采动条件下底板潜在导水通道形成的微震监测与数值模拟

第36卷第9期 北京科技大学学报 Vol.36 No.9 2014年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep.2014 采动条件下底板潜在导水通道形成的微震监测与数值 模拟 刘超)，吴顺川)四，程爱平)，周喻)，师克勐2)，李健) 1)北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京1000832)中煤平朔集团有限公司井工一矿，朔州036006 ☒通信作者，E-mail:wushunchuan@ustb.edu.cn 摘要以某矿综放工作面开采过程为背景，利用微震监测技术进行现场监测，并借助有限差分FLAC”进行数值分析，研究 在采动应力场不断变化过程中底板岩体微震破裂事件的时空演化规律，揭示煤层采动条件下潜在导水通道的孕育、发展和贯 通过程.微震监测结果表明：微震事件数一定程度上反映了开采扰动对底板岩体破坏程度的影响：采煤期间，回采工作面附近 微震事件呈现密集分布，底板岩体采动破坏严重，底板破裂深度达15m.数值分析表明：由于煤层采动导致采场周围应力重分 布，工作面前方应力增高，采空区下方应力降低，底板岩体随工作面回采经历了应力集中、释放并最终破坏：底板塑性破坏区 深度达14m. 关键词煤矿开采；扰动：微震分析；数值模拟；突水 分类号TD745 Microseismic monitoring and numerical simulation of the formation of water inrush pathway caused by coal mining LIU Chao,WU Shun-chuan,CHENG Ai-ping",ZHOU Yu,SHI Ke-meng,LI Jian 1)Key Laboratory of the Ministry of Education for Efficient Mining and Safety of Metal Mine,University of Seience and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)First Underground Mine,China National Coal Pingshuo Coal Mining Co..Ld.,Shuozhou 36006,China Corresponding author,E-mail:wushunchuan@ustb.edu.cn ABSTRACT Based on the condition of a fully-mechanized working face,two research means,i.e.microseismic monitoring and FLAC numerical simulation,were introduced to study the formation and evolution of floor failure and water conducted pathways caused by coal mining.The space-time evolution law of microseismic rupture events was studied for the floor rock mass during the changing process of the mining stress field.The process of inoculation,development and penetration of potential water channels was also revealed under the condition of coal mining.Field microseismic monitoring shows that microseismic event accumulation is directly proportional to drilling footage.The number of microseismic events to some extent reflects the disturbance degree of mining activities on the floor rock. The distribution of microseismic events is intensive near the coal mining face,which shows that the floor rock mass is seriously damaged during coal mining.The greatest failure depth