1、采动覆岩微震分区演化特征的数值模拟研究袁国涛1，张明伟1，王杰2，卫俊1，杨坤1（1.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221000；2.中煤科工集团西安研究院（集团）有限公司,陕西西安710065）摘要：为了探究采动覆岩的破裂分区特征与微震演化规律，以某矿井工程地质条件为背景，根据矩张量与颗粒流理论构建了微震模拟方法，实现了对回采工作面覆岩微震演化特征的模拟研究。研究表明：采动覆岩的微震事件矩震级集中在2.71，微震破裂强度符合常见的正态分布性质，微震发生频次与微震矩震级的关系也满足经典的矩震级频度关系式；微震事件在采场横向上表现出明显的区域分布特征，采空区左右煤壁中
2、的微震事件先于采空区顶板发生，微震事件围绕采掘空间向两侧发展，且存在一定的超前性与滞后性；当工作面开采一定距离后，采空区上覆岩层的垂向应力表现出“双峰值”特征，微震事件迅速向上延伸，并在上覆软弱岩层内集聚、发育，使得微震事件在竖向上同样表现出明显的分层分布特征；根据采场的应力、位移以及微震分布特征，可以将上覆岩层划分为“横四区”与“竖三带”，各个破裂区域的微震事件破裂类型占比各不相同，煤壁支撑区与离层区分别为剪切型与拉伸型微震事件的主要占比区域。此外，对研究区域建立了微震监测系统，现场监测与数值模拟结果基本吻合，表明构建的微震模拟方法适用性较好，可以从细观层面再现采动覆岩的微震演化过程，研究结
3、果为揭示采动裂隙演化机理提供一定的理论基础。关键词：采动覆岩；微震；矩张量；颗粒流；破裂类型中图分类号：TD323文献标志码：A文章编号：02532336（2023）08003611Numerical simulation study on sub-regional evolution of microseismiccharacteristics of mining overburden rockYUANGuotao1,ZHANGMingwei1,WANGJie2,WEIJun1,YANGKun1（1.State Key Laboratory of Deep Geotechnical Mech
4、anics and Underground Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221000,China;2.Xian Research Institute Co.,Ltd,China Coal Technology and Engineering Group Corp.,Xian 710065,China）Abstract:Inordertoexplorethefracturezonecharacteristicsandmicroseismicevolutionwithinoverburdenrockabovemi
5、ningcoalseam,basedonthegeologicalengineeringconditionsofamine,amicroseismicsimulationmethodwasconstructedaccordingtothemomenttensorandparticleflowtheory,andthemicroseismicevolutioncharacteristicsofoverburdenrockabovepanelsweresimulated.Theres-ultsshowthatthemagnitudeofmicroseismiceventsinmining-dist
6、urbedoverburdenisbetween2.7and1,andthemicroseismicfrac-turestrengthconformstotheGaussiandistribution.Therelationshipbetweenmicroseismicfrequencyandmomentmagnitudealsosatis-fiestheclassicalmomentmagnitude-frequencyrelationship.Themicroseismiceventsshowprominentregionaldistributioncharacteristicsinthe
7、horizontaldirectionofthepanel.Themicroseismiceventsintheleftandrightcoalwallsofthegoafoccurearlierthantheroofabovegoaf,andthemicroseismiceventsdeveloptobothsidesaroundtheminingspace,andthereisacertainadvanceandlag.Whenthepanelisminedforacertaindistance,theverticalstressoftheoverburdenabovethegoafsho
8、wsadoublepeakcharacteristic,andthemicroseismiceventsextendupwardrapidlyandgatheranddevelopintheweakoverburdensothatthemicroseismiceventsalsoshowprominentlayereddistributioncharacteristicsintheverticaldirection.Accordingtothestress,displacement,andmicroseismicdistributioncharacteristics收稿日期：20220509责
