0 引 言
我国主要煤田形成历经较长时期，在漫长的成煤过程中，煤体受到不同程度改造，形成了复杂的地质构造。在瓦斯矿井中，以断层、褶曲、相变带等为代表的地质构造控制着煤层瓦斯的生成、赋存和运移过程。同时，由于断层等地质构造的存在，使影响范围内的地应力出现突变，极易诱发冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害[1-2]。统计资料显示，煤与瓦斯突出与地质构造密切相关，绝大多数突出事故发生位置位于构造带附近[3]，由此可见，地质构造是诱发瓦斯突出、冲击地压等灾害的重要因素。
国内外专家对地质构造控制煤岩动力灾害的机制等开展了大量研究。地质构造对瓦斯突出的控制作用是多方面的。文献[4]深入研究了构造对煤与瓦斯突出的影响及作用机制；刘义生等[5]分析了钱家营煤矿深部瓦斯动力灾害的地质控制因素；陈敏等[6]在前人研究基础之上，进一步分析了断层对煤与瓦斯突出的影响范围。地质构造严重影响着突出矿井的生产，工作面在经过断层时常需进行一系列的保护措施，如瓦斯抽采、卸压处理以及减小推采或掘进速度等，但仍不可避免时有灾害的发生。为了减小和控制断层对工作面开采的影响，需要对区域内地质构造开展针对性研究，如采用理论分析、数值模拟、实验室试验、现场监测等手段开展相关研究。姜耀东等[7]利用数值模拟方法开展了采动影响下断层活化的规律研究；张春华等[8]开展了封闭型地质构造条件下的煤与瓦斯突出模拟试验；王志荣等[9]通过理论建模分析了断层区域瓦斯突出所产生冲击波对巷道围岩的作用效应。借助地质探测设备等进行超前探测是提前获知地质异常的有效手段，牟义[10]利用电磁法对煤矿构造、采空区以及含水体等地质异常体进行了响应特征研究；郑继东等[11]利用TSP地震探测系统进行超前探测，并以此构建了地质异常评价体系。此外，刘健等[12]借助声发射仪研究了构造带石门揭煤诱导突出的力学特性。
微震技术是当前矿山安全监测预警的主要技术手段之一。以断层为例，当采掘活动破坏断层附近区域的应力平衡时，断盘无法继续维持稳定状态，进而发生相对滑移并寻求新的平衡，这个过程被称之为断层活化。断层的活化伴随有大量能量的释放，这些能量以震动的形式向外传播。利用安装在煤岩体内的微震传感器可以采集到这些微震动事件，通过对这些震动的分析可以获得地质构造异常活动的响应规律特征[13]。如郭晓强等[14]通过研究断层活化过程，提出了断层活化的4个阶段及其微震响应特征；刘栋等[15]利用空间聚类算法等对断层附近的断层滑移型微震事件群进行了辨识；王浩等[16]分析了综放工作面采动诱发逆断层张剪失稳特征，以及由此诱发的矿震活动规律；王丽萍[17]开展了基于地震活动参数的断层错动量定量表征方法；朱权洁等[18]借助高精度微震监测系统对掘进工作面瓦斯异常涌出的微震活动前兆特征进行了分析和验证。此外，文献[19-20]利用实验室试验、数值模拟等手段，对煤与瓦斯突出的微震前兆特征进行了挖掘。
为了研究采动过程中地质异常区域(断层、褶曲等)的活动规律，借助高精度微震监测系统在贵州某矿开展了基于微震监测的地质异常区域微震响应规律研究，以期获得开采活动与断层活化的内在关联性，进而挖掘断层活化诱发瓦斯突出的机理。
1 断层活化诱发微震的力学机制
为了研究采动对地质异常区域的影响，以断层为例，对采动诱发断层活化的机理及微震力学响应机制进行了分析。由于地质构造破坏了煤岩体的连续性，使煤岩体失去了连续传递力的作用。在未开采之前，断层上下盘、断层自身介质与周围围岩处于稳定平衡状态。工作面掘进活动导致平衡状态被打破，随采动迁移而来的应力迫使原来的静平衡状态被打破，导致在断层处形成新的应力场，使断层由稳定状态逐渐缓慢运动形成滑移。潘一山等[21]认为，采矿活动会引起断层的相对错动并向外释放能量，当断层错动快速且猛烈、并伴随大量能量释放时，则可形成典型的矿震(冲击地压)，由此提出了断层活化初始失稳时的黏滑失稳力学模型。