矿井工作面开采必然伴生相应的工程效应，采场中，由于采动所引起的工程效应变化多端，煤层和顶底板组成的力学平衡系统也随着工作面的推进时刻处于变化之中(窦林名和何学秋，2001；姜耀东等，2014)，例如超前支撑压力，侧向应力和覆岩三带高度等都会随着工作面的开采而发生变化，当这些开采工程效应达到或超过煤岩介质发生破坏的临界状态时，就有可能诱发矿震和冲击地压等灾害.虽然，对于工作面开采采动工程效应的研究起始时间比较早，但是由于其严重的复杂多变性以及矿山生产特殊的工作条件，许多常规的方法在矿山生产科研中取得的效果并不理想，因此对于矿井工作面采动工程效应及其对动力灾害形成机理的研究仍然任重道远.

采动工程效应包括众多方面，国内专家学者也多数都曾涉猎，近5年关于采动工程效应的具有代表性的研究成果主要包括以下观点：夏永学等(2011)根据微震监数据描述了采空区侧向支撑压力演化的全过程，认为微震分布沿煤壁展布呈反“C”型，两侧微震活动剧烈程度大于工作面中部；王桂峰等(2014)根据“围岩—煤体”系统的运动特征，建立了“一大两小”采动覆岩结构失稳模型，并采用微震监测进行了结论验证；孔令海(2014)利用微震监测分析了上覆岩层围岩破坏、运动以及支撑压力分布规律，认为采动引起的应力转移是产生围岩破坏的根本原因；王书文等(2015)根据煤体应力监测结果诠释了双巷布置工作面垂直应力分布规律，认为煤层垂直应力在走向上呈现5个阶段性特征，并基于此研究了煤层弹塑性演化规律；蔡武等(2016)将层析成像技术和微震实时监测相结合对河南义马跃进煤矿25110工作面回采过程中的P波速度进行了反演，成功地对其进行了冲击矿压危险评估；高保彬等(2014)利用微震监测技术对煤岩瓦斯复合动力灾害的整个过程进行监测，微震监测技术目前是研究复合动力灾害的重要手段，对研究煤岩瓦斯复合动力灾害机制和前兆辨识具有重要意义.关于采动工程效应及矿震、冲击地压机理的典型研究还包括文献(齐庆新，2003；窦林名和何学秋，2004；方建勤，2004；袁子清，2008；邹德蕴，2009；陈波和梁汉东，2010)：这些研究主要运用了数值模拟、理论分析、现场试验和实验室实验等方法从采动覆岩结构、超前支撑压力、侧向压力，弹塑性变形等角度揭示了由于工作面开采所带来的不利工程效应和矿震、冲击地压的采动控制机理.

上述研究角度众多，方法各异，但数值模拟和实验结果往往存在一定误差，基于现场监测数据的研究结果不多，且从现场监测角度直接揭示垂直应力二次分布的研究结果更是少之又少，利用微震监测揭示覆岩三带高度的研究在国内甚至未见报道.因此，笔者根据微震监测数据，系统分析了微震震源、频次、能量与采动工程效应的关系，并采用数值模拟进行验证，最后从采动应力、应变、能量以及应变率变化规律的角度揭示矿震孕育的力学机理.以期为矿震、冲击地压等动力灾害的防治提供指导方向.

东滩煤矿是一座大型现代化综合机械化开采矿井，也是国内矿震和冲击地压灾害最为严重的矿井之一.为了预测预报采动过程中煤岩体动力响应，东滩煤矿自2010年4月引进了一套波兰微地震监测系统(Seismology Observation System，SOS)，系统硬件主要包括地面设备和井下设备两部分，地面部分包括UPS电源、分析仪、记录仪和数据采集站；井下部分包括宽频矿震波形专用拾震传感器和信号传输电缆.分析仪配有Seisgram和Multilok两套信号处理软件，用于自动计算微地震有关参数.SOS微震监测系统拾震传感器拾取微震信号在同类产品中的震动信号响应频带范围是最宽的，为0.1~600 Hz，可同时监测高、低能微震信号.根据微震监测网布置原则(唐礼忠等，2006)，东滩煤矿全矿布置16个微震监测站，主要监测当前存在工作面掘进或开采的一采区、四采区和十四采区.从实际监测情况看，基本对微震事件保证了4个或4个以上测站的有效监测，大都采用P波定位.为确保定位精度，最少4个测站接收到微震信号视为有效震动事件.单向系统定位误差小于15 m，满足预计的定位精度.东滩煤矿井下微震监测站位置分布如图 1所示.