of the floor estimated from mine microseismic monitoring is 15 m.Numerical analysis indicates that due to mining disturbance effect,the rock stress around the mine stope is redistributed during coal mining.The abutment pressure increases in front of the coal mining face and the stress reduces in the mined areas.Stress concentration and release make contribution to the destroying of the floor rock.The maximum failure depth is up to 14 m calculated from numerical simulation. KEY WORDS coal mining;disturbance;microseism analysis;numerical simulation;water inrush 收稿日期：2013-04-17 蒸金项目：长江学者和创新团队发展计划资助项目(IRT0950) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.001;http://journals.ustb.edu.cn

第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 年 月 呢 采 动 条件 下底 板潜在 导水通道 形成 的 微震 监测 与 数值 模拟 刘 超 , 吴 顺 川 , 程爱 平 “ , 周 喻、 师 克 勒 , 李 健 北京科技大学金属 矿 山高效开采 与 安全教 育部重点实 验 室 , 北京 中 煤平朔集 团有限公司 井工一 矿 , 朔 州 通信作者 , ： 摘 要 以 某矿综放 工作面开采过程为背景 , 利用 微震监测技 术进行现场监测 , 并借助有 限差分 进行数值 分析 研 究 在采动应力 场 不断变化过程 中底板岩体微震破 裂事件的 时空演化规律 揭示煤层采动条件下 潜在导 水通 道 的 孕育 、 发展和 贯 通过程 微震监测结果 表明 微震事件数一 定程度上 反映了 开采扰动对底板岩体破坏程度 的影响 采煤期 间 , 回 采工 作面 附近 微震事件呈现 密集分 布 底板岩 体采动 破坏 严重 , 底板破裂深 度达 数值分析表 明 ： 由 于煤层采动导致采场周 围 应力 重分 布 工作面前方应力 增 高 , 采空 区下方应力 降低 底板 岩体 随工作 面 回 采 经历 孓 应力 集 中 、 释放并最终 破坏 ； 底 板 塑性 破坏 区 深度达 关键词 煤矿 开采 ； 扰 动 ； 微震分析 ； 数值模拟 ； 突 水 分类号 ’ ’ , , , ： ； ； ； ； 收稿 日 期 ： 基金顼 目 ： 长江学者和 创新团 队 发展计划 资助 项 目 ( ；

·1130 北京科技大学学报 第36卷 我国是世界上煤矿水害最为严重的国家之一， 1工程背景及需求 煤矿开采导致的矿井突水灾害频繁发生，特别是底 板突水，据不完全统计，建国以来全国共发生煤层底 研究区域所在的19106工作面是9号煤的首采 板突水1600多次，淹井228起，死亡1330余人，造 工作面，19106工作面平面图如图1所示.9号煤最 成近100亿t的煤炭资源无法开采，严重威胁着煤 大厚度14.60m,最小厚度10.60m,平均厚度为 炭的安全开采.在煤层开采过程中底板岩体受开采 11.90m.采煤方法为放顶煤综采，综采工作面走向 扰动，发生破裂形成潜在突水通道，当下伏承压水冲 长约3000m,宽度约300m,机采高度3.2m,放煤高 破底板隔水层，将沿导水通道以突发、缓发或滞发的 度9.84m,放煤步距0.8m.工作面南面是19107辅 形式向上涌入工作面采空区形成突水.因此，准确 运巷，北面是矿区北边界，东面是9煤太西辅运巷， 确定底板采动破坏深度及潜在突水通道的形成过程 西面是35断层. 是精确预测底板阻水能力的首要条件，也是进行矿 井突水监测预报的基础.尤其是在受煤层底板水害 威胁严重的煤层开采过程中，更应注意对潜在突水 断 通道形成的监测研究-2]， 辅运巷 目前，煤层底板采动破坏深度的探测方法很多， 19106工作面 主要有水文地质探测孔观测法、钻孔注水试验法、现 工作面推进方向 主运巷 场原位应变法、声波探测技术等3-6].