郭晓强等[14]基于此模型，通过分析采动诱发断层活化的力学机制，结合微震现场监测将断层活化过程划分为4个阶段：围岩压密初始失稳、围岩弹性黏滑振荡、围岩塑性黏滑失效、围岩破坏重新稳定。4个阶段的特点可描述为：①在活化初期，断层上下盘初次相对错动，诱发多次大能量微震活动，若此过程发生突然且释放巨大能量则可视为矿震(冲击地压)的发生；②在进入黏滑阶段，断层区域将出现持续振荡效应，伴随而来的是持续的能量释放，呈现出活跃的微震响应特征(小能量事件居多，并聚集于滑移面周围)；③当进入围岩塑性黏滑失效、寻求新的平衡状态时，断层区域应力场的迁移将诱发影响范围内的围岩出现微震响应，表现为微震事件的立体时空分布，这个阶段一般在经过断层之前已完成；过断层后，在断层局部区域产生零星微震活动，可以理解为局部围岩的失稳破坏所致。
由此可以看出，断层活化过程并非瞬间完成，而是随着采掘活动的深入，掘进工作面与断层的空间距离逐步减小，断层处的附加剪应力逐渐增加，挣脱了岩石强度以及外部摩擦力的束缚。随着上下盘形成错动，断层带处于非平稳状态，在断层寻求新的平衡过程中，煤岩体的破坏诱发大量微震事件的产生，甚至导致瓦斯突出或冲击地压灾害的发生。此过程最终将以断层重新进入平衡状态，外界扰动无法再次改变稳定状态而终结。
2 工程概况及微震系统构建
2.1 工程背景
为了开展相关试验，选取贵州某矿为试验场所。该矿9、11号煤层经重庆煤科院鉴定为具有煤与瓦斯突出危险性。其中，9号煤层上距7号煤层38 m，平均煤厚1.42 m，煤层倾角11°～30°、平均19°；煤层结构简单，赋存稳定。9号煤层布置的11092综采工作面，采用长壁后退式采煤、全部垮落法管理顶板。11号煤层平均厚度3.18 m，平均倾角为20°，煤层厚度较稳定、产状较稳定。11112回风巷位于11092回采工作面侧下方，与11092回风巷标高接近，该巷道掘进以炮掘为主，掘进过程中断层发育、伴有褶曲，且出现有煤层变化情况。
为了观察巷道11112工作面回风巷掘进过程中煤层顶底板的动态破裂范围及覆岩空间结构的动态变化情况，尤其是断层、褶曲等地质异常区域的微震活动规律，利用高精度微震监测系统对11092工作面及下方11112工作面进行了实时监测，获取了连续的微震监测数据。
2.2 微震监测系统构建
微震设备选择加拿大生产的微震监测系统，该系统由信号传感器、Paladin信号采集系统、地面信号分析系统3个部分组成。井下数据采集后经由电缆传送到Paladin微震采集仪，后经光缆传送至地面信号分析系统进行分析。ESG微震系统的数据采集与解译流程如图1所示。
图1 ESG微震系统网络拓扑图
Fig.1 Network topology of ESG microseismic system
根据现场实际情况，在11112回风巷、11092回风巷内共布置有10个微震传感器，其安装位置及现场安装如图2所示。可以看出，目标监测区域覆盖了11112回风巷掘进过程的影响区域。
图2 微震传感器现场布置及安装示意
Fig.2 Schematic diagram of sensors placement and layout
3 采掘工作面微震活动规律分析
矿山采掘活动会引起周围岩层运动，导致煤岩体应力场的迁移和重新分布(与岩层运动的剧烈程度密切相关)。矿山压力在一定条件下将会致使岩层破裂，形成一定的微观和宏观的岩层破裂场，岩层破裂场可以用微地震监测系统得到的监测结果进行描述。
3.1 巷道掘进过程的微震响应统计分析
随着11112掘进工作面的推进，工作面周围煤岩体原始应力状态被打破，覆岩空间结构形态发生变化，支承压力分布发生转移。2014年3月份微震事件平面分布如图3所示，微震事件主要分布于掘进巷道周围煤岩体内，其中以两侧和前方煤岩体内居多。从图3可以看出，前方最远影响区域距掘进工作面约112.8 m，后方约91 m，同时在F11大断层附近出现大能量事件(图中红色事件)。
