煤炭作为我国重要的基础能源,其可持续开采和高效利用关系到国民经济健康发展和能源安全。随着采深不断加大，煤层赋存条件日益复杂，断层、构造、含水层等地质环境问题更加突出。受多种因素制约，工作面往往采用不等长面布局，如刀把式^[1-2]、渐变式^[3]等，这种特殊的开采布置易引发应力异常、岩体失稳、突水等灾害。因此，揭示不等长工作面回采时煤岩体的破裂失稳机制及其空间响应规律，对于煤矿安全高效生产具有重要意义。

目前国内外学者针对不等长工作面回采问题，主要从理论分析和数值模拟两个层面开展研究。在理论分析方面，卢邦稳等^[1]提出了控顶厚度计算方法，揭示了作业面长度对采动岩层破裂分布的影响规律；高明中等^[2]分析了不等长工作面推进过程中顶板的破裂规律；李杨杨等^[4]建立了计算模型，研究了不同采场接续方式对采空区应力分布的影响。在数值模拟层面，王新丰等^[5]基于离散元数值模拟分析了不同倾斜长度下的采场变形和支护设计参数；罗飞等^[6]通过数值模拟研究了工作面长度对顶底板破坏的影响机制。上述研究工作对认识和分析不等长工作面煤岩体运动规律作出了贡献，但主要是基于简化后的理论条件或理想化的数值模型，缺乏实际工程测试数据的支撑，研究结果的应用价值存在一定局限性。

随着新型微震定位与监测系统的发展和广泛应用，利用现场实测微震数据研究不等长工作面开采问题成为可能。目前，国内外一些专家学者已基于微震监测开展了一些相关研究，主要集中在矿压显示^[7-12]、突水预警^[13-17]、顶板破裂^[18-20]等方面。但针对影响不等长工作面微震时空分布的重要因素及其规律性研究较少，亟需开展深入系统的分析。

笔者以冀中能源峰峰矿区九龙矿15240刀把式工作面为工程背景，基于大量现场微震监测数据，结合详细的回采参数和地质资料，分阶段分析了不同倾斜长度条件下微震事件在平面和垂向上的时空分布特征及其影响因素，旨在揭示不等长工作面回采引发微震活动的基本规律，为深入挖掘煤岩体破裂场动态演化奠定基础，并为煤矿开采设计优化、矿压管理等实践提供技术支撑。

1   工程概况

九龙矿15240工作面位于南三采区东部，东北部为NF22-1断层，东南部为F1-1断层；西部为正在回采的152_下36工作面，北部为15238、152_下38工作面采空区。地面高程+111.6~+120.9 m，井下高程为−510~−653.4 m，走向长度1 063~1072 m，倾斜长度57~93 m。所采煤层为2号煤，煤层赋存稳定，平均2.7 m，煤层倾角9°~15°。该工作面外切眼上方存在多条断层，其中2条比较大的断层一条倾角为60 °，落差为5 m，另一条倾角为65 °，落差为6.5 m。

该矿煤层顶底板综合柱状图如图1所示，底板主要含水层有野青灰岩、山伏青灰岩、大青灰岩、奥陶系灰岩。奥灰顶界面水压约为9.3 MPa，回采前在工作面布置范围内进行了地面区域治理，治理层位为奥灰顶面以下11.4~40.0 m。

图  1  15240工作面综合柱状图

Figure  1.  Composite stratigraphic column of the No. 15240 mining face

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2   微震系统布置与数据处理

15240工作面微震系统布置如图2所示，充分结合工作面巷道情况、地质条件等，安装单轴检波器20个，4个监测分站，共计20通道。微震传感器选用GZC10拾震传感器，响应频率范围为4~1 000 Hz，灵敏度为100 V/ms。检波器采用包围形方式布置，间距80~100 m，钻孔均布置在两侧巷道外帮底板。

图  2  微震系统布置平面图

Figure  2.  Plan showing the layout of the microseismic monitoring system

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微震实时连续24 h采集和传输，井下光纤直接传输至九龙矿地面交换机，并通过局域网传输至微震监测总服务器，而后可触发微震事件。在微震监测系统构建之后，在工作面巷道中不同位置设计校正炮，通过质量控制速度扫描、速度回归等得到速度模型，与检波器位置、角度等信息一并载入微震数据处理软件中。利用STA/LTA模型^[21-22]进行事件识别，由专业人员进行P波、S波初至拾取，为保障数据定位精度，至少需要拾取4个通道初至。定位过程中，在事件分析框界面既可直观地看到事件的三维空间位置，也可实时查看每个微震事件发生时间、位置、能量、定位残差等信息。在质量控制完成后，应用相关制图软件绘制平面图、剖面图等，并分析单日时空演化规律，形成微震监测日报，反馈至矿方。

