張集煤礦突水危險(xiǎn)域微震監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用

劉曉國 ，魏廷雙 ，余國鋒 ，王四戌 ，韓云春 ，牟文強(qiáng) ，李連崇

（1.淮南礦業(yè)煤業(yè)分公司 張集煤礦，安徽 淮南 232001；2.深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232000；3.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232000；4.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

微震監(jiān)測技術(shù)作為一種巖體微破裂三維空間監(jiān)測技術(shù)，在礦井安全開采方面得到了廣泛應(yīng)用，如沖擊地壓、礦井突水災(zāi)害預(yù)警，在重大地質(zhì)災(zāi)害防治方面得到了迅速發(fā)展[1-4]。微震監(jiān)測技術(shù)主要采集巖體等脆性材料在外力等荷載作用下，發(fā)生微破裂時(shí)釋放彈性波的時(shí)間、空間、強(qiáng)度來推演微破裂的發(fā)生位置，國內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)微震監(jiān)測與突水災(zāi)害預(yù)警進(jìn)行了深入研究[5-7]。導(dǎo)水裂隙通道是煤層頂?shù)装逶陂_挖作用、承壓水共同作用下導(dǎo)致巖體破裂失穩(wěn)而形成的，根據(jù)國內(nèi)外的研究成果，微破裂是導(dǎo)水裂隙形成的前兆信息，因此采用微震監(jiān)測手段監(jiān)測導(dǎo)水通道的形成、發(fā)展、孕育、演變過程是可行的[8-10]。張鵬海等人研究了采用微震監(jiān)測結(jié)果以及數(shù)值模擬等手段研究了導(dǎo)水通道的形成過程[11-13]；程關(guān)文在煤礦突水方面研究了微震監(jiān)測技術(shù)及其定位效果可以得到很好應(yīng)用，為微震監(jiān)測突水災(zāi)害預(yù)測預(yù)警提供了理論基礎(chǔ)[14-15]。微震預(yù)測系統(tǒng)的監(jiān)測精度、準(zhǔn)確性與礦井監(jiān)測工作面的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)-傳感器的布置方式具有重要關(guān)系，合理的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)根據(jù)各個(gè)煤礦的特殊地質(zhì)條件、采準(zhǔn)巷道布置、生產(chǎn)成本等而進(jìn)行優(yōu)化確定。

1 工程概述

1）地質(zhì)概況。張集煤礦1612A工作面位于礦井西風(fēng)井工業(yè)廣場西側(cè)，地面對(duì)應(yīng)物有村莊、堤壩、公路、農(nóng)田和灌溉溝渠、地表水系以及上工作面回采后形成的沉陷區(qū)等。根據(jù)三維地震、地面鉆探及巷道實(shí)際揭露資料顯示，1612 A工作面回采范圍內(nèi)煤巖層總體近似為一單斜構(gòu)造，局部地段存在波狀起伏，地層走向 70°～130°，傾向 160°～220°，傾角 8°～14°，平均9.5°，在構(gòu)造發(fā)育附近煤巖層產(chǎn)狀可能有一定變化。在回采范圍內(nèi)，該面地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，軌道巷道揭露斷層 9條；切眼揭露 3條；運(yùn)輸巷道揭露斷層 7條；疏水巷 2條斷層，總計(jì) 21條。對(duì)回采有影響的斷層有 4條，分別為：F1611A76(高0.8～3.0 m），貫穿工作面；F1612A77（高 0.3～1.6 m），面內(nèi)延伸約 166 m；F1611A78（高 1.2～1.5 m），面內(nèi)延伸約 140 m；F1611A80（高 0.5～2.5 m），面內(nèi)延伸約 90 m。該工作面開采煤層為1煤，厚度2.1～9.1 m，平均6.3 m。

煤層底板隔水層厚度平均約17 m，灰?guī)r承壓含水層是工作面回采的重要充水水源。根據(jù)掘進(jìn)期間1612A軌道巷及運(yùn)輸巷所揭露的多條斷層均出現(xiàn)滴、淋水，預(yù)計(jì)回采期間工作面回采至斷層附近可能有淋、滴水現(xiàn)象；工作面掘進(jìn)過斷層期間均無灰?guī)r水出水現(xiàn)象，工作面穿層鉆孔、定向長鉆孔等底板鉆孔均無較大出水現(xiàn)象，但回采期間受回采擾動(dòng)明顯后仍需采取針對(duì)性的防治灰?guī)r水措施，突水危險(xiǎn)域分布如圖1。

2）巷道布置與開采情況。1612A工作面采用的是走向長壁、綜合機(jī)械化采煤方法、分層開采，煤層自頂板進(jìn)行回采。工作面凈寬199.6 m，工作面可推進(jìn)長度1569 m。該工作面為本采區(qū)第2個(gè)回采工作面，工作面進(jìn)、回風(fēng)巷布置與煤層走向基本一致。運(yùn)輸巷通過工作面溜煤眼與采區(qū)運(yùn)輸下山連接，在生產(chǎn)期間運(yùn)輸煤炭；軌道巷直接和回風(fēng)下山相連實(shí)施回風(fēng)。在軌道巷道、運(yùn)輸巷與煤底板軌道下山之間均布置有進(jìn)料聯(lián)巷，在回采期間進(jìn)料、回風(fēng)和進(jìn)風(fēng)。1612A軌道巷與運(yùn)輸巷均沿煤層跟頂布置，梯形斷面凈規(guī)格為5.2 m×3.5 m（寬×高）。1613A底抽巷為煤層下布置，直墻半圓拱斷面，斷面凈規(guī)格為：4.4 m× 3.5 m（寬×高）。