图3 巷道掘进诱发的微震事件平面分布
Fig.3 Distribution of microseismic event induced by roadway excavation
对2014年3月份微震事件进行统计分析，结果表明，3月份1～18班次时，微震事件发生率较高，单日最高发生接近100个，但事件能量(震级)相对较小；3月10—13日未掘进，微震事件的日统计也出现了短暂的空白期；而在13日掘进开始后，微震事件也开始发生，这也进一步印证了微震事件的发生是由采动引起的煤岩体的破裂失稳(图4)。从图中可以看出，微震事件震级大多分布于-2～0.5，这为后期的预警分析提供了基础。
图4 微震事件日统计
Fig.4 Daily statistical of microseismic events
3.2 采动条件下的微震时空演化规律
图5 11112回风巷微震事件空间分布及密度云图
Fig.5 Distribution and density chart of microseismic events in No.11112 drifting tunnel
为了更清晰地反映采动过程中微震事件的分布规律和应力场时空演化规律，对2014年3月份掘进过程的微震事件按周进行展示，如图5所示。现场微震监测结果表明，由于采掘活动的进行，巷道支承的上部覆岩自重向四周煤岩体转移，并在两侧煤体及前后方形成新的应力集中区，引起了高应力状态下的煤体破裂失稳。随着采掘工作的接续，为了寻求新的平衡，应力不断向巷道前方及两侧煤体深部转移。这也解释了巷道掘进过程中微震事件在掘进工作面周围分布较为密集。3月1—7日，微震事件发生较为密集，主要集中在2个断层活跃区域内，密度云图上显示出2个明亮的集中区域，表明该区域应力释放较为剧烈，附近煤岩体有应力集中现象；3月8—14日，随着掘进巷道的推进，采动影响范围向前转移，微震事件的空间分布也发生了变化，在掘进工作面前方出现大量大能量事件；3月15—31日，微震事件骤减，主要原因是采掘进度缓慢、远离后方断层活化区域，但在煤层上部出现少量大能级微震事件，这表明采掘活动影响范围的局部断层带存在微震响应。
4 地质异常区域的微震响应规律
对于地质异常体(断层)而言，在巷道掘进过程，煤岩体应力场发生变化，在迁移应力叠加的条件下，会引起断层的滑移，从而诱发微震事件的发生。断层等是瓦斯突出的高风险区域，微震监测可以提前监测到这些异常区域的活动。通过分析异常区域监测到的微震数据，可以有效地揭示异常区域的应力状态和活跃程度，并可应用于后期煤与瓦斯突出危险性的动态评价和提前预测。
通过该矿相关资料查询和现场探测，对11092工作面的地质异常区域进行了划分，如图6所示，这些地质异常区域包括断层、褶曲以及煤层相变带等区域。为了分析方便，将11112回风巷采掘过程中的异常影响范围划分为6个区域：其中Ⅰ为相变带和断层带区域(F41—F44断层)、Ⅱ和Ⅲ为断层区域(F36—F39断层)、Ⅳ为相变带和褶曲区域(F35断层)、Ⅴ和Ⅵ为断层区域(F11—F13断层)，这其中Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ将作为重点进行研究。
图6 11092工作面地质异常区域划分
Fig.6 Classify of geoanomaly regions in Working Face 11092
4.1 断层活化的微震异常响应规律
4.1.1 Ⅱ和Ⅲ断层影响范围的微震活动