其中，水文地 质探测孔观测法、钻孔注水试验法和声波法需要对 图119106工作面平面图 测点采动前后进行对比测试，采后数据多是在回采 Fig.1 Plane of working face 19106 临近测点时进行测试取得，由于底板变形相对于工 作面推进具有一定的滞后性，因此获取采后数据技 9号煤19106工作面回采期间面临的水害主要 术难度相对较大，且难以实现底板变形破坏的实时 包括奥陶系灰岩岩溶裂隙水害、顶板砂岩水害、断层 监测.利用现场原位应变法研究煤层底板采动破 水害、陷落柱水害和钻孔水害，其中以奥陶系灰岩岩 坏，虽然可以获得煤层底板采前、采后的变形规律， 溶裂隙水害危险最大.19106工作面9号煤顶底板 但该监测方法为点监测或局部监测，监测范围有限 水害赋存位置示意图如图2所示.根据钻孔抽水试 且工作量较大.微震监测技术作为一种从大地地震 验结果，顶板S,、S,砂岩裂隙含水层总体属弱含水 行业转化过来的监测手段，以其实时、动态监测的特 层，而下伏于工作面底板58m处的奥灰含水层岩溶 点，近年来被越来越广泛地应用于采矿工程领 裂隙发育，含水量丰富.受此承压含水层的影响，工 域-].微震监测通过对微震波的接收和定位，能够 作面回采期间，可能出现复杂的突水动态，一旦发生 准确获取岩体内的微震活动事件.由于煤层回采过 底板突水，将造成灾难性的后果，极易淹井.因此， 程中，采场空间和地压布都在不断变化，采动条件 在9号煤回采期间开展底板采动破坏现场监测，研 下潜在突水通道的形成是一个动态演化的过程，因 究潜在突水通道的形成，实现回采过程中工作面底 此将微震监测数据和采矿时空关系有机地联系起 板突水危险性的预警预报显得尤为重要 来，在采动应力场不断演化过程中研究微震事件的 2微震监测方案及精度标定 活动规律，能够更加有效地确定底板采动破坏及潜 在突水通道的形成. 为了实现采动条件下底板突水危险性的实时监 本文基于某矿综放工作面已有的微震监测结 测预警，选用了北京科技大学微地震监测研究中心 果，首先对该工作面监测到的微震活动信息进行详 生产的K551型微震监测系统.通过在工作面周围 细解读，然后通过数值软件模拟煤层回采过程中动 布置检波器，实时采集回采过程中岩体内部的微震 态变化的应力场，来解释和分析岩体内部发生微破 活动事件，并对微震数据进行处理、分析和定位，准 裂的原因和规律，并结合模拟得到的塑性破环范围 确确定采场周围潜在突水通道的空间分布规律，以 判断底板采动破坏深度，研究采动条件下潜在突水 及底板破裂深度，再结合含水层分布情况，最终预测 通道的形成.再结合矿区含水层分布位置情况，最 底板突水的可能性. 终确定带压开采条件下煤层底板突水危险性，实现 针对监测区域的现场实际，综合考虑监测系统 矿井突水的监测预警 走线、供电、信号同步等因素，在19106工作面辅运

? 1 1 3 0 ? 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 我 国是 世界上煤 矿 水 害 最 为严重 的 国 家 之一 , 煤矿 开采导致 的矿井 突水 灾 害频 繁 发 生 特别是 底 板 突 水 , 据不 完全统计 建国 以 来 全国 共发生煤层 底 研究 区域所在 的 工作面是 号煤的 首 采 板突 水 多次 , 淹井 起 , 死 亡 余 人 造 工作面 , 工作 面平面 图 如 图 所示 号煤 最 成 近 亿 的 煤炭 资 源 无法 开 采 , 严重 威 胁着 煤 大 厚度 最 小 厚 度 平 均 厚 度 为 炭 的 安全开采 在煤层开 采过程 中 底板岩体受 开 采 采煤方法为放顶 煤综采 , 综采 工作 面走 向 扰动 , 发 生破裂形 成潜在 突水通 道 , 当 下伏承压水 冲 长约 宽度 约 机采高 度 , 放煤 高 破底 板隔 水层 , 将 沿导 水通道 以 突 发 、 缓发或滞发 的 度 放 煤步距 工作 面南面是 辅 形 式 向 上涌 入 工作 面 采空 区 形 成 突 水 因 此 , 准 确 运 巷 北 面是 矿区 北 边 界 , 东 面 是 煤 太西 辅运 巷 , 确 定底 板采动 破坏深 度及 潜在突 水通 道 的 形成过程 西面是 断层 是精确 预测 底板阻水 能力 的 首 要条 件 也是进行矿 井突 水监测 预报的 基 础 尤其是 在受煤层底 板水害 威胁严重 的 煤层 开采 过程 中 , 更 应 注意 对潜在 突水 , 通 道形成的监测 研究 目 前 , 煤层 底板采动 破坏 深度 的 探测方法很多 , “ 工 作 面 主要有水 规质翻吼删法 、 輒制 试验 法 、 现 砟 推进 向 运 巷 、 ‘ 场原位应 变法 、 声 波探测 技 术等 其 中 水 文 地 质探测 孔 观测 法、 钻孔 注 水 试验法 和 声 波 法需 要对 测点 采动前后 进行对 比 测 试 采后 数据 多 是在 回 采 工 临 近 测 点时进行测 试取得 , 由 于 底 板变 形 相 对 于 工 作 面推进 具有一 定 的 滞后 性 , 因此获取采 后数据 技 号煤 工作 面 回 采期 间 面临 的 水害 主要 术难 度相 