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摘 要：为定量分析煤矿采场支承压力分布特征，采用微地震监测技术对采场支承压力进行了研究。提出了一种能够显著提高震源定位精度的速度模型反演方法，构建了求解分层速度模型的目标函数。在陕西省境内某矿布置井地联合微震监测系统，并采用标定炮的方式验证了水平分层速度模型井地联合监测方案的定位精度明显高于近水平单一速度模型监测方案。采用水平分层速度模型对监测区域内微震事件进行高精度定位，并结合矿山压力理论，对采场支承压力分布规律与微震事件频次、能量之间的特征进行了研究。结果表明：正常回采过程中受采动影响的超前支承压力范围是工作面前方0～90 m，工作面前方40～70 m范围内为高应力集中区，上、下顺槽的侧向支承压力影响范围分别为0～70 m和0～80 m;研究结果为微地震监测技术在矿山工程领域的应用提供了一定的参考依据。
关键词：支承压力;微地震监测;微震定位
中图分类号：TD 323 文献标志码：A
DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0409 文章编号：1672-9315（2019）04-0619-07
Abstract：In order to quantitatively analyze the characteristics of abutment pressure distribution in coal stope，a study is made of the abutment pressure of stope using microseismic monitoring techniques.A new inversion method of velocity model is proposed in order to improve the accuracy of microseismic location，and the objective function for solving stratified velocity model is constructed as well.Mine ground joint microseismic monitoring system is arranged in a certain mine in Shaanxi Province.By using the method of calibration blasting，it is verified that the positioning accuracy of the horizontal stratified velocity model is obviously higher than that of the near horizontal single velocity model.Horizontal stratified velocity model is adopted to locate microseismic events with higher accuracy in the monitored area.With the theory of mine pressure in view，the characteristics of the distribution of abutment pressure in stope and the frequency and the energy of microseismic events are examined.The results show that：in normal mining process，the range of lead abutment pressure affected by mining movement is 0～90 m in front of the working face，and the range of 40～70 m ahead of the working face is a high stress concentration area with the influenced range of the lateral abutment pressure on the upper and lower roadways being 0～70 m and 0～80 m respectively.The results provide a reference to the application of microseismic monitoring technology in the field of mine engineering.