煤岩动力灾害在发生前都有异常的表现称之为前兆信息，对这些灾害的提前预测正是基于对前兆信息的挖掘与识别。开采扰动应力场诱发微震活动性是矿山动力灾害前兆的共性特征。通过微震系统的现场监测，可以实时反馈断层的活动信息，揭示断层两侧的垂直应力分布及影响范围，从而判断断层是否活化。如图7a所示，为微震揭示的Ⅱ和Ⅲ区域断层活化。微震事件密度分布凸显出其中2个较危险区域(云图中红色区域)，分别在Ⅱ和Ⅲ断层附近。图7b则展示了随时间推移与断层区域的距离(红色曲线)以及微震事件日发生数(蓝色曲线)。
可以看出，在距断层10 m时，微震活动呈现活跃状态，推测测试处于断层弹性黏滑振荡时期；随着距离进一步接近(距离5 m范围内)，微震事件数反而减少，表明此时断层黏滑失效，并逐步向新的平稳状态过度；过断层后，有短暂的微震事件数增加，这是由于断层周围局部的围岩失稳所诱发。
图7 微震揭示的Ⅱ和Ⅲ区域断层活化
Fig.7 Fault activation of Region Ⅱ and Ⅲ revealed by microseismic analysis
微震数据分析可知，自2014年3月1日监测开始至3月9日，为微震事件高发期；3月12—17日，事件发生率骤降。随着监测的不断深入，在Ⅱ和Ⅲ区域频繁发生微震事件，如图中蓝色圈所示，共有255次微震事件，占该段时间内微震事件总数的近50%。通过微震结果的空间展示，完好地再现了断层活化的整个过程。而通过3月1—7日与3月8—15日的微震结果对比，微震事件的集中区域已经开始分散，表明该区域断层上下盘错动已完成，并形成新的局部稳定状态。
4.1.2 Ⅴ断层区域微震结果分析
Ⅴ区域断层活化诱发的微震活动较为明显，如图8所示，微震事件分布于断层四周，且该区域的微震事件具有震级大、活动剧烈的特点，该区域的主要微震事件最大震级高达2.3(表1)，接近天然地震烈度，表明该区域断层活化异常严重，需进行跟踪监测，并及时进行处理。
通过上述分析可知，由于11112回风巷的采掘扰动，附近的断层出现滑移现象，滑移剧烈程度与采掘作业的进度和爆破用药量相关；随着掘进作业的靠近，微震活动聚集于断层附近，并出现明显的分区性特征，表明在断层附近存在短暂的应力集中和应力暂驻，由于断层的低“抗压性”，进一步推进过程后，应力向远处迁移。由此可以看出，微震事件的空间演化形态反映了断层的活化规律及空间位置。通过微震数据的分析，可以实时掌握断层的活动情况，为巷道的布置、掘进以及工作面回采作业提供现场实测依据。
表1 Ⅴ区域断层活化诱发的部分微震事件
Table 1 Microseismic induced by fault activation of Region Ⅴ
时间X/mY/mZ/m震级2014-03-02 05:52:568333276.5-2.12014-03-02 12:00:335230036.8-1.52014-03-03 11:48:0811034093.4-1.82014-03-07 22:09:336730064.7-1.92014-03-19 16:20:027931280.92.22014-03-20 00:13:389232813.82.3
注：为观察方便，对大地坐标系进行了简化处理，X、Y、Z仅保留低位数值对微震事件的空间方位进行表述。
图8 Ⅴ区域断层活化与微震活动规律
Fig.8 Activity law of microseismic induced by fault activation of Region Ⅴ
4.2 褶曲构造范围的微震活动特征
褶曲构造会影响煤体内瓦斯的分布和聚集，从而造成瓦斯分布的不均衡，形成高瓦斯压力区域。煤与瓦斯突出事故分析表明，褶曲构造的褶扭部位、扭性断层两侧、断层交汇带等都是突出的密集高发区域。现场实践也表明，采掘工作面接近向斜轴部或翼部时，应力集中程度较大，其中向斜、背斜内弧的波谷、波峰部分为拉应力集中区，翼部则为压应力集中。图9显示了典型褶曲构造诱发的微震活动。如Ⅳ区域在10月13—21日发生密集的高能量事件(黄色)，如图9a所示，其中事件的最高震级高达1.02。由此可以看出，在采动影响下，断层附近构造应力与采动应力场相叠加，形成新的应力集中区，导致该区域的煤岩体产生挤压变形、破碎。图9b显示了随着采掘活动的邻近，断层区域的微震响应规律，其中红色曲线为与断层区域的距离，蓝色曲线为日微震事件发生次数。从图中进一步印证，距离断层10 m范围时为断层最活跃状态，微震事件数当日高达31个；而在距离断层2 m范围时，断层已基本形成新的稳定，这与前文推断相吻合。