对较大 且 难 以 实 现 底板变形 破坏的 实 时 包 括奥 陶 系 灰 岩岩溶裂 隙水害 、 顶 板砂岩水害 、 断层 监测 利用 现 场 原 位 应 变 法 研究 煤层 底 板采 动 破 水 害 、 陷 落柱水 害 和钻孔水害 其 中 以奥 陶 系 灰岩岩 坏 虽然可 以 获 得煤层 底 板采 前 、 采 后 的 变 形 规律 , 溶 裂 隙水 害危 险最 大 工作 面 号 煤 顶底 板 但该 监测方法 为点 监测 或 局部 监测 , 监测 范 围 有 限 水 害赋存位置 示意 图 如 图 所示 根据 钻孔 抽 水试 且 工作量较大 微震监测 技术作为一 种从 大地 地震 验结果 顶板 、 岩裂 隙 含水 层 总 体 属 弱 含 水 行业转化过 来 的 监测 手段 以 其实 时 、 动态监测 的特 层 , 而 下伏 于工作面底板 处的 奥灰含水 层 岩溶 点 , 近 年 来 被 越 来 越 广 泛 地应 用 于 采 矿 工 程 领 裂 隙发 育 含水 量 丰富 受此承压含水层 的影 响 , 工 域 微震监 测通过对微震波 的 接 收和定位 , 能 够 作面 回 采期 间 可能 出现复杂 的 突水 动 态 一 旦发生 准确获取岩 体内 的微震活 动事件 由 于煤 层 回 采过 底板突 水 , 将造 成灾 难性 的 后 果 极易 淹 井 因 此 , 程 中 , 采场 空 间 和地压沐布 都在不断变化 , 采动条件 在 号 煤 回 采 期 间 开 展 底 板采 动 破坏 现 场监测 , 研 下潜在 突水 通道的 形 成是一 个动 态演 化 的 过 程 , 因 究潜在突 水 通道 的 形 成 , 实 现 回采 过程 中 工作 面底 此将微震监测 数据 和 采矿 时 空 关 系 有 机地 联 系 起 板 突水危险性 的预 警预报显 得尤为 重要 来 , 在采动应力 场不 断演化过程 中 研究 微震事 件 的 活动 规律 能 够更 加 有效地 确 定底 板采 动 破坏 及潜 “ 在 突水通 道 的 形成 为 了实 现采动 条件下 底 板突 水危 险性 的 实时监 本文 基 于某 矿 综 放工 作 面 已 有 的 微震 监 测 结 测 预警, 选用 了北 京科技 大 学微地震 监测研 究 中 心 果 首先对该工作 面监测 到 的 微震活 动 信息 进行详 生产 的 型微震监测 系 统 通 过在 工作 面 周 围 细解 读 , 然后通过 数值 软件 模 拟煤层 回 采 过程 中 动 布 置检波器 , 实时 采 集 回 采 过程中 岩体 内 部 的 微震 态 变化的 应力 场 来解 释和分 析岩体 内 部 发生微破 活 动事件 , 并对微 震数 据进 行处理 、 分析和 定位 准 裂 的 原因 和规律 , 并结合模 拟 得到 的 塑性 破坏 范 围 确 确定采场周 围潜在 突 水通 道 的 空 间 分布规律 , 以 判 断底 板采 动破坏深度 研究 采 动 条 件下 潜在 突水 及底 板破裂深度 , 再结合 含水层分布 情况 , 最终预测 通 道 的 形成 再结 合 矿 区 含 水层 分 布位 置情况 , 最 底 板突水 的 可能性 终确定 带压 开采 条件 下煤层 底 板 突 水危 险性 实现 针对 监测 区 域的 现 场实 际 综 合考虑 监 测 系 统 矿井突 水的 监测 预警 走 线 、 供电 、 信号 同 步等 因 素 , 在 工作 面辅 运

第9期 刘超等：采动条件下底板潜在导水通道形成的微震监测与数值模拟 ·1131· 微震监测系统在工作面内安装完毕后，通过放 S,砂岩裂隙含水层 9 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 ⊙s 20m S,砂岩裂隙含水层 目的.标定炮钻孔布置在远离工作面一侧的巷道边 帮上，孔深5m,孔径25mm,钻孔与水平面间的夹角 为10°，距离底板岩层与煤层的交界线即垂深为 58m 2.4m,距工作面一侧巷帮水平投影长4.9m,标定炮 奥陶系石灰岩岩溶裂隙含水层 触发的微震波形图如图4所示. 图29号煤层顶底板水害赋存位置示意图 Fig.2 Sketch map of relative position between coal seam 9 and the water bearing layers 巷布置测区，为了能够精确监测底板采动破裂，兼顾 到可靠性，在位于工作面辅运巷29导线点位置布 设第1个监测钻孔，测区共布置了26个顶板监测 图4标定炮波形 点，25个底板监测点，顶底板交错布置，孔间平均距 Fig.4 Calibration blasting waves 离均为40m,如图3所示. 坐标变换后的炮点定位结果为(4377.5， 19106工作面采室区 67685.5,1024.1),标定点实际坐标为(4371.2， 19106工作面轴运 67684.6,1026.2),误差分别为X=6.3m,Y= 工作面准进方向 顶板 0.9m,Z=2.1m,平均误差3.1m,定位精度能够满 底板 足工程应用. 