Key words：abutment pressure;microseismic monitoring;microseismic source location
0 引 言
采场支承压力是地下煤层开采后原岩应力重新分布的结果。采场支承压力的分布规律一直是矿山压力控制的重要研究内容之一，采场支承压力分布特征可为回采巷道煤柱宽度的确定、工作面顺槽超前支护距离和支护强度、防止冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害的发生提供依据[1]。目前，对采场支承压力分布特征及计算方法进行了大量的理论研究，对解决采场来压等问题起到了重大作用[2-4]。一些學者采用数值模拟和相似材料模拟等技术对开采过程中采场支承压力的动态变化规律进行了研究[5-10]。微地震监测技术在矿山开展了广泛应用[11-17]，通过定量的分析微震事件频次、能量与采场支承压力分布之间的关系，可为确定回采过程中超前支护距离等参数提供重要的参考依据。
采用微地震监测技术研究采场支承压力，均以工作面附近微震事件的分布特征为主要出发点，微震事件的分布特征严重依赖震源定位精度，但对震源定位精度问题一直缺乏深入的讨论与分析。 地层速度是影响微地震震源定位精度的重要因素，建立满足震源精确定位要求的监测区弹性波速度模型一直是矿山微地震监测面临的技术难题。目前，常用的速度模型为单一速度模型，即假定监测区域为均匀介质。对于监测区域较小、岩性较单一的区域而言，单一速度模型具有一定的合理性，它既能保证震源定位精度，又利于震源定位算法的快速稳定实现[18-20]。但在众多工程实践中，监测区域岩体多具有层状速度分区特征，岩体的波速并非单一，此时如果采用单一速度模型定位将会产生较大的误差。一些专家学者在非均匀模型上做出了不同的探索。Collins等比较了匀速模型与变速模型，并考虑了不同岩性和带洞穴的岩体，发现可变速度模型能够有效减小定位误差[21]。巩思园等针对采煤工作面顶板岩层的层状赋存和离层带的特点，构建了矿井尺度的微震监测系统“异向波速模型”，经爆破信号验证定位精度明显优于统一简化波速模型[22]。贾宝新等基于惠更斯原理建立了矿震波在层状非均匀介质中的三维传播模型，对经典线性定位方法进行了改进使其适合于非均匀分层介质，提高了定位精度[23]。戴峰等针对波速分层的区域岩体，在异向波速模型的基础上，建立分层速度定位目标函数，提出由3个模块组成分层速度定位模型，经验证比单一速度定位模型更加合理[24]。这些算法在一定程度上都提高了震源定位的精度，但是复杂岩体速度模型的建立及射线追踪的实现需耗费较长的计算时间且不利于算法的稳定。
文中提出一种新的速度模型反演方法，构建了求解速度模型的目标函数。以陕西省境内某矿为工程背景，采用标定炮的方式，验证了分层速度模型井地联合监测方案的震源定位精度，在高精度震源定位的基础上对采场支承压力分布特征进行分析。
1 高精度微震定位方法
1.1 分层速度模型目标函数
1.2 微震监测台网布置方式
当前煤矿微震监测系统多为井下近似平面布置或地面近似平面布置，这种近似平面布置的监测系统对提高垂直方向的定位精度十分不利。为满足三维高精度微震监测的需要，应在改进算法的同时，探索出更为合适的微震观测系统。
采用地面与井下巷道同时布置微震检波器，即“井-地”联合微震监测，待监测区域处于井下与地面检波器构成的监测网络的中心，图1为井地联合微震监测系统示意图。
2 震源定位精度测试
选取陕西省境内某矿首采面作为研究对象，该矿位于彬长矿区西北部，主采煤层为4#煤层，工作面煤层埋深1 000 m左右，其走向长360 m，宽130 m，煤层为近水平煤层，平均厚度10 m，采用综放开采技术。
该矿安装微震监测系统后，一直采用单一速度模型、井下布置检波器的方式进行震源定位，应用过程中发现震源定位结果较为分散，无法为矿方制定安全措施提供参考依据。经分析发现，该矿井煤层埋藏深度较大，顶板岩性复杂多变，单一速度模型无法满足定位需求。
为验证所述分层速度模型、井-地联合监测方案的定位效果，在该矿首采面顺槽内和工作面上方地面分别布置微震监测分站，并采用在工作面顺槽内放炮的方式进行分析验证。井地联合监测系统布置方案如图3所示（图中坐标均为相对坐标）。标定炮位置已知，共四炮，人工拾取P波初至到时。依据该矿钻孔柱状图等资料，将井下至地表的地层划分为3层，选取标定炮中任意一炮数据，采用本文方法反演該地区速度模型，波速反演结果见表1.图4为反演速度所用标定炮的波形及初至拾取情况，前8道为地面波形数据，后6道为井下波形数据，地面数据与井下数据均信噪比良好。