3   微震事件平面分布特征

在微震事件可视化输出时，为更好地展现微震事件与所回采煤层的关系，结合三维地质模型，将微震事件投影划分为2煤以上、2煤底−野青下、野青下−伏青下、伏青下−大青下、大青下−奥灰顶界面、奥灰以深等6个层段。2煤以上为顶板事件，其他层段均为底板事件。结合倾斜长变化、微震时空演化规律等因素将工作面分为窄面、宽面、斜面，如图2所示，从窄面到宽面，倾斜长由57 m增为93 m。斜面阶段93~100 m不规则。3个阶段各层段数量统计结果见表1，窄面、宽面阶段底板占比大，原因在于底板岩性较顶板相对薄弱，回采时关注相关区域水文观测。斜面阶段2煤以上占比为53.59%，顶板比例较之前明显增大，分析在该阶段内，工作面处于2条大断层中间，NF22-1落差17 m，F1-1落差逐渐由50 m增至75 m，工作面处于上盘位置，断层破碎带岩性较弱，下伏岩层受到下盘支撑，在采动应力影响下，顶板上覆岩层受到剪切力作用较其他阶段大，微破裂频次大，因此，顶板事件比例增大。

表  1  各层段微震事件统计

Table  1.  Statistics of microseismic events in various sections

层段	窄面			宽面			斜面
	个数	占比%		个数	占比%		个数	占比%
2煤以上	322	41.98		6 273	37.99		1 171	53.59
2煤底−野青下	445	58.02		10 233	61.98		1 013	46.36
野青下−伏青下				5	0.03		1	0.05
总计	767	100		16 511	100		2 185	100

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据统计，窄面阶段日均37个微震事件，宽面阶段日均频次为87个，增加135%。斜面阶段日均32个，较宽面下降63.2%，停采后日均13个，说明微震事件受采动活动影响明显。频次多少除受面长变化影响之外，也与采动速度相关。回采初期推进平均速度为4.8 m/d，采动速度较慢，扰动深度较浅。宽面阶段采宽增大且速度增加至6 m/d，事件频次明显增大，进入斜面后速度约3.8 m/d，日均频次降低。

3.1   窄面阶段平面分布特征

该工作面回采初期倾斜长为57 m，其顶底板事件分布如图3所示，事件主要分布在切眼前方220 m内以及工作面上方断层密集区附近。微震事件超前影响距离约为40 m，均为近煤层事件。外切眼附近有断层，岩石较为破碎，且该区域为由窄变宽巷道拐弯处，为应力集中区，在多因素耦合作用之下，微震事件较其他区域密度大。物探异常区处有零星微震事件分布。

图  3  窄面阶段微震事件平面分布

Figure  3.  Planar distribution of microseismic events during the mining of the narrow part

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3.2   宽面阶段平面分布特征

顶底板事件分布如图4所示，事件主要分布在切眼前方78~1030 m范围内。微震事件密度明显较窄面大，事件超前影响距离为80~100 m。5月份之后数据平面分布密度进一步增大，由图4b可知，底板事件较其他区域密集度更高的异常区为瓦斯抽采影响下的地质薄弱区，岩石易破碎，微震事件密集发育。底板事件分布范围扩展至两巷外侧130 m。推采至宽面末端时，巷道拐弯处一直到物探异常区，均有微震事件分布，此时该区域已经受到超前支承压力、采空区侧向支承压力影响，原始应力场平衡被打破，煤岩体发生失稳变形、破裂，从而产生大量微震事件。

图  4  宽面阶段微震事件平面分布

Figure  4.  Planar distribution of microseismic events during the mining of the wide part

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宽面阶段共出现5个野青下−伏青下层段的微震事件，其平面分布如图5所示。第一次出现在3月7日，工作面进入宽面推进了28 m，当日微震事件数量较前期增加64%，达到小高峰，分析为进入宽面后的初次来压，采动压力释放剧烈，破坏深度增大。第二次出现在5月31日，此时工作面推进546.5 m，该事件距离终采线489 m，推进速度约6 m/d，最大扰动深度为80.93 m。第三次出现在6月18日，位于断层附近，日报中事件增幅较大，分析为矿压显现且此处较为破碎。第四次出现在6月20日，在终采线前方176 m，扰动深度为62 m。第五次在6月22日，在终采线前方183 m，扰动深度为59.61 m，分析原因为瓦斯抽采施工以及断层薄弱带影响，发育深度较大。上述野青下−伏青下事件在时空分布上不连续，未形成有效导水通道，未影响工作面安全回采。