顶板 3数值模型与计算方案 底板 顶板 数值模拟具有周期短、成本低、结果可靠等优 底板 点，是工程地质分析中重要而有效的方法之一〔1. 顶板 本研究在现场微震监测的基础上，进一步采用 底板 FLAC3D数值计算程序开展煤层开采过程的力学分 顶板 析，研究回采过程应力场及塑性破坏区的演化 底板 规律. 顶板 3.1模型建立 检波器 底板 根据工作面的开采实际，通过对相关地质资料 的综合分析，将研究区内岩层按岩性划分为中砂岩、 图3KJ551微震监测台网布设 Fig.3 Configuration of the seismological observation network of 细砂岩、砂质泥岩、粉砂岩、泥岩、煤层和灰岩.各岩 KJ551 microseismic monitoring system 层具体物理力学参数如表1所示. 表1地层模型各岩层物理力学参数 Table 1 Physical and mechanical parameters of rocks in the geological model 岩石名称 密度/八kgm-3) 体积模量/MPa 剪切模量/MPa 内摩擦角/（°） 内聚力/MPa 抗拉强度/MPa 中砂岩 2483 2600 1425 32 3.63 1.25 细砂岩 2553 3100 1425 28 4.59 1.96 砂质泥岩 2537 2150 1100 4.22 0.61 粉砂岩 2490 4800 3025 4.73 1.69 泥岩 2033 2025 1000 27 3.94 0.15 9号煤 1357 1529 641 9 1.62 0.30 灰岩 2800 2750 2000 30 9.34 3.15

第 期 刘 超 等 ： 采 动 条件下底 板潜 在导水通 道 形 成 的微 霖 监测 与 数值模拟 微震监测 系 统在 工作 面 内 安 装 完 毕后 , 通 过放 「 ) 砂岩 ？ 隙 含水 层 , 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 砂岩裂 隙 含 水 层 目 的 标定 炮钻孔布 置在远 离 工作 面 一 侧的 巷 道边 帮上 , 孔深 , 孔径 钻孔 与水平面 间 的 夹角 为 ° 距 离 底 板 岩 层 与 煤 层 的 交 界 线 即 垂 深 为 距工作 面一 侧 巷帮 水平投影长 , 标定炮 奥 丨 陶 系石 , 岩 岩溶 层 ！ 触发 的 微震波形 图 如 图 所示 … 肥 , ’ 图 号煤层顶 底 板 水害 赋存位 置 示 意 图 “ , 《 “ ■ — — 巷布 置测 区 , 为 了 能 够精确 监测 底板采 动破 裂 , 兼顾 三 “ ‘ ■ 到 可 靠性 在 位 于工作 面辅运 巷 导 线点 位 置 布 ‘ 设第 个 监 测 钻 孔 , 测 区 共 布 置 了 个顶 板 监 测 点 , 个底 板监 测点 , 顶底 板 交 错布 置 , 孔 间 平 均距 离 均 为 , 如 图 所示 坐 标 变 换 后 的 炮 点 定 位 结 果 为 ( 工作 面采 , 标 定 点 实 际 坐 标 为 ( 工作 面辅运 , 误 差 分 别 为 , 丨 工 作 酣隹进 帥 , 平均误差 定位精度 能 够满 足 工程应用 丨 … — 数值 模型 与计算 方案 底板 数 值模拟 具有 周 期 短 、 成 本 低 、 结 果 可 靠 等优 一 ■ 网 点 , 是工 程 地 质分析 中 重要 而有 效的 方法之 一 本 研究 在 现 场 微 震 监 测 的 基 础 上 , 进 一 步 采 用 — 数值计 算程 序 开 展 煤 层 开采 过 程 的 力 学分 析 研 究 回 采 过 程 应 力 场 及 塑 性 破 坏 区 的 演 化 规 律 藤 丨 ？ ° 模型 建 立 “ 根 据工作 面 的 开采 实 际 , 通 过对 相关地质 资料 的综合分 析 将 研究 区 内 岩层按岩性 划 分为 中砂岩 、 「 图 丨 微 监 测 细 砂岩 、 砂质 泥岩 、 粉砂岩 、 泥岩 、 煤层 和灰岩 各岩 层具体物理 力 子参数 如表 所 表 地层模 型各岩层物 理力 学 参 数 岩石名 称 密 度 体 积模 量 剪 切 模 量 内 摩 擦角 。 ) 内 聚 力 抗 拉强 度 中砂岩 细 砂岩 砂质 泥岩 粉 砂岩 泥 岩 号煤 灰 岩