为验证反演结果准确性，应用反演得到的速度对另外三炮进行定位，层状速度模型和单一速度模型的定位结果与标定炮真实位置的误差分析见表2.从表2可以看出，层状速度模型的定位结果与标定炮真实位置十分接近，定位精度明显高于单一速度模型。
3 基于微震监测的采场支承压力特征
采场围岩支承压力是上覆岩层运动的结果，上覆岩层破裂、失稳过程中，伴随着微震事件的发生。大量研究及实践表明：采动影响下煤岩体的破裂区域与高应力差区域具有高度的一致性，与应力集中区十分接近。因此，根据采场微震事件的时空分布特征，可以推断围岩破裂场的范围和采动影响下采场支承压力的分布情况。 采用文中所述震源定位方法，选取工作面正常回采过程中一段时期的微震数据进行震源定位。由于微震事件的发生区域随着工作面的推进有规律的前移，因此假定工作面位置固定不变，根据震源定位结果及工作面回采进度，计算出每个微震事件相对于固定工作面的相对坐标[13]。微震事件定位结果平面图如图5所示，图5中代表微震事件的小圆点直径越大表示微震事件能量越强，图5中黑色竖线表示固定工作面的位置。对监测区域内的定位结果进行综合分析，由微震事件定位平面图可将微震事件高发区域概括为4个区域：Ⅰ区为工作面推进位置前方0～90 m范围内;Ⅱ区为工作面后方0～100 m范围内;Ⅲ区为工作面回风顺槽上方0～70 m范围内;Ⅳ区为工作面运输顺槽下方0～80 m范围内。结合矿山压力理论综合分析可知，Ⅰ区为受工作面采动影响的超前支承压力区;Ⅱ区为受工作面采动影响的顶板冒裂区;Ⅲ，Ⅳ区为受工作面采动影响的侧向支承压力区。
3.1 沿走向围岩破裂与超前支承压力分布特征
从图5可知，可将区域Ⅰ内微震事件分为2个部分：一部分为工作面前方0～40 m，该范围内分布的微震事件数目及高能量微震事件均相对较少;另一部分为工作面前方40～90 m，该范围内微震事件数目明显增多，并且高能量微震事件分布比较密集。
图6为工作面前方区域Ⅰ内微震事件频次和能量累积的分布特征图，工作面前方0～40 m范围内微震事件频次和能量曲线均较为平稳，在煤壁前方40～70 m范围内微震事件频次和能量均达到峰值，说明该段区域内上覆岩层活动频繁，煤岩体应力集中程度较高。煤壁前方超过70 m以后微震事件的频次和能量急剧下降。区域Ⅱ处于采空区内，随着工作面的推进采空区上方顶板一定时间内持续发生断裂，因此该区域内微震事件较为密集，且高能量微震事件较多。
图7为微震事件沿工作面走向投影图，图7中每个小圆点代表一个微震事件。从图7可知，工作面前方实体煤区域内的微震事件主要集中于距煤层一定距离的顶板，且该区域内微震事件的发育高度明显低于采空区上方微震事件的发育高度，即工作面前方围岩的破裂高度明显低于工作面后方。随着采空区上方岩层的断裂，采空区上部高位岩体悬空面积不断增大，弹性能急剧增加，工作面前方低位岩体在后方高位岩体影响发生变形，在工作面前方形成超前支承应力。
结合矿山压力理论并综合以上分析可知，该工作面在采动影响下前方0～40 m内处于应力降低区，煤岩体受超前应力影响已发生破坏，煤岩体内裂隙较为发育;支承压力峰值位于工作面前方40～70 m范围内，该区域内应力集中程度高，巷道变形量较大，回采过程中应加强巷道的检修和支护，同时应尽量减少井下工作人员在该区域的滞留。
3.2 沿倾向围岩破裂与侧向支承压力分布特征
从图5可知，受工作面回采影响，采空区两侧煤柱内分布着一定数量的微震事件。由于该工作面为首采面，采空区两侧均为实体煤，因此采空区两侧微震事件分布范围相对较小，微震事件数目也相对较少。受煤层倾角影响，运输顺槽一侧微震事件的分布范围略大于回风顺槽一侧。
图5中区域Ⅲ，Ⅳ的微震事件频次和能量累积分布特征如图8所示，运输顺槽下方微震事件的频次和能量在0～60 m范围内过渡较为平稳，在距运输顺槽50～60 m的煤柱内微震事件的频次和能量均达到峰值，之后开始急剧下降，运输顺槽一侧高能量微震事件分布比较均匀，应力集中程度相对较低;回风顺槽下方微震事件频次和能量曲线的形态与运输顺槽一侧基本相同，在距回风顺槽40～50 m的煤柱内微震事件的频次和能量均达到峰值，该范围内高能量微震事件较密集，说明该区域上覆岩层活动十分剧烈，但回采工作面临近的准备工作面顺槽设计在该区域内，为减少该顺槽维护的工程量及费用，以及安全生产的需要，应对其的位置进行优化设计，以保证该顺槽处于开采应力降区内。
4 结 论
1）提出了一種新的速度模型反演方法，构建了求解速度模型的目标函数;并基于水平层状地层的假设，给出了采用新的速度模型反演水平地层分层速度的基本流程。
2）针对提出的分层速度模型井地联合监测方案，采用标定炮的方式与单一速度模型井下近水平监测方案的定位精度进行了对比验证，结果显示分层速度模型井地联合监测方案定位精度更高，满足高精度震源定位需求。
