瓦斯災(zāi)害潛在危險(xiǎn)區(qū)微震監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究與應(yīng)用

余國(guó)鋒 ，任波 ，劉超 ，段昌瑞 ，陳本良 ，韓云春 ，鄧東生

(1.煤炭開(kāi)采國(guó)家工程技術(shù)研究院，深部煤炭開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232000；2.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083；4.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054)

由于成煤地質(zhì)年代久遠(yuǎn)、封閉性好，我國(guó)大部分地區(qū)煤層埋藏深、瓦斯含量高、壓力大，且歷經(jīng)印支、燕山、喜山等多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，煤層破壞嚴(yán)重、構(gòu)造復(fù)雜、安全開(kāi)采難度大[1-6]。我國(guó)已成為世界上瓦斯災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，煤與瓦斯突出能在較短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生巨大的沖擊能量，不僅嚴(yán)重地摧毀巷道設(shè)施，毀壞通風(fēng)系統(tǒng)，而且造成人員的群死群傷，甚至引起瓦斯爆炸事故，社會(huì)影響極其惡劣[7-8]。隨著淺部資源不斷枯竭，深部高瓦斯、高地應(yīng)力、低透氣性惡劣條件下面臨的瓦斯災(zāi)害威脅更加嚴(yán)峻[9]。近年來(lái)，廣大學(xué)者圍繞煤礦瓦斯災(zāi)害防治開(kāi)展了大量的研究，成果豐碩[7-12]。然而，煤與瓦斯突出發(fā)生機(jī)理不清，影響因素多，目前尚未形成一種普遍適用的瓦斯災(zāi)害潛在危險(xiǎn)區(qū)監(jiān)測(cè)預(yù)警方法。

淮南礦區(qū)是我國(guó)高瓦斯低透氣性煤層群典型代表，礦區(qū)煤與瓦斯突出災(zāi)害嚴(yán)重，威脅礦井的安全生產(chǎn)[12]。本文從開(kāi)采應(yīng)力擾動(dòng)誘導(dǎo)煤巖裂化及微震活動(dòng)入手，對(duì)微震監(jiān)測(cè)預(yù)警突出潛在危險(xiǎn)區(qū)原理進(jìn)行了深入分析，并在淮南新莊孜礦開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了瓦斯災(zāi)害潛在危險(xiǎn)區(qū)微震監(jiān)測(cè)預(yù)警的可行性。

1 瓦斯災(zāi)害潛在險(xiǎn)區(qū)微震監(jiān)測(cè)預(yù)警原理

1.1 微震事件監(jiān)測(cè)定位

煤巖微破裂是開(kāi)采擾動(dòng)情況下應(yīng)力場(chǎng)演化的一種顯現(xiàn)形式，煤層開(kāi)采擾動(dòng)引起應(yīng)力集中、應(yīng)力轉(zhuǎn)移和應(yīng)力釋放，內(nèi)部積聚的能量以彈性波的形式向周圍釋放的過(guò)程即微破裂萌生、擴(kuò)展、貫通、群集等系列微震事件產(chǎn)生、發(fā)展的過(guò)程。在被監(jiān)測(cè)的采動(dòng)區(qū)域范圍內(nèi)布置若干檢波傳感器組成傳感器監(jiān)測(cè)陣列接收此類彈性波，再進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換、震源定位及數(shù)據(jù)處理，即可確定出煤巖體破裂發(fā)生的時(shí)間、三維空間位置及量級(jí)，據(jù)此就可以研判出煤巖破裂的活動(dòng)范圍、穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢(shì)并做出定性或定量評(píng)價(jià)[13-14](圖1)。

圖1 微震事件定位原理圖

1.2 瓦斯災(zāi)害潛在險(xiǎn)區(qū)微震監(jiān)測(cè)

研究表明[15-16]，煤層瓦斯局部大量富集是瓦斯災(zāi)害發(fā)生的充分必要條件、斷層構(gòu)造異常帶是瓦斯災(zāi)害的多發(fā)區(qū)域，通過(guò)抽采開(kāi)采煤層瓦斯降低煤層瓦斯含量、超前探測(cè)斷層等地質(zhì)構(gòu)造異常區(qū)并采取措施是防治瓦斯災(zāi)害的有效手段。

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在美國(guó)、南非等礦山開(kāi)采活動(dòng)中對(duì)巖爆和巖體破壞監(jiān)測(cè)預(yù)警的成功應(yīng)用給煤與瓦斯突出防治提供了新的思路[17]。突破以表觀信息監(jiān)測(cè)為依據(jù)進(jìn)行瓦斯災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警的傳統(tǒng)思路，基于煤層采動(dòng)誘發(fā)煤巖微破裂演化致災(zāi)的本質(zhì)，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)，獲取微震活動(dòng)信息及微破裂的空間分布，據(jù)此得出裂隙區(qū)、斷層的位置、形態(tài)和演化過(guò)程以及瓦斯富集區(qū)，指導(dǎo)煤層瓦斯抽采、構(gòu)造異常區(qū)措施實(shí)施，從而防治瓦斯災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)煤炭安高效全開(kāi)采(圖 2)。