图  5  山伏青事件平面分布图 (2021年)

Figure  5.  Planar distribution of microseismic events at the lower Yeqing - lower Fuqing interval (2021 year)

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3.3   斜面阶段平面分布特征

斜面阶段顶底板事件平面分布如图6所示。此阶段内存在一个物探异常区，为已知断层f₀₁与f₀₃共同向工作面内延伸所致，且巷道向北存在倾斜角度，此处地质条件较为薄弱，煤岩体较破碎，为微震事件优势发育区域，回采初期事件零星分布，推采至宽面末端时此处产生大量微震事件，推采至斜面阶段后仍有微震事件。进入斜面初期，巷道较为密集，为应力集中显现区，且断层F1-1距盲巷较近，此时断层落差约50 m，在采动应力影响下，断层附近围岩易发生破碎，发育深度有所增大。该阶段仅出现一次野青下−伏青下事件，9月14日在断层F1-1附近，为采动应力和原岩应力叠加影响底板岩石破碎程度较大，影响至伏青灰岩。

图  6  斜面阶段微震事件平面分布

Figure  6.  Planar distribution of microseismic events during the mining of the slope

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总之，空间分布上，随着回采推进微震事件随之向前推进。窄面阶段处于回采初期，煤岩体受采动影响较小，事件能量较小，处于萌芽期。进入宽面后，倾斜长变长，采空区面积增大，卸荷不断增大，煤岩体内裂纹扩张和宏观裂隙的产生急剧增加，并伴随着一定范围内局部煤岩体的断裂破坏，导致微震次数、能量等会有较大幅度增加。回采过程中在宽面阶段、斜面阶段出现过野青下−伏青下层段微震事件，扰动深度较大。

4   微震事件垂向分布特征

在分析微震事件平面分布的同时深入分析微震事件垂向上的发育特点，了解在采动应力、地应力等影响之下微震事件扰动深度变化情况，对做好防治水工作具有重要意义。经统计96.7%的微震事件在顶板44 m以下、底板55 m以内密集分布，野青下−伏青下层段微震事件离散点分布。

4.1   顶板破裂高度

在回采过程中共监测到顶板事件7 766个。顶板破裂高度按5 m分段统计结果如图7所示，单日顶板最大破裂高度如图8所示。由图7可知，窄面、宽面阶段总体趋势上大体一致，距离煤层越远，微震顶板事件频次逐渐降低，对微震数据统计后发现，窄面、宽面阶段0~5 m数据最多，60%以上的事件在15 m以内。而斜面阶段呈现单峰偏态式分布，在10~15 m出现峰值，两侧频次逐渐降低，该阶段内岩性较其他区域较为薄弱，发生下沉、变形、垮落的程度较大。斜面阶段60%以上的事件发育高度在20 m以内，斜面调采顶板裂隙集中发育高度相比前2个阶段向上延伸了33%。

图  7  各阶段顶板破裂高度统计结果

Figure  7.  Statistics of roof fracturing heights in various stages

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图  8  单日顶板最大破裂高度曲线

Figure  8.  Curves showing the maximum daily roof fracturing heights

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如图8所示，窄面阶段顶板最高发育高度为61.21 m，发生在2月9日，此时采线距离开切眼49 m，该事件位于采线附近。宽面阶段顶板最大发育高度为112.8 m，发生在5月20日，此时进入宽面351 m，位于工作面中间位置。斜面阶段内，顶板最大发育高度为117 m，发生在9月14日，此时由宽面受到大断层影响，进行调斜回采，且此处巷道处应力集中，裂隙不断向上发育。综合来看，窄面阶段顶板发育高度范围在62 m之内，在3个阶段中最小，此时为工作面初采阶段，覆岩破坏程度不明显，在重力作用下发生弯曲变形。宽面、斜面阶段顶板破裂高度发育范围在120 m以内。随着工作面推进，采空区面积增加，上覆岩层在弯曲变形之后形成离层，当岩层应力状态超过其强度极限时发生垮落，岩层裂隙与离层空间进一步向上延展。微震数据表明，调采区域围岩裂隙发育高度更大，在此区域关注来压时对工作面的影响。