3）基于高精度微震定位结果，对陕西省境内某矿首采工作面采场支承压力分布规律进行了研究，据此划定了工作面超前支承压力与侧向支承压力的影响范围，指出了工作面回采过程中顺槽超前支护距离及下一工作面顺槽的位置应重新进行优化设计，为矿山超前支承压力实时监测提供了一种更加有效的间接方法。
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关键词：支承压力;微地震监测;微震定位
中图分类号：TD 323 文献标志码：A
DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2019.0409 文章编号：1672-9315（2019）04-0619-07
Abstract：In order to quantitatively analyze the characteristics of abutment pressure distribution in coal stope，a study is made of the abutment pressure of stope using microseismic monitoring techniques.A new inversion method of velocity model is proposed in order to improve the accuracy of microseismic location，and the objective function for solving stratified velocity model is constructed as well.Mine ground joint microseismic monitoring system is arranged in a certain mine in Shaanxi Province.By using the method of calibration blasting，it is verified that the positioning accuracy of the horizontal stratified velocity model is obviously higher than that of the near horizontal single velocity model.Horizontal stratified velocity model is adopted to locate microseismic events with higher accuracy in the monitored area.With the theory of mine pressure in view，the characteristics of the distribution of abutment pressure in stope and the frequency and the energy of microseismic events are examined.The results show that：in normal mining process，the range of lead abutment pressure affected by mining movement is 0～90 m in front of the working face，and the range of 40～70 m ahead of the working face is a high stress concentration area with the influenced range of the lateral abutment pressure on the upper and lower roadways being 0～70 m and 0～80 m respectively.The results provide a reference to the application of microseismic monitoring technology in the field of mine engineering.
Key words：abutment pressure;microseismic monitoring;microseismic source location
0 引 言