·1132· 北京科技大学学报 第36卷 模拟煤层埋深290m,模型上边界与煤层的距 385000个单元格，404259个节点.构建的数值模拟 离为60m,下边界至奥陶系石灰岩下方60m,煤层 模型如图5(a)所示，图5(b)显示了模拟的工作面 底板隔水层厚度为58m,煤层厚度12m,工作面推 区域.模型采用位移边界条件，前后左右边界约束 进方向为X方向，垂直推进方向为Y方向，竖直方 水平位移，底部边界约束竖向位移，上部边界采用自 向为Z方向，工作面宽300m,工作面模拟开挖长度 由边界.对未模拟岩层简化为均布载荷加在模型的 500m,考虑到边界效应，两侧(Y方向)各留100m 上边界，根据物理力学资料，煤层覆岩平均密度取 煤柱，前后(X方向)各留150m煤柱.据此，确定本 2500kg·m3,计算得到附加岩体自重载荷为 次模型长×宽×高尺寸为800m×500m×190m,共 5.4 MPa. 中粒砂岩 田少 (m) b) 煤层顶板 模拟工作面区域 砂 煤层 工作面推进方向 砂质泥岩 粉砂写 砂质泥岩 泥岩 煤层底板 泥灰岩 陶系灰岩 图5数值模拟模型示意图.(a)模型地层示意图：(b)开采工作面示意图 Fig.5 Sketch of the numerical simulation model:(a)sketch of the stratum model;(b)sketch of the working face 3.2计算方案 ,微震事件 FLAC3D数值模拟过程中采用Mohr-Coulomb塑 性本构模型和Mohr-Coulomb破坏准则对煤层底板 1200 采动破坏特征进行计算，模拟的实际过程采用分步 1150 开挖实现，待模型达到初始应力场平衡后，根据设计 的模型开采步距进行开挖计算，每次开挖20m,一 1050 次采全厚，每次开挖计算5000步，模型最大不平衡 1000 力全程演变曲线显示各模型体系最大不平衡力均趋 950 68000 3800 于零，此后煤层底板破坏范围趋于稳定 767800 4000 回采推进方向，xm 4200 4微震监测与数值计算分析 n 67600 4400 微震监测系统于2012-12-28正式投人使用， 图6微震事件空间分布 以2013-01-01一2013-02-24的监测数据作为研究 Fig.6 Spatial distribution of microseismic events 基础，在近两个月的时间内监测到大量的微震事件， 量的增加而增加，说明微震事件数在一定程度上反 经过波形识别，调整和剔除之后，其中岩石微破裂事 映了开采扰动对周围岩体的影响程度 件为2767个，其空间分布情况如图6所示，每个圆 通过对工作面回采过程进行数值模拟，得到工 球即代表一个微震事件. 作面附近底板应力分布规律如下：受煤层采动影响， 图7为微震事件活动率与时间关系分布.从图 工作面椎进过程中前方煤壁下方底板超前支撑压力 中可以看出，随着每日煤层回采，周围岩体受开挖扰 逐渐增大，当工作面推进超过300m时煤壁前方底 动产生了一定数量的岩体破裂微震事件，而在2013- 板应力最大达到27.8MPa,随后趋于稳定.工作面 01-11至2013-01-26停采期间，由于未受开采扰 底板超前应力分布大致可以划分成三个区域：距工 动，微震事件明显减少.根据每日的监测结果，结合 作面煤壁0~35m为超前支撑压力影响剧烈区： 矿方提供的日进尺数据，绘制相应的累计曲线可以 35~84m为超前支撑压力影响明显区；大于84m处 看出，微震事件累积量增长趋势与累计进尺量基本 为原岩应力区.数值计算得到的原岩应力约为 保持一致，微震事件累积量随着煤层开采累计进尺 7.2MPa,应力峰值区域应力约为27.8MPa,应力集

? 1 1 3 2 ? 北 京 科 技 大 学 学 报 第 卷 模拟 煤 层埋深 , 模 型 上 边界 与 煤 层 的 距 个单元格 个节 点 构建 的 数值模拟 离 为 , 下边 界至 奥 陶 系 石 灰岩 下 方 , 煤层 模型如 图 所示 , 图 显示 了 模拟 的工 作 面 底板 隔 水层 厚度 为 , 煤层厚度 工 作面 推 区 域 模型采用 位移 边 界条件 前后 左右 边界 约 束 进方 向 为 方 向 , 垂直 推进 方 向 为 方 向 , 竖 直方 水平位移 , 底部 边界约束竖 向 位移 , 上部边界采用 自 向 为 方向 , 工 作面宽 , 工作 面模拟 开 挖长度 由 边界 对未 模拟 岩层简化为 均布载 荷加 在模型 的 考虑 到 边 界效 应 , 两侧 方 向 ) 各 留 上边界 , 根据 物 理力 学 资 料 , 煤层 覆 岩平 均 密 度 取 煤柱 前后 方向 ) 各 留 煤 柱 据 此 , 确 定本 计 算 得 到 附 加 岩 体 自 重 载 荷 为 次模 型长 宽 高 尺寸 为 共 中 粒砂 岩 细 砂岩 ( 砂质 泥岩 ■ 如 号 煤 ’ 咁 曰前 泥岩 、 ▲ 』 模拟工 作 面区 域 岩 、 資 系 灰岩 图 数值模 拟 模型示 意 图 ( 模型 地 层示 意 图 ； ( 开采 工 作面 示 意图 ： ； 计算 方 案 微震 事件 数值 模拟 过程 中 采用 塑 性本构模 型 和 破坏 准 则 对煤 层底 板 「 ： 采动 破坏特征进行计 算 , 模拟 的 实 际过 程采 用 分步 ； ‘ 开挖实现 待 模型达到初 