·ms1和3.99m·ms,平均为 出现波动，平均能够达到10以内的精度. 4.12mms1 2微震事件的动态发展规律和分布规律 坐标变换后的标定点定位结果为(543899.3 4425089.31009.1,标定点实际坐标为 2.1微震事件的动态发展规律 (543900.94425097.51009.3,误差分别为X= 为便于说明问题，选取监测期间的2007年11 0.6四Y=82四Z=0.2四平均误差3.0四定位精 月2日至11月29日的高精度微地震监测结果作为 度能够满足工程应用. 研究分析的基础数据，见图2和图3 11月2日11月3日1月4日11月5日11月6日11月7日11月8日11月9日11月10日11月11日 T中P中4T 11月12日 11月13日11月15日11月16日11月17日 11月18日11月19日11月20日 ■” 11月21日11月22日11月23日11月24日 11月25日11月26日11月27日11月28日11月29日 图2207年11月每天微震事件沿走向的动态分布规律正方形网格边长为50四黑色粗线毁为煤层) Fg2 Daily dyna ic distrbution hw ofMS events along the strke n November2007 one squre grid side for50m thick black line pr cob 图2为每天微震事件沿走向方向的分布规律， 最大高度较前几日都大，11月7日发生的微震事件 图3为每天微震事件沿倾向方向的分布规律，图中 位置距离煤层的最大高度（与11月4日和5日发生 横坐标代表工作面推进距离，纵坐标表示岩层的高 的微震事件位置距离煤层的最大高度基本在一个岩 度，相邻网格间距为50四红色圆点代表某时刻岩 层层位).11月12日发生的微震事件位置距离煤 层中的一个微震事件发生的位置. 层的最大高度较8日、9日、10日和11日都大，与 由图2和图3可知，发生在11月2日的微震事 11月6日发生的微震事件震源距离煤层的最大高度 件分布在低位岩层随工作面的推进，11月4日发 基本在一个岩层层位.通过图2和图3可知，11月 生的微震事件位置距离煤层的最大高度较2日和 17日、21日、24日和29日发生的微震事件位置距 3日大，11月6日发生的微震事件位置距离煤层的 离煤层的最大高度又循环出现，与11月6日和

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 表 1 岩层波速度计算 Table1 MSwavespeedcalculations 底板 距离差 /m 到时差 /ms 速度 /(m·ms-1) C1--E2 73.12 17.07 4.28 C1-F2 128.89 30.15 4.27 D1--E2 63.08 15.08 4.18 D1-F2 118.85 28.16 4.22 E2-F2 55.77 13.08 4.26 底板 距离差 /m 到时差 /ms 速度 /(m·ms-1) C2--E3 116.81 28.73 4.06 C2--F1 151.66 38.69 3.91 D2--E3 52.91 12.80 4.13 D2-F1 88.94 22.99 3.86 E3--F1 40.00 9.96 4.01 塔山煤矿顶板和底板岩层微地震波的传播速度 分别为 4.24 m· ms -1 和 3.99 m· ms -1 , 平均为 4.12 m·ms -1 . 坐标变换后的标定点定位结果为 (543 899.3, 4 425089.3, 1 009.1 ), 标 定 点 实 际 坐 标 为 (543 900.9, 4 425 097.5, 1 009.3),误差分别为 X= 0.6m, Y=8.2 m, Z=0.2 m,平均误差 3.0 m,定位精 度能够满足工程应用 . 由于震源性质和传播介质的差别, 定位精度将 出现波动 ,平均能够达到 10 m以内的精度. 2 微震事件的动态发展规律和分布规律 2.1 微震事件的动态发展规律 为便于说明问题 , 选取监测期间的 2007年 11 月 2日至 11月 29日的高精度微地震监测结果作为 研究分析的基础数据,见图 2和图 3. 图 2 2007年 11月每天微震事件沿走向的动态分布规律(正方形网格边长为 50m, 黑色粗线段为煤层) Fig.2 DailydynamicdistributionlawofMSeventsalongthestrikeinNovember2007 (onesquaregridsidefor50m, thickblacklineforcoal) 图 2为每天微震事件沿走向方向的分布规律 , 图 3为每天微震事件沿倾向方向的分布规律 , 图中 横坐标代表工作面推进距离 ,纵坐标表示岩层的高 度 ,相邻网格间距为 50 m, 红色圆点代表某时刻岩 层中的一个微震事件发生的位置. 由图 2和图 3可知 ,发生在 11月 2日的微震事 件分布在低位岩层, 随工作面的推进 , 11月 4日发 生的微震事件位置距离煤层的最大高度较 2日和 3日大, 11月 6日发生的微震事件位置距离煤层的 最大高度较前几日都大 , 11月 7日发生的微震事件 位置距离煤层的最大高度(与 11月 4日和 5日发生 的微震事件位置距离煤层的最大高度基本在一个岩 层层位).11 月 12日发生的微震事件位置距离煤 层的最大高度较 8 日、9 日、10日和 11 日都大 , 与 11月6日发生的微震事件震源距离煤层的最大高度 基本在一个岩层层位.通过图 2和图 3可知, 11月 17日、21日、24 日和 29 日发生的微震事件位置距 离煤层的最大高度又循环出现 , 与 11 月 6 日和 · 554·