图 1

Figure 1

图 1 微震监测站布置图 Figure 1 Layout of microseismic monitoring station

对工作面顶底板微震事件的分层统计可以反应工作面矿震灾害和能量释放的集中位置，对明确其能量释放趋势和提前卸压方位提供参考.笔者以东滩煤矿1305工作面为例，统计了煤层开采后，分别位于煤层底板、煤层及直接顶、老顶、老顶上覆岩层和最上方岩层的微震数量及能量百分比，如图 2所示，图中小于0部分表示煤层底板以下.可以看出：微震能量和频次主要集中在煤层底板以上40~70 m的位置，这个位置基本位于老顶上方，该层位岩层的岩性为深灰色的砂岩，且以坚硬的细砂岩为主.说明坚硬细砂岩的破碎和断裂主导整个工作面的微震事件，释放大量能量，所以认为这一层位岩层为控制1305工作面矿震发生的关键岩层.

图 2

Figure 2

图 2 微震能量、频次在不同层位的分布 Figure 2 Distribution of microseismic energy and times in different rock stratums

采煤工作面开采以后，地下岩体原有的力学平衡被打破，为准确分析地下应力场二次分布转移特征及与微震震源的位置关系，采用Phase2 Version 6.0二维有限元应力分析软件模拟分析煤层开挖后垂直应力二次分布特征，然后将微震事件按照实际地理坐标“投影”到垂直应力分布云图上，得到微震监测与垂直应力二次分布叠加效应的一种图示结果，见图 3.

图 3

Figure 3

图 3 微震事件在垂直应力云图上的分布 Figure 3 The distribution graphs of microseismic events on vertical stress cloud chart

数值计算几何模型取自东滩煤矿1305工作面运输平巷纵剖面，图中黄色线代表运输巷道中断层分布，微震震源为对应白色采空区开采阶段的震源分布.图 3为工作面从推进60 m到推进190 m的垂直应力变化结果和相应的微震震源分布结果，从图中可以看出震源点的分布有明显的规律性：震源点在工作面前方和采空区后方积聚，工作面前方要多于采空区后方，并且主要集中在裂隙带和垂直应力增高区附近；震源点随着工作面推进先是在老顶积聚，然后逐渐向上方岩层发展，等到开采后又再次降低到老顶附近.随着工作面回采，工作面上方初始应力值有逐渐变化趋势，峰值位置基本距离工作面煤壁10~16 m左右.震源点主要集中分布在垂直应力增高区和降低区，而在应力稳定区分布较少.

1305工作面数值计算结果显示：超前支撑压力峰值距离煤壁10~16 m左右，应力集中系数1.2~2.4，这基本复合理论值，也说明数值计算结果较准确.为继续分析超前支撑压力范围及峰值与微震频次和能量的关系，将微震数据做如下处理：以4 m距离作为一个有效滑动窗，统计煤壁后方20 m至煤壁前方50 m范围内的微震能量和频次累积，做成柱状图，然后与支撑压力曲线显示在同一张图片中，观察支撑压力峰值区与微震能量和频次极值区之间的关系，见图 4、图 5.

图 4

Figure 4

图 4 微震频次与支撑压力关系 Figure 4 Relationship between microseismic times and abundant pressure

图 5

Figure 5

图 5 微震能量与支撑压力关系 Figure 5 Relationship between microseismic energy and abundant pressure

图 4为工作面推进到150 m和170 m时微震频次与支撑压力关系图，图中煤壁位置为0，原始应力值约15 MPa.可以看出：微震频次与支撑压力分布对应趋势基本一致，说明超前支撑压力峰值区应力增大，煤岩体破碎严重，微震事件增多，孕育大矿震；同时也说明应力值与微震频次呈良好的正对应关系.但是，并非应力峰值区所在区域也是高能微震事件发生的区域，从图 5微震能量与支撑压力关系图中可以看出：能量峰值区相对应力峰值区往往呈现出一定的滞后性，即能量峰值往往出现在应力峰值后面一定距离.因此可初步推断应力峰值位置与能量峰值位置关系的经验公式：Y_E=M_E+Δd.式中Y为应力峰值距煤壁距离，m；M为能量峰值距煤壁距离(实体煤侧为正，采空区侧为负)，m；Δd为两者间距，m；下角标E代表能量.根据煤层厚度、顶板岩性、周期来压步距以及开采方式等因素的不同，Δd取值差异也较大，一般为10~30 m.经过计算、统计以及现场考察，认为东滩煤矿1305工作面开采中Δd取值为20 m.在其他工作面开采过程中，可据此规律推断高能矿震发生的位置，预测矿震.