始应力 场平 衡后 , 根据设计 ‘ ； “ 的模型开采步距 进行 开挖 计算 , 每 次 开挖 — 次采全厚 , 敏开 挖计算 步 模型 最大不平衡 力 全程 演变 曲 线显示各模型体系 最大不 平衡力 均趋 于零 此后煤层底 板破坏范围趋 于稳 定 乘 淑 微震 监测与 数值计算 分析 微震监测 系 统于 正 式投 人 使用 , 图 微震 事 件 空 间分布 以 — 的监测 数 据作 为研究 ° 基础 , 在近 两个月 的 时间 内监 测 到 大 量的微震事件 , 量 的 增加 而增加 说 明 微震事件数在 一 定 程 度上反 经过 波形 识别 调整 和剔 除 之后 , 其 中 岩石微破裂事 映 了 开采 扰动对周 围 岩体的 影 响 程度 件为 个 其空 间 分 布 情 况如 图 所 示 , 每个 圆 通过对工作 面 回 采过程 进行数值模拟 , 得到工 球 即代表一 个微震 事件 作 面附近 底板应力 分 布规律 如 下 ： 受煤层采动 影响 , 图 为微震事 件活动率与 时 间 关系 分布 从图 工作 面推进过程 中 前方煤壁 下方底板超前 支 撑压力 中 可 以 看出 , 随着 每 日 煤层 回 采 , 周 围 岩体受开挖扰 逐 渐增大 , 当 工 作 面 推进超过 时煤 壁 前方底 动产生 了 一 定 数量的 岩体破裂微震事 件 , 而在 板应 力 最大达 到 随 后趋 于稳定 工作 面 至 停 采 期 间 , 由 于未 受 开 采 扰 底 板超前应力分布 大致 可 以 划 分成 三个 区 域 ： 距工 动 , 微震事件 明显 减 少 根据每 日 的 监测 结 果 , 结合 作 面煤 壁 为 超前支 撑压 力 影 响 剧 烈 区 ； 矿方提供 的 日 进 尺 数据 , 绘制 相 应 的 累 计 曲 线 可 以 为 超前 支撑 压力影 响 明 显 区 ； 大 于 处 看 出 , 微震事件累 积 量增 长趋 势与 累 计进 尺 量 基本 为 原 岩 应 力 区 数 值 计 算 得 到 的 原 岩 应 力 约 为 保持一 致 , 微震事件 累 积 量随 着 煤层 开 采 累 计进尺 , 应 力 峰值 区 域应力 约 为 , 应力 集

第9期 刘超等：采动条件下底板潜在导水通道形成的微震监测与数值模拟 ·1133· 250 ·一每日微餐事件数 a10 3000 (b1180 ·-每日进尺量 一微震事件累计量 200 2500 ·一累计进尺量 150 2000 120 1500 90 100 1000 60 墨 50 500 -21 0 1-31 2013 2013 201 201 2013-02-10 2013-02-20 2013-01-01 2013-01-11 2013-01-21 2013-01-31 2013-02-10 2013-02-20 日期 日期 图7微震事件活动率与时间关系分布 Flg.7 Relationship between the activity rate of microseismic events and time 中系数为3.86.采空区下方的垂直应力较原岩应力 。微震事件 降低，当工作面推进超过300m时采空区中部底板 1150 0~3m处垂直应力减小到1.2MPa,且浅部应力的 固定工作面 1120 减小速度明显快于深部岩体，沿工作面推进方向的 1090 底板垂直应力呈现为“两端大，中间小”的状态.煤 1060采空区 9号煤 层开采垂直应力分布如图8所示 1030 垂直应力MPa 5.9m45.5m 底板破裂包络线 1000 73.6mT89.5m 工作面推进方向 超前影响明显区 -26.966 -19.500 h,一底板破裂深度，15mh,一高位破裂高度，60m h2一低位破裂高度，28m -12.000 超前影响剧烈区 原岩应力区 图9基于固定工作面矿图的徽震事件分布走向割面图 4.5000 Fig.9 Distribution of microseismic events along the strike profile on 1.2325 the fixed working face mining map 图8煤层开采垂直应力分布 Fig.8 Distribution of vertical stress in coal seam mining 显区”（对应图8中“超前支撑压力影响明显区”，即 B区域)；大于89.5m为矿压显现“不明显区”，即原 为了更好地研究微震事件时空分布规律，通过 岩应力区（对应图8中C区域），该区域只有极个别 固定工作面展示方式，将微震定位数据转换到固定 微震事件，对岩体的破裂影响程度不明显，岩体处于 工作面坐标系中，在矿图上实现合成显示[).通过 弹性状态 该方式可以有效判断微震事件超前工作面的分布形 模拟分析与微震实测表明：由于煤层采动导致 态，为确定采动条件下底板破裂深度及潜在突水通 采场周围应力重分布，工作面前方出现应力增高区， 道的形成提供依据.