第5期 孔令海等：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 555 11月2日 11月3日 11月4日 11月5日 11月6日 11月7日 11月8日 11月9日 11月10日 11月11日 11月12日 11月13日 11月15日 11月16日 。。 11月17日 11月18日 11月19日 11月20日 11月21日 11月22日 TI月23日 0”0 11月24日 11月25日 11月26日 11月27日 11月28日 11月29日 图32007年11月每天微震事件沿倾向的动态分布规律（相邻平行线段间距为50四黑色较粗线段为煤层） Fig 3 Daily dynam ic distrbution lv ofMS events apng the dp nNovember 2007 pam llelp the adjacent segment pr the space50m thick back lne for coab 12日发生的微震事件位置距离煤层的最大高度基 150层位岩层内分布的微震事件密度大. 本在一个岩层层位距离煤层约150m,.同理可得： 图4为煤层上部不同高度岩层的微震事件高度 发生在距离煤层约75m岩层层位的微震事件的发 对比.从图4中可以看出，高位岩层破裂诱发的事 生发展具有周期性规律：而低位岩层集中在约50m 件呈低密度分布规律，而低位岩层破裂诱发的微震 以内冲的微震事件较为密集，几乎每天都有出现. 事件呈现高密度分布规律.这说明低位岩层的破裂 因此，微震事件的动态发展规律为：微震事件首 程度大，而高位岩层的破裂程度较小，反映了采动对 先在高位岩层发生，且高位岩层微震事件的分布密 不同高度层位的岩层的破坏程度是不同的.这与前 度较地位岩层小；随工作面推进，微震事件向低位岩 人在直接顶、老顶破裂方面的研究是一致的. 层发展，且低位岩层分布的微地震时间密度相对高 3高精度微地震监测结果分析 位岩层微震事件的分布密度要大. 综合上述分析，在煤层上部0~50m层位岩层， 3.1微震事件在高度上的分布规律 微震事件密集发生：在50~75m和75~150m层位 将图4中每天微震事件发生的最大高度层位进 岩层，微震事件周期性发生，岩层破裂的高度稳定在 行对比研究，可得到如图5所示的每天微震事件发 150m层位的岩层. 生层位的最大高度对比曲线. 2.2微震事件在高位岩层中的分布规律 从图5中可以看出，分布在75~150m高位岩 根据图2和图3微震事件在高度上的动态发展 层中的微震事件和分布在50~75m层位岩层及以 规律，由岩石力学理论和矿山压力理论可知，随工作 下层位岩层中的微震事件每隔一定时间都会周期性 面推进，高位岩层先运动，然后高位岩层的断裂下沉 出现，且发生在高位岩层中的微震事件出现的周期 强迫低位岩层的断裂运动，50~75m层位岩层和 (大周期)较发生在50~75m层位低位岩层中微震 75~150层位岩层断裂具有周期性规律，且低位岩 事件出现的周期（小周期）时间长，一般一个大周期 层（煤层上部0~50m)的微震事件密度较75~ 里包含若干个小周期