4.2   底板扰动深度

底板扰动深度按照5 m分段统计结果如图9所示，单日底板最大扰动深度随时间序列变化如图10所示，分析发现回采过程中不同阶段的扰动深度变化有以下规律。

图  9  各阶段底板扰动深度统计结果

Figure  9.  Statistics of floor disturbance depths in various stages

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图  10  单日底板最大扰动深度曲线

Figure  10.  Curves showing the maximum daily floor disturbance depths

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(1)底板事件在煤层附近区域内密集分布，90%以上的底板事件集中在距离煤层25 m以内的范围。这是由回采扰动直接作用于底板煤岩体所致，属于采动破坏带范围内的破裂。

(2) 25 m以深则呈离散分布，出现频次较低。这些深部事件通常发生在一些特殊区域，如倾斜长变化区、调采区、断层构造区等，受到多种力源扰动的影响更显著。

(3)在窄面和斜面阶段，底板事件的垂向分布呈现出距离煤层越远频次逐渐降低的规律。而在宽面阶段，底板事件垂向分布表现为单峰偏态分布，在一定深度范围内出现峰值。

(4)个别深部事件发育至野青灰岩以下伏青灰岩层段，伴随扰动深度的增大，底板微破裂贯通的可能性加大，突水风险增大。

(5)不同回采阶段，底板最大扰动深度存在差异。宽面阶段最深可达80.93 m，斜面阶段最深62.45 m，这些深部事件常发生在应力集中区或地质构造复杂区。

倾斜长度变化、调采、断层构造等因素均会加剧底板岩层的扰动和损伤程度，导致深部底板事件活跃。宽面、斜面底板事件最大扰动范围已经发育到伏青灰岩，伏青灰岩富水性强，突水风险增大，因此，微震监测过程中对此层段事件进行重点分析，及时预警。

5   结果与讨论

综合上述不同阶段微震事件平面、垂向分布特征，分析总结在倾斜长度变化过程中微震事件空间分布存在以下特点。

(1)不等长工作面微震事件分布受到倾斜长度、采动速度、地质构造、巷道位置、物探异常区等多因素影响，规律更为复杂，具有明显的分区特征。倾斜长度发生变化区域微震活动性由弱到强，事件超前影响范围由小到大。

(2)不等长工作面回采过程中，微震总体能量释放先增大后减小，释放速率经历了先快后慢的变化过程。采线前方事件主要受采动超前支承压力影响，以小能量为主。在断层构造处、顶板大面积破断处能量释放较为剧烈。

(3)从顶板破裂高度上看，微震事件分布呈现非线性变化趋势。倾斜长度变宽后周期来压强度增大，调采区域顶板裂隙集中发育高度明显增大，通过微震事件及属性可实时分析裂隙发育形态和演化趋势，适时优化顶板管理方法，使得顶板及时垮落，以免造成应力集中，影响安全生产。

(4)从底板扰动深度上看，煤层底板下方25m以内微震事件密集分布，主要由回采扰动引起的煤岩体破裂，位于采动破坏带范围之内。在倾斜长度发生变化区域、受瓦斯抽采施工影响区、调采阶段巷道拐弯区内底板事件存在深部发展趋势，出现强含水层段事件，微破裂局部贯通深度增大，与奥灰水导通的危险系数变大，是重点关注区域。可见工作面倾斜长度变化、调采等对底板岩层扰动、变形影响显著，此类区域平面位置和垂向深度的精准描述是进行水害预警的关键。

(5)在工作面回采其他煤层时也需多关注倾斜长变化区、调采区、断层构造区，重复采动底板破坏范围会进一步增大，突水风险增加，应提前对此类区域采取相关措施确保安全回采。

6   结 论

(1) 煤矿不等长工作面回采过程中，微震事件呈现显著的时空分布阶段性特征。窄面阶段，处于采动初期，微震主要集中于宽面端附近前阶段窄面区域边缘；宽面阶段，处于采动中期，微震活动向后方宽面区域内部蔓延；进入斜面阶段后，微震则集中分布于巷道转弯处及物探异常区附近。

(2) 倾斜长度变化、采动扰动及速度、地质构造条件、巷道环境以及底板岩性是影响微震事件时空分布的关键因素。由窄变宽区域、调采区域，呈现底板事件活动性增强、扰动深度增大的特点，是加强水文地质观测的重点区域。

(3) 回采扰动与上覆煤层抬升引起的应力再分布，以及巷道围岩卸压失稳等是导致不同阶段微震事件产生和分布差异的根本原因，各影响因素存在耦合作用。

(4) 研究成果可为类似工作面的矿压监测、顶底板破坏深度评估、微震监测水害预警等提供新的理论指导，对确保煤矿安全高效生产具有重要指导价值。后续可基于深度学习刻画数据本质特征，探究其发生机理，优化大数据动态变化分析模型。

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.