2 試驗(yàn)區(qū)概況與監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

圖2 瓦斯災(zāi)害潛在險(xiǎn)區(qū)微震監(jiān)測(cè)原理圖

新莊孜礦是淮南高瓦斯(12～36 m3/t)、低透氣性(滲透率為0.001 mD)、松軟(堅(jiān)固性系數(shù)f為0.2～0.8)、煤層群(9～18層可采煤層)開(kāi)采條件典型代表，煤層瓦斯壓力大(高達(dá)6.2 MPa)、構(gòu)造復(fù)雜，主采煤層 C15、C13、B11、B8、B4均為強(qiáng)突出煤層。

62114工作面位于C14煤層，走向長(zhǎng)900 m，平均傾向長(zhǎng)約145 m，標(biāo)高-596～-650 m，煤層采高1.5 m，為無(wú)突出危險(xiǎn)煤層，通過(guò)首采保護(hù)層C14保護(hù)C15和 C13煤層。

62110工作面位于B10煤層，走向長(zhǎng)780 m，傾斜長(zhǎng)120～160 m，風(fēng)巷標(biāo)高-600 m，順槽標(biāo)高-662 m，上覆B11b煤、下伏B8煤均未回采，工作面風(fēng)巷和切眼已形成，底板巷約有100 m未掘進(jìn)，順槽約500 m未掘。該工作面小構(gòu)造較為發(fā)育，地應(yīng)力集中且圍巖易破碎，瓦斯動(dòng)力災(zāi)害威脅嚴(yán)重。

2.2 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際，在62113、和62110工作面底板巷未掘區(qū)域分別布置 P1、P2采集儀、P3、P4、P5采集儀和 P6、P7采集儀，與 S1、S2……S42共 42 個(gè)傳感器相連(圖3)。S1～S30各傳感器間距約為60 m左右，局部加密，布置在掘進(jìn)工作面后方巷道和底板巷內(nèi)，監(jiān)測(cè)62114工作面覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育及其演化，指導(dǎo)瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)。與S1～S30布置原則類似，通過(guò)S31～S42傳感器對(duì)62110面底板巷未掘區(qū)域微震信息進(jìn)行超前監(jiān)測(cè)，掩護(hù)順槽掘進(jìn)，保障工作面安全回采。隨著監(jiān)測(cè)工作面的回采和監(jiān)測(cè)巷道的推進(jìn)，傳感器依序向工作面和掘進(jìn)巷道前方回撤并安裝，從而實(shí)現(xiàn)微震傳感器的移動(dòng)監(jiān)測(cè)，保證微震彈性波監(jiān)測(cè)的連續(xù)性。

圖3 監(jiān)測(cè)方案及傳感器布置示意圖

3 微震監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 覆巖采動(dòng)裂隙演化監(jiān)測(cè)

圖4為2009年7月份所監(jiān)測(cè)到的較為典型的沿工作面傾向方向上微震事件及其等值密云圖[13，19]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)區(qū)采動(dòng)過(guò)程中的微震事件實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)監(jiān)測(cè)。在煤層采動(dòng)影響下，隨著工作面的推進(jìn)，工作面覆巖微震事件不斷遷移、聚集、規(guī)模擴(kuò)大、數(shù)量增多，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果如下：

(1)微震事件數(shù)量：89個(gè)→122個(gè)→164個(gè)→232個(gè)。

(2)事件位置及范圍：主要集中在靠近沿空留巷、下巷及工作面上方→范圍不斷擴(kuò)大→不斷堆積延伸并呈微弱彎曲下沉趨勢(shì)→聚集明顯，跳躍式發(fā)展。

圖4 覆巖采動(dòng)裂隙形成過(guò)程中微震事件及其演化

微震事件的孕育、發(fā)生、發(fā)展過(guò)程在一定程度上反映了覆巖采動(dòng)裂隙發(fā)育及其演化過(guò)程。隨著工作面的推進(jìn)，微震事件在采空區(qū)覆巖內(nèi)沿工作面推進(jìn)方向呈周期性不斷向前遷移，最終在工作面掌子面內(nèi)側(cè)、沿空留巷、且眼及下巷上方聚集發(fā)展，形成采動(dòng)裂隙區(qū)，整體上近似一個(gè)“圓環(huán)形”的裂隙帶(圖 5(a))，類似覆巖采動(dòng)裂隙“O”型圈[18]；“圓環(huán)形”的裂隙帶互相導(dǎo)通，在空間上形成一個(gè)不規(guī)則閉合的“圓柱形橫臥體”[19]。由于采空區(qū)瓦斯上浮、臨近層瓦斯解吸，大量瓦斯富集于“圓柱形橫臥體”，類似于“高位環(huán)形裂隙體”[20]，最終在裂隙區(qū)形成的高濃瓦斯富集潛在危險(xiǎn)區(qū)(圖5(b))，間接預(yù)警了瓦斯災(zāi)害。將瓦斯抽采鉆孔終孔位置設(shè)計(jì)在該區(qū)域，更有利于卸壓瓦斯有效抽采。