图9 Ⅳ相变褶曲区域的微震活动特征
Fig.9 Microseismicity characteristic in fold Region Ⅳ
经过现场实测并结合上述分析推断，地质异常(断层、褶曲等)区域在采动过程中存在明显的应力集中，诱发了大量微震事件的产生，微震活动活跃。这表明采动影响造成局部区域的应力迁移向地质异常区域，影响范围不小于当前与异常区域的直线距离。这些应力集中区域的形成，给瓦斯突出等灾害的形成创造了条件，使这些区域更容易具备突出或冲击的条件和可能性。由于发现及时，矿方及时进行卸压、消突处理，并适当降低采掘速度。经过一系列措施的实施，巷道采掘顺利经过上述地质异常区域，保证了工作面的安全采掘。
5 讨 论
通过现场实测和数值模拟研究，结合前期的实验室试验，可以看出：微地震监测结果可以有效揭示断层是否活化以及断层周围的应力状态；同时，通过进一步分析采动应力场和构造应力场的耦合关系，为研究预警由隐伏构造引起的煤与瓦斯突出提供了依据。未来，可结合微震技术与常规手段，进一步挖掘煤与瓦斯突出的微震前兆特征，实现煤与瓦斯突出的动、静态联合预测。利用微震监测技术进行煤与瓦斯突出灾害的监测与预警应着重从以下3个方面进行研究：
1)构造型瓦斯突出机理及前兆特征挖掘。通过提出开采诱发煤岩体渐进破裂诱发失稳的突变模型，探讨原岩及其扰动条件下背景应力场的积累、释放、转移的基本规律，建立背景应力场演化与微震活动性的关系，揭示矿山动力灾害孕育过程中的微震活动时空演化规律，探寻煤与瓦斯突出等矿山动力灾害的微震前兆信息和失稳模式，为建立预测、预报模型提供理论依据。
2)掘进工作面前方地质异常区域的精细化探测。地质构造是煤与瓦斯突出的重要诱因，因此，运用物探技术探测掘进工作面前方的地质异常区域，利用微震监测技术的空间定位功能对潜在危险区域进行实时探测，反演煤体内部的应力应变特征、分布规律，寻求煤与瓦斯突出的前兆特征规律。
3)地质异常区域微震活动的定量化表征。借助微震精细化处理方法和技术，引入聚类优化分析等算法，获取更为精确的微震活动规律及特征，进而研究掘进巷道周围围岩内或地质异常区域应力场的空间分布与演化规律，表征煤体内积聚的瓦斯内能和弹性势能的变化趋势，是利用微震技术预警构造控制型煤与瓦斯突出的重要环节。
6 结 论
1)工作面采掘活动破坏了断层构造的静平衡状态，断层发生相对错动并向外释放大量能量，诱发大量微震动的产生，这是断层活化诱发微震响应的根本原因。断层由静平衡状态被打破至再次平衡，经历了多个阶段，各阶段的微震响应特征不相同。
2)掘进工作面的推进打破了原有应力平衡状态，利用微震监测可以获取巷道周围的应力迁移和分布情况。通过微震事件分析可以动态显示工作面超前支承压力、侧向支承压力的分布规律，并准确确立采动影响范围等信息。
3)地质构造是引起瓦斯突出等灾害的重要因素。利用微震监测技术可以有效揭示采动引起的岩层破裂分布、构造活化以及隐伏构造的动态变化，获得地质异常区域微震活动规律，因此，利用微震的动态响应预测煤岩体的潜在异常区域(危险区)是有效可行的。
4)微地震监测结果可以有效揭示断层是否活化以及断层周围的高应力及高应力差区域，并可进一步获得采动应力场和构造应力场的耦合关系，这为研究、预警由隐伏构造引起的煤与瓦斯突出提供了依据。
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