工作面开采，采动应力场随时变化，应力集中区实时移动，部分区域采动应力场与原始应力场叠加、耦合和激增，形成不同级别的微震事件.微震发生是顶底板围岩破裂的反应，微震级别又是围岩破裂程度的映射，而围岩破裂程度也是工作面上覆三带划分的依据，所以可以根据微震级别及密集程度划分上覆三带高度.以1305工作面为例，将工作面开采到190 m时的全部微震事件投影到垂直剖面上，然后根据微震分布推测冒落带与裂隙带高度，见图 6.结果表明：冒落带高度37.8 m，为煤层的4.3倍(煤层厚度8.8 m)，裂隙带高度95 m，为煤层厚度的10倍左右，微震事件绝大部分分布在冒落带与裂隙带内，且以裂隙带为主；微震震源主要集中在超前工作面100 m和煤壁后方150 m左右.将微震监测揭示的两带高度与数值计算结果对比后发现，两者相差不大，说明基于微震监测的采动覆岩两带高度准确性较好.

图 6

Figure 6

图 6 微震揭示的冒落带和裂隙带高度 Figure 6 Caving zone and fractured zone of seismic monitoring reveals

矿震的发生是瞬态的，是震源区岩石介质瞬间失稳的过程.发震时震源区岩石破裂、岩体错动，矿压显现剧烈，对工作面设备及工人安全形成威胁.但是，与矿震发生的暂态过程不同，矿震的孕育则需要较长的时间，因此，对于慢速加载的孕震过程来说，岩石的应力、应变、能量以及应变率变化将在一定程度上显示为流变体的积累过程.所以可以采用岩石介质的流变特性描述矿震的孕震过程，分析矿震孕育过程中的应力、应变、应变速率、能量等物理量随时间的变化规律及其表现出来的矿震前兆信息等.选择Burgers模型(熊良宵，2010；康永刚和张秀娥，2011)模拟孕震过程中震源区域及其围岩介质的流变特性.Burgers模型是Kelvin体与Maxwall体的串联与并联相结合的结构，见图 7.

图 7

Figure 7

图 7 Burgers模型的物理构成 Figure 7 Physical form of burgers model

矿震孕育过程是震源区应力、应变和能量的增长过程，当震源区应力(能量)达到矿震发生的临界应力(能量)时，则发生矿震；孕震过程中震源区的应变增长包括弹性应变及非弹性应变两部分.图 8为矿震孕育过程中应力、应变、能量以及应变率变化时程曲线.可以看出：孕震前期主要是弹性应变积累阶段，系统能量主要表现为弹性能的增长，这是因为非弹性变形在该阶段还不明显，对粘性元件所做的功很小，可以忽略；孕震后期为非弹性变形快速增长阶段，随着非弹性应变的增大，对非弹性变形所做的功亦迅速增长，在临近矿震爆发时的高应力(能量)阶段，由于包括微裂隙发展、塑性变形、断层蠕动等多种形式的非弹性变形的快速增长，非弹性能量的耗散具有加速上升的趋势，最终达到矿震发生的极限条件，巨大的累积能量瞬间释放，爆发大矿震.

图 8

Figure 8

图 8 孕震过程中的应力、应变、应变速率及能量变化曲线 Figure 8 The curve of stress, strain, strain rate and energy in shock bump process

微震监测表明：震源点总在工作面前方和采空区后方积聚，工作面前方多于采空区后方，且主要集中在裂隙带和应力增高区；震源点随着工作面推进先是在老顶积聚，然后逐渐向上发展，开采过后又降低到老顶附近.

微震频次与支撑压力分布趋势基本一致；微震能量峰值区相对支撑压力峰值区往往呈现一定的滞后性，推断得出二者关系经验公式为Y_E=M_E+Δd，可据此预测大能量微震事件发生的位置.

微震监测揭示的覆岩冒落带高度37.8 m，为采高的4.3倍；裂隙带高度95 m，为采高的10倍左右，与数值计算结果大致相符；震源区域主要集中在超前工作面100 m和采空区后方150 m范围.

对矿震孕育机理的研究表明：矿震孕育先后经历弹性应变积累阶段与非弹性应变积累阶段，高应力环境促使非弹性应变快速增长，耗能加速上升，受开采扰动后达到矿震极限条件，能量瞬间释放，爆发大矿震.