根據(jù)微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)瓦斯抽采鉆孔角度、終孔位置等進(jìn)行了優(yōu)化。以頂板鉆孔的卸壓瓦斯抽采為例，優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì)前類似條件下鉆孔抽采量3.1～8.2 m3/min，平均不到 6 m3/min，抽采濃度多小于30%；優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì)后瓦斯抽采效果明顯提升，瓦斯抽采量 6.6～23 m3/min，平均 11.7 m3/min，抽采濃度17.4～47.4%，平均30.8%(圖6)。證實(shí)了通過(guò)微震監(jiān)測(cè)覆巖采動(dòng)裂隙，指導(dǎo)瓦斯抽采鉆孔布置，提高瓦斯抽采效果，消除高瓦斯富集潛在危險(xiǎn)區(qū)瓦斯災(zāi)害威脅的有效性。

3.2 隱伏斷層(構(gòu)造)超前探測(cè)與破裂監(jiān)測(cè)

圖6 鉆孔瓦斯抽采效果圖

圖7 是62110工作面底板巷與順槽掘進(jìn)期間所監(jiān)測(cè)到的微震事件及其密度等值云圖[21]?？梢?jiàn)，采掘活活動(dòng)對(duì)隱伏斷層(構(gòu)造)影響較大，斷層面微破裂不斷積聚。從4月30日監(jiān)測(cè)到相對(duì)密集的微震事件以來(lái)(圖7(a))，隨著掘進(jìn)巷道不斷靠近斷層，斷層區(qū)域微震事件成條帶狀急劇增加，并不斷積累(圖 7(b)、(c)、(d)、(e))，微震事件的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程較好的反應(yīng)了采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)下隱伏斷層(構(gòu)造)破裂弱化的整個(gè)過(guò)程。

區(qū)域內(nèi)二維地震勘探結(jié)果表明該區(qū)域存在2處(JS3、JS4)同相斷軸點(diǎn)異常(圖8)，推斷這 2處異常是由構(gòu)造或巖性變化引起，其解釋結(jié)果與微震監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致。后期實(shí)際揭露的Fa斷層、F10-5(10)斷層位置與微震監(jiān)測(cè)結(jié)果也基本一致(圖9)，進(jìn)一步說(shuō)明了通過(guò)微震監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)隱伏斷層(構(gòu)造)探測(cè)的有效性。斷層構(gòu)造異常帶是煤與瓦斯突出等瓦斯災(zāi)害的多發(fā)區(qū)域，通過(guò)微震對(duì)隱伏斷層(構(gòu)造)破裂弱化過(guò)程的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)隱伏斷層(構(gòu)造)超前探測(cè)，間接預(yù)警了瓦斯災(zāi)害潛在危險(xiǎn)區(qū)。

圖5 采動(dòng)覆巖微震事件與裂隙分布特征

圖7 采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)下隱伏斷層(構(gòu)造)破裂過(guò)程中微震事件及其演化

圖8 二維地震勘探解譯結(jié)果圖

圖9 實(shí)際揭露斷層位置分布圖

4 結(jié)論

(1)微震監(jiān)測(cè)可實(shí)現(xiàn)采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)誘發(fā)的煤巖劣化和微破裂演化所發(fā)生的微震事件實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、連續(xù)監(jiān)測(cè)，為瓦斯災(zāi)害潛在危險(xiǎn)區(qū)監(jiān)測(cè)提供了一種新的思路和技術(shù)方法。

(2)通過(guò)微震監(jiān)測(cè)，確定了卸壓開(kāi)采裂隙區(qū)發(fā)育位置、形態(tài)和演化過(guò)程以及覆巖瓦斯富集區(qū)空間分布規(guī)律，為優(yōu)化瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)、提高瓦斯抽采效果、防治瓦斯災(zāi)害提供了科學(xué)依據(jù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)后鉆孔瓦斯抽采效果顯著提高。

(3)微震事件的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程較好的反應(yīng)了采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)下隱伏斷層(構(gòu)造)破裂弱化的整個(gè)過(guò)程，從三維空間形貌、位置、破裂弱化進(jìn)程和發(fā)展趨勢(shì)等方面對(duì)煤層構(gòu)造異常區(qū)(破碎帶、隱伏斷層等)進(jìn)行超前探測(cè)，間接預(yù)警了不良地質(zhì)體瓦斯災(zāi)害潛在危險(xiǎn)區(qū)。