第 5期 孔令海等 :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 图 3 2007年 11月每天微震事件沿倾向的动态分布规律(相邻平行线段间距为 50m, 黑色较粗线段为煤层) Fig.3 DailydynamicdistributionlawofMSeventsalongthedipinNovember2007 (paralleltotheadjacentsegmentforthespace50m, thickblack lineforcoal) 12日发生的微震事件位置距离煤层的最大高度基 本在一个岩层层位(距离煤层约 150 m).同理可得 : 发生在距离煤层约 75 m岩层层位的微震事件的发 生发展具有周期性规律;而低位岩层 (集中在约 50 m 以内)中的微震事件较为密集, 几乎每天都有出现. 因此,微震事件的动态发展规律为:微震事件首 先在高位岩层发生, 且高位岩层微震事件的分布密 度较地位岩层小 ;随工作面推进 ,微震事件向低位岩 层发展 ,且低位岩层分布的微地震时间密度相对高 位岩层微震事件的分布密度要大. 综合上述分析,在煤层上部 0 ～ 50 m层位岩层 , 微震事件密集发生;在 50 ～ 75 m和 75 ～ 150 m层位 岩层, 微震事件周期性发生 ,岩层破裂的高度稳定在 150m层位的岩层. 2.2 微震事件在高位岩层中的分布规律 根据图 2和图 3微震事件在高度上的动态发展 规律, 由岩石力学理论和矿山压力理论可知,随工作 面推进 ,高位岩层先运动, 然后高位岩层的断裂下沉 强迫低位岩层的断裂运动, 50 ～ 75 m层位岩层和 75 ～ 150 m层位岩层断裂具有周期性规律 ,且低位岩 层 (煤层上部 0 ～ 50 m)的微震事件密度较 75 ～ 150 m层位岩层内分布的微震事件密度大 . 图 4为煤层上部不同高度岩层的微震事件高度 对比 .从图 4中可以看出, 高位岩层破裂诱发的事 件呈低密度分布规律 ,而低位岩层破裂诱发的微震 事件呈现高密度分布规律.这说明低位岩层的破裂 程度大,而高位岩层的破裂程度较小,反映了采动对 不同高度层位的岩层的破坏程度是不同的 .这与前 人在直接顶、老顶破裂方面的研究是一致的 . 3 高精度微地震监测结果分析 3.1 微震事件在高度上的分布规律 将图 4中每天微震事件发生的最大高度层位进 行对比研究,可得到如图 5所示的每天微震事件发 生层位的最大高度对比曲线 . 从图 5 中可以看出 ,分布在 75 ～ 150 m高位岩 层中的微震事件和分布在 50 ～ 75 m层位岩层及以 下层位岩层中的微震事件每隔一定时间都会周期性 出现 ,且发生在高位岩层中的微震事件出现的周期 (大周期)较发生在 50 ～ 75 m层位低位岩层中微震 事件出现的周期(小周期 )时间长 ,一般一个大周期 里包含若干个小周期. · 555·

556 北京科技大学学报 第32卷 175 150 125 100 爱 5 25F 日期 A一高密度周期性破裂：B一密集破裂：C一高位岩层低密度破裂：D一低位岩层高密度破裂 图4不同高度岩层微震事件分布规律 Fg4 MS events distrbution n heght 150 100 步距 21.4m 39.25m 374m 615 2358m 日期 图52007年11月每天微震事件发生的最大高度 Fg 5 Maxmum heght of daily MS events in Novmber2007 3.2微震事件的能量分布特征 量纲为1). 检波器接收到的每天微地震波的能量和的分布 由图6可以发现，每天微震事件能量和的分布 情况见图6在图6中，每个微震事件的能量选择振 具有明显的周期性规律，每隔几天微震事件的能量 幅最大的能量代表该微震事件的检波器接收能量值 和达到极大值。 7 ●高位岩层周期破裂 6 裂3 日期 图62007年11月每天微震事件能量和分布情况 Fg6 Enegy sum of dail MS events n November2007 3.3微震事件分布规律综合研究 例如，11月5日的能量和较11月6日的能量 通过对微震事件发生发展的高度规律和能量和 和要大，但是11月6日岩层发生断裂的层位却比 的分布规律的研究可知，50~75层位和75~150m 11月5日要高，这说明高位岩层的断裂运动是在11 层位的微震事件具有周期性分布规律. 月5日和11月6日发生的.高位岩层断裂后，随工

北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 图 4 不同高度岩层微震事件分布规律 Fig.4 MSeventsdistributioninheight 图 5 2007年 11月每天微震事件发生的最大高度 Fig.5 MaximumheightofdailyMSeventsinNovember2007 3.2 微震事件的能量分布特征 检波器接收到的每天微地震波的能量和的分布 情况见图 6.在图 6中 ,每个微震事件的能量选择振 幅最大的能量代表该微震事件的检波器接收能量值 (量纲为 1). 由图 6可以发现 ,每天微震事件能量和的分布 具有明显的周期性规律, 每隔几天微震事件的能量 和达到极大值 . 图 6 2007年 11月每天微震事件能量和分布情况 Fig.6 EnergysumofdailyMSeventsinNovember2007 3.3 微震事件分布规律综合研究 通过对微震事件发生发展的高度规律和能量和 的分布规律的研究可知 , 50 ～ 75m层位和 75 ～ 150 m 层位的微震事件具有周期性分布规律 . 例如 , 11 月 5 日的能量和较 11 月 6 日的能量 和要大,但是 11 月 6日岩层发生断裂的层位却比 11月 5日要高 ,这说明高位岩层的断裂运动是在 11 月 5日和 11月 6日发生的.高位岩层断裂后 ,随工 · 556·