采场支承压力是地下煤层开采后原岩应力重新分布的结果。采场支承压力的分布规律一直是矿山压力控制的重要研究内容之一，采场支承压力分布特征可为回采巷道煤柱宽度的确定、工作面顺槽超前支护距离和支护强度、防止冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害的发生提供依据[1]。目前，对采场支承压力分布特征及计算方法进行了大量的理论研究，对解决采场来压等问题起到了重大作用[2-4]。一些學者采用数值模拟和相似材料模拟等技术对开采过程中采场支承压力的动态变化规律进行了研究[5-10]。微地震监测技术在矿山开展了广泛应用[11-17]，通过定量的分析微震事件频次、能量与采场支承压力分布之间的关系，可为确定回采过程中超前支护距离等参数提供重要的参考依据。
采用微地震监测技术研究采场支承压力，均以工作面附近微震事件的分布特征为主要出发点，微震事件的分布特征严重依赖震源定位精度，但对震源定位精度问题一直缺乏深入的讨论与分析。 地层速度是影响微地震震源定位精度的重要因素，建立满足震源精确定位要求的监测区弹性波速度模型一直是矿山微地震监测面临的技术难题。目前，常用的速度模型为单一速度模型，即假定监测区域为均匀介质。对于监测区域较小、岩性较单一的区域而言，单一速度模型具有一定的合理性，它既能保证震源定位精度，又利于震源定位算法的快速稳定实现[18-20]。但在众多工程实践中，监测区域岩体多具有层状速度分区特征，岩体的波速并非单一，此时如果采用单一速度模型定位将会产生较大的误差。一些专家学者在非均匀模型上做出了不同的探索。Collins等比较了匀速模型与变速模型，并考虑了不同岩性和带洞穴的岩体，发现可变速度模型能够有效减小定位误差[21]。巩思园等针对采煤工作面顶板岩层的层状赋存和离层带的特点，构建了矿井尺度的微震监测系统“异向波速模型”，经爆破信号验证定位精度明显优于统一简化波速模型[22]。贾宝新等基于惠更斯原理建立了矿震波在层状非均匀介质中的三维传播模型，对经典线性定位方法进行了改进使其适合于非均匀分层介质，提高了定位精度[23]。戴峰等针对波速分层的区域岩体，在异向波速模型的基础上，建立分层速度定位目标函数，提出由3个模块组成分层速度定位模型，经验证比单一速度定位模型更加合理[24]。这些算法在一定程度上都提高了震源定位的精度，但是复杂岩体速度模型的建立及射线追踪的实现需耗费较长的计算时间且不利于算法的稳定。
文中提出一种新的速度模型反演方法，构建了求解速度模型的目标函数。以陕西省境内某矿为工程背景，采用标定炮的方式，验证了分层速度模型井地联合监测方案的震源定位精度，在高精度震源定位的基础上对采场支承压力分布特征进行分析。
1 高精度微震定位方法
1.1 分层速度模型目标函数
1.2 微震监测台网布置方式
当前煤矿微震监测系统多为井下近似平面布置或地面近似平面布置，这种近似平面布置的监测系统对提高垂直方向的定位精度十分不利。为满足三维高精度微震监测的需要，应在改进算法的同时，探索出更为合适的微震观测系统。
采用地面与井下巷道同时布置微震检波器，即“井-地”联合微震监测，待监测区域处于井下与地面检波器构成的监测网络的中心，图1为井地联合微震监测系统示意图。
2 震源定位精度测试
选取陕西省境内某矿首采面作为研究对象，该矿位于彬长矿区西北部，主采煤层为4#煤层，工作面煤层埋深1 000 m左右，其走向长360 m，宽130 m，煤层为近水平煤层，平均厚度10 m，采用综放开采技术。
该矿安装微震监测系统后，一直采用单一速度模型、井下布置检波器的方式进行震源定位，应用过程中发现震源定位结果较为分散，无法为矿方制定安全措施提供参考依据。经分析发现，该矿井煤层埋藏深度较大，顶板岩性复杂多变，单一速度模型无法满足定位需求。
为验证所述分层速度模型、井-地联合监测方案的定位效果，在该矿首采面顺槽内和工作面上方地面分别布置微震监测分站，并采用在工作面顺槽内放炮的方式进行分析验证。井地联合监测系统布置方案如图3所示（图中坐标均为相对坐标）。标定炮位置已知，共四炮，人工拾取P波初至到时。依据该矿钻孔柱状图等资料，将井下至地表的地层划分为3层，选取标定炮中任意一炮数据，采用本文方法反演該地区速度模型，波速反演结果见表1.图4为反演速度所用标定炮的波形及初至拾取情况，前8道为地面波形数据，后6道为井下波形数据，地面数据与井下数据均信噪比良好。
为验证反演结果准确性，应用反演得到的速度对另外三炮进行定位，层状速度模型和单一速度模型的定位结果与标定炮真实位置的误差分析见表2.从表2可以看出，层状速度模型的定位结果与标定炮真实位置十分接近，定位精度明显高于单一速度模型。
3 基于微震监测的采场支承压力特征