固定工作面是将回采工作面位 采空区下方出现应力低值区.在应力增高区，由于 置固定不动，计算每天的各个微震事件点与工作面 应力集中底板岩体产生了塑性变形，形成剪切破坏， 的相对位置，再将其投影在矿图上，形成了工作面不 在该区域产生了微震事件的密集分布.在采空区下 动，每天微展事件显示在固定工作面周围的特殊显 方应力下降至拉应力，底板岩体产生受拉塑性破坏， 示方式.图9为基于固定工作面矿图的微震事件分 在工作面后方底板内也对应监测到了大量的微震活 布走向剖面图. 动事件.底板随工作面推进经历了应力集中和释 结合数值模拟结果，对固定工作面展示出的微 放，这种应力的变化导致底板岩体破坏，微震破裂事 震事件进行分析发现，微震监测得到的底板微破裂 件聚集现象明显，说明在工作面底板内形成了潜在 事件在超前工作面的分布也对应呈现出三个区域： 突水通道.图9中绘制的底板破裂事件回归包络线 在工作面超前范围0~45.5m为底板岩体采动破裂 显示，工作面底板向下15m、前方45.5m及后方 影响“明显区”（对应图8中“超前支撑压力影响剧 35.9m范围内岩体破裂微震事件密集，该区域内已 烈区”，即A区域)；45.5~89.5m为矿压显现“较明 经形成潜在突水通道，而工作面前方89.5m及后方

第 期 刘 超 等 ： 采 动条 件下 底板潜 在导 水 通道形 成 的微 震监测 与 数值模 拟 一 每 日 微《事 件数 ( 「 ( 一 每 日 进 尺量 。 微 震事 件累 计 量 — ⑷ 累 计进尺 量 八 ‘ — 》 、 、分 》 、 》 、 , 卞 命 命 命 日 期 日 期 图 徽震事 件活 动率与 时 间关 系分 布 中 系 数为 采 空 区下方 的 垂直应力 较原岩应力 降低 当 工作 面推 进超 过 时采空 区 中 部底 板 处垂直应 力 减 小到 , 且浅 部 应力 的 丨 固定 工作 ％ ‘ 减小 速 度 明 显 快于 深部岩 体 沿工作 面 推进 方 向 的 ： ： 底板垂直应力 呈现 为 “ 两端 大, 中 间 小 ” 的 状 态 煤 层 开采垂誠力分布 婦 麻 。 萨 板破‘包络线 — 叫 底板 破裂深度 , ■ 高 位破裂 高 度 , 、 — 低位破裂 高度 , 二 ： 图 基 于 固 定工作面 矿 睡微震事 件分 布 走 向 剖 面 图 图 煤 层开采 垂直应力 分 布 显 区 ” ( 对应 图 中 “ 超 前支撑 压力 影响 明 显 区 ” , 即 区域 ) ； 大 于 为矿 压显现 “ 不 明 显 区 ” , 即 原 为 了 更好 ？ 研究 微震 山 事件 时 律 ’ 通 , 岩应力 区 对应 图 巾 域 ) , 该 区 域只 有 极个别 固定 工 作 醒对式 ’ 腿震 定 位数 赚翻舰 離事件 , 对岩 体随哪糖度不 觀, 岩体处于 工作面 坐标系 中 在矿 图 上实现合成 显示 通 过 该方式 可 以 有細隨震事件纖工倾敝 觀分析与《錢細 ： 自 于煤 縣动 导致 态 , 为 确定采动 条件 下底 板破 裂深度及 潜在 突水通 采场周 围 应 力重分布 , 工作 面前方出 现 应力 增高 区 , 道 的 形 成 提供依据 固 定工作 面是将 回采 工 作 面位 采 空 区 下方 出 现应力 低值 区 在 应 力 增 高 区 , 由 于 置 固定 不 动 , 计算 每 天 的 各个 微震事 件点 与 工作 面 应力 集 中底 板岩体产生 了 塑 性变形 形 成剪切破坏 , 的 相 对位置 再将其, 影在矿图 上 , 形 成了 工作面 不 在该 区 域产 生 了 微震事件的密 集 分布 在采空 区下 动 , 每 天微震事件显 示 在 固 定 工作面 周 围 的 特殊显 方应力 下降 至拉应力 , 底板岩体产生受拉塑 性破坏 , 示 方式 图 为 基于 固 定工作 面矿 图 的微震事 件分 在工作面后方底 板 内 也对应监测 到 了 大量的 微震活 布走向 剖面 图 一 动 事件 底 板随工作 面 推 进经历 了 应 力 集 中 和 释 结 合数值 模拟结 果 , 对 固 定 工 作 面展 示 出 的 微 放 , 这种 应力 的 变化 导致底板岩体破坏 微震破裂 事 震事件进 行分析发 现 微震监 测 得到 的 底板微 破 裂 件聚集 现象明 显 说 明 在工 作 面底 板 内 形成 了 潜在 事件在超前工作面 的 分布 也 对应呈 现 出 三 个 区 域 ： 突水 通道 图 中绘制 的 底板破裂事 件 回 归包 络线 在工作面超前范 围 为底 板 岩体采动破裂 显示 工 作 面 底 板 向 下 、 前 方 及 后方 影 响 “ 明 显 区 ” ( 对应 图 中 “ 超前 支撑 压力 影 响 剧 范 围 内 岩体破 裂微震事 件密集 , 该 区 域 内 已 烈 区 ” , 即 区 域 ) ； 为 矿压 显现“ 较明 经形 成潜在突 水通 道 而 工作面前方 及 后方