9、任编辑：常琛DOI：10.13199/ki.cst.2022-0693基金项目：国家自然科学基金资助项目（52074260）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2019QNA26）作者简介：袁国涛（1993），男，山东菏泽人，博士研究生。E-mail：通讯作者：张明伟（1984），男，山东潍坊人，副研究员，博士。E-mail：第51卷第8期煤炭科学技术Vol.51No.82023年8月CoalScienceandTechnologyAug.2023袁国涛，张明伟，王杰，等.采动覆岩微震分区演化特征的数值模拟研究J.煤炭科学技术，2023，51（8）：3646.YUANGuotao，ZHA
10、NGMingwei，WANGJie，et al.Numericalsimulationstudyonsub-regionalevolutionofmi-croseismiccharacteristicsofminingoverburdenrockJ.CoalScienceandTechnology，2023，51（8）：3646.36withinoverburden,theoverburdencanbedividedintofourhorizontalzonesandthreeverticalzones.Theproportionofmicroseismiceventsandfracturet
11、ypesineachfractureareaisdifferent.Thecoalwallsupportedandbedseparationareasarethelargeproportionareasofshearandtensilemicroseismicevents,respectively.Inaddition,amicroseismicmonitoringsystemwasestablishedforthestudyarea.Thefieldmonitoringandnumericalsimulationresultsareconsistent,indicatingthattheco
12、nstructedmicroseismicsimulationmethodhasagoodapplicabilityandcanreproducethemicroseismicevolutionprocessofmining-disturbedoverburdenfromthemesoscopiclevel.Theresearchresultsprovideatheoreticalbasisforrevealingtheevolutionmechanismofmining-inducedfractures.Key words:miningoverburdenrock；microseism；mo
13、menttensor；particleflow；fracturetype0引言采动覆岩裂隙延展规律研究作为工程界十分关注的课题，与采掘过程中发生的各类工程灾害、环境灾害等问题密切相关12。因此，有效掌握开采煤层引起的覆岩破坏特征及裂隙演化规律，对煤矿的安全生产和绿色开采具有十分重要的意义。微震监测技术起源于地球物理学领域3，因具有大区域性、高连续性等特点，近几年被广泛应用于岩体破裂过程的实时监测中，并取得了诸多有益的研究成果。CHENG 等4基于矿山地质资料与微震监测技术，研究了采动覆岩横向和垂向的微震事件分布规律，并在此基础上构建了覆岩在横向和垂向的破裂分区方法。侯恩科等5利用井地联合微震监
14、测技术，从微震事件的能量和密度角度探讨深埋煤层开采顶板覆岩破坏过程及导水裂隙带发育高度。孟祥军等6运用微震监测技术对工作面推进过程中微震事件进行实时记录，并分析了采动覆岩的裂隙发育形态特征和演化趋势，为高位钻场瓦斯抽采参数设计与优化提供一定的依据。综上可知，前人关于采动覆岩裂隙已进行了大量微震监测现场实践工作，并取得了丰富的研究成果。但是对于采动覆岩微震演化特征背后的细观机制研究较少，加上微震监测技术在实际工况应用中，存在定位误差偏大7、源能计算方法不固定8等特点，因此急需寻求另一种研究方法对此加以完善与补充，从细观层面上揭示采动覆岩微震演化特征背后的力学机制。颗粒流离散元计算方法可以从细观层
15、面再现岩体破裂过程，已被广泛应用于各类围岩力学特性与工程的模拟910，此外，有学者将该方法与矩张量理论结合，成功实现了室内尺度的岩体破裂过程的声发射模拟1113。鉴于此，基于颗粒流离散元计算方法建立了采动覆岩的数值模型，并在此基础上采用矩张量理论的微震计算方法，对不同破裂分区条件下的微震事件演化规律进行分析，深入探讨采动覆岩的细观破裂过程，为从微震监测角度揭示采动裂隙演化机理提供一定的理论基础。1采动覆岩的破裂分区模型l1123l2大量的研究表明，煤层开采后，上覆岩体的应力平衡被打破，应力重新分布。图 1 为采场上覆岩层的破裂分区模型考虑到煤壁支撑区的影响，在水平方向可以将顶板岩层划分为 4
16、个区，从左到右分别为原岩区(A 区)、煤壁支撑区(B 区)、离层区(C 区)和再压实区(D 区)4,14。4 个区域的应力状态不同，其岩体运移规律以及破裂特征也有所不同。原岩区位于采空区前方，超前距离较远，处于应力平衡状态，在回采期间一般不会产生新的裂隙。煤壁支撑区紧靠回采工作面前方，受超前应力的影响，压力峰值出现在工作面前方一定距离处，工作面到支撑压力峰值位置的煤岩体处于极限平衡状态，主要由剪应力控制，煤壁支撑区范围、倾角与顶板岩层刚度及所受超前应力等因素有关。离层区主要由拉应力主导，该区域岩层在重力应力作用下发生弯曲变形，由于煤岩体力学性质的差异，所表现的弯曲变形程度不同，从而导致层间裂隙的形成15。此外，在拉应力作用下岩层会产生断裂破坏，并不断向上发展，随着原生裂隙与次生裂隙的不断延展，岩层之间也产生了复杂的剪应力，进而加速了裂隙和裂缝的发展，从而形成一定角度的裂隙并向上扩展。离层区裂隙的发展角、以及范围 都与上覆岩体的刚度有关。再压实区为应力再平衡区，采空区顶板岩体经过垮落、裂隙延展等过程，在自重应力的作用下逐渐达到区域平衡状态，由于该部分区域是通过前两个区域过渡而来，因而此区