采场围岩支承压力是上覆岩层运动的结果，上覆岩层破裂、失稳过程中，伴随着微震事件的发生。大量研究及实践表明：采动影响下煤岩体的破裂区域与高应力差区域具有高度的一致性，与应力集中区十分接近。因此，根据采场微震事件的时空分布特征，可以推断围岩破裂场的范围和采动影响下采场支承压力的分布情况。 采用文中所述震源定位方法，选取工作面正常回采过程中一段时期的微震数据进行震源定位。由于微震事件的发生区域随着工作面的推进有规律的前移，因此假定工作面位置固定不变，根据震源定位结果及工作面回采进度，计算出每个微震事件相对于固定工作面的相对坐标[13]。微震事件定位结果平面图如图5所示，图5中代表微震事件的小圆点直径越大表示微震事件能量越强，图5中黑色竖线表示固定工作面的位置。对监测区域内的定位结果进行综合分析，由微震事件定位平面图可将微震事件高发区域概括为4个区域：Ⅰ区为工作面推进位置前方0～90 m范围内;Ⅱ区为工作面后方0～100 m范围内;Ⅲ区为工作面回风顺槽上方0～70 m范围内;Ⅳ区为工作面运输顺槽下方0～80 m范围内。结合矿山压力理论综合分析可知，Ⅰ区为受工作面采动影响的超前支承压力区;Ⅱ区为受工作面采动影响的顶板冒裂区;Ⅲ，Ⅳ区为受工作面采动影响的侧向支承压力区。
3.1 沿走向围岩破裂与超前支承压力分布特征
从图5可知，可将区域Ⅰ内微震事件分为2个部分：一部分为工作面前方0～40 m，该范围内分布的微震事件数目及高能量微震事件均相对较少;另一部分为工作面前方40～90 m，该范围内微震事件数目明显增多，并且高能量微震事件分布比较密集。
图6为工作面前方区域Ⅰ内微震事件频次和能量累积的分布特征图，工作面前方0～40 m范围内微震事件频次和能量曲线均较为平稳，在煤壁前方40～70 m范围内微震事件频次和能量均达到峰值，说明该段区域内上覆岩层活动频繁，煤岩体应力集中程度较高。煤壁前方超过70 m以后微震事件的频次和能量急剧下降。区域Ⅱ处于采空区内，随着工作面的推进采空区上方顶板一定时间内持续发生断裂，因此该区域内微震事件较为密集，且高能量微震事件较多。
图7为微震事件沿工作面走向投影图，图7中每个小圆点代表一个微震事件。从图7可知，工作面前方实体煤区域内的微震事件主要集中于距煤层一定距离的顶板，且该区域内微震事件的发育高度明显低于采空区上方微震事件的发育高度，即工作面前方围岩的破裂高度明显低于工作面后方。随着采空区上方岩层的断裂，采空区上部高位岩体悬空面积不断增大，弹性能急剧增加，工作面前方低位岩体在后方高位岩体影响发生变形，在工作面前方形成超前支承应力。
结合矿山压力理论并综合以上分析可知，该工作面在采动影响下前方0～40 m内处于应力降低区，煤岩体受超前应力影响已发生破坏，煤岩体内裂隙较为发育;支承压力峰值位于工作面前方40～70 m范围内，该区域内应力集中程度高，巷道变形量较大，回采过程中应加强巷道的检修和支护，同时应尽量减少井下工作人员在该区域的滞留。
3.2 沿倾向围岩破裂与侧向支承压力分布特征
从图5可知，受工作面回采影响，采空区两侧煤柱内分布着一定数量的微震事件。由于该工作面为首采面，采空区两侧均为实体煤，因此采空区两侧微震事件分布范围相对较小，微震事件数目也相对较少。受煤层倾角影响，运输顺槽一侧微震事件的分布范围略大于回风顺槽一侧。
图5中区域Ⅲ，Ⅳ的微震事件频次和能量累积分布特征如图8所示，运输顺槽下方微震事件的频次和能量在0～60 m范围内过渡较为平稳，在距运输顺槽50～60 m的煤柱内微震事件的频次和能量均达到峰值，之后开始急剧下降，运输顺槽一侧高能量微震事件分布比较均匀，应力集中程度相对较低;回风顺槽下方微震事件频次和能量曲线的形态与运输顺槽一侧基本相同，在距回风顺槽40～50 m的煤柱内微震事件的频次和能量均达到峰值，该范围内高能量微震事件较密集，说明该区域上覆岩层活动十分剧烈，但回采工作面临近的准备工作面顺槽设计在该区域内，为减少该顺槽维护的工程量及费用，以及安全生产的需要，应对其的位置进行优化设计，以保证该顺槽处于开采应力降区内。
4 结 论
1）提出了一種新的速度模型反演方法，构建了求解速度模型的目标函数;并基于水平层状地层的假设，给出了采用新的速度模型反演水平地层分层速度的基本流程。
2）针对提出的分层速度模型井地联合监测方案，采用标定炮的方式与单一速度模型井下近水平监测方案的定位精度进行了对比验证，结果显示分层速度模型井地联合监测方案定位精度更高，满足高精度震源定位需求。
3）基于高精度微震定位结果，对陕西省境内某矿首采工作面采场支承压力分布规律进行了研究，据此划定了工作面超前支承压力与侧向支承压力的影响范围，指出了工作面回采过程中顺槽超前支护距离及下一工作面顺槽的位置应重新进行优化设计，为矿山超前支承压力实时监测提供了一种更加有效的间接方法。
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