圖1 突水危險(xiǎn)域分布Fig.1 Distribution of water inrush areas

2 微震系統(tǒng)傳感器安裝優(yōu)化設(shè)計(jì)

微震傳感器布置設(shè)計(jì)考慮到F1611A76斷層、F1611A77斷層、F1611A78斷層、F1611A80斷層對(duì)工作面回采造成的影響，為了有效監(jiān)測斷層的實(shí)際微震情況，微震傳感器盡可能分布于斷層附近。基于工作面回采進(jìn)度以及傳感器安裝的便捷性和可行性，同時(shí)充分利用1612A工作面附近的所有巷道，可采用 2種巷道搭配方法，即選擇1612A工作面軌道巷和運(yùn)輸巷、1612A工作面軌道巷和1613A底抽巷。傳感器的布置方式一般選擇采用打鉆孔安置于鉆孔底部的方式進(jìn)行，但是考慮到張集煤礦為高瓦斯礦井、弱電傳感器遺留采空區(qū)所帶來的安全隱患，不能采用直接埋設(shè)的方式進(jìn)行；同時(shí)基于減少設(shè)備浪費(fèi)、提高設(shè)備利用率考慮，針對(duì)1612A工作面的微震監(jiān)測系統(tǒng)采用循環(huán)式布置方式進(jìn)行。微震信號(hào)接收原理如圖2。

根據(jù)微震傳感器信號(hào)接收原理，受采動(dòng)影響的頂?shù)匕鍘r層發(fā)生破裂、裂紋擴(kuò)展，巖體的破裂信號(hào)通過巖體介質(zhì)傳導(dǎo)至傳感器，傳感器將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)形成波形數(shù)據(jù)?；趯?duì)傳感器接收信號(hào)原理的認(rèn)識(shí)，通過錨桿與傳感器相互連接仍然可以實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)，錨桿深入煤層底板巖體中。但是要求錨桿采用鋼制實(shí)體結(jié)構(gòu)，其目的是能夠傳到微震動(dòng)信號(hào)。傳感器的螺栓通過焊接、錨固等手段實(shí)現(xiàn)與錨桿連接。工作面微震傳感器布設(shè)如圖3，傳感器布置在軌道巷和運(yùn)輸巷內(nèi)，錨桿選擇在巷道內(nèi)的幫部實(shí)施鉆打，距離底板 50 mm，呈 45°～70°傾角斜向下鉆打，單條巷道內(nèi)相互間隔100 m均勻布置12根錨桿?？紤]如圖1的1612A工作面突水危險(xiǎn)域，其軌道巷道內(nèi)第1個(gè)傳感器距離開切眼約240 m，為優(yōu)化傳感器的布置矩陣，1613A底抽巷內(nèi)第1個(gè)傳感器距離內(nèi)聯(lián)巷 210 m，保證兩巷道內(nèi)的傳感器稱交叉分布。

圖2 微震信號(hào)接收原理Fig.2 Receiving principle of microseismic signal

圖3 工作面微震傳感器布設(shè)Fig.3 Layout of microseismic sensors in the working face

根據(jù)地質(zhì)條件，運(yùn)輸巷道內(nèi)需要鉆打長錨桿8.5 m，巷道斷面尺寸不能滿足施工要求；且該工作面為綜采工作面，基于實(shí)際帶式運(yùn)輸機(jī)巷道出煤，為防止對(duì)采煤、運(yùn)煤產(chǎn)生較大影響并考慮到后期對(duì)傳感器的維護(hù)，不選擇在運(yùn)輸巷中安設(shè)傳感器。選擇軌道巷、1613A底抽巷作為主要監(jiān)測巷道。軌道巷鉆打12根錨桿長度4.5 m，1613A底抽巷利用原有錨桿錨固連接12根。其中底抽巷位于工作面下部，距離軌道巷約220 m，能夠滿足監(jiān)測要求。但是由于底抽巷為無人施工巷道，并不適合在巷道內(nèi)鉆打錨桿，基于底抽巷的圍巖均為巖巷，確定選擇底抽巷幫部現(xiàn)有錨桿作為傳輸介質(zhì)，利用錨固劑將螺栓錨固于錨桿端頭。

根據(jù)所優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，在張集煤礦1612A工作面軌道巷、1613A底抽巷布置了微震傳感器。其中軌道巷新鉆打錨桿12根，傾角70°左右，入巖深度＞40 cm；底抽巷在幫部利用錨固劑固定傳感器螺栓12個(gè)，入巖深度2.5 m左右。微震系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測1612A工作面微震事件微震波形及事件定位如圖4。

圖4 微震波形及事件定位Fig.4 Microseismic waveform and event location

3 信號(hào)強(qiáng)度與波形數(shù)據(jù)驗(yàn)證分析

1）工作面推進(jìn)與信號(hào)驗(yàn)證。微震系統(tǒng)運(yùn)行后，隨著工作面推進(jìn)開采，巖體破壞波形數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)正常接收，有效微震事件在頂?shù)装鍘r層中均有發(fā)生，每天的微震事件維持在1 000個(gè)左右。以4月10號(hào)所監(jiān)測到的波形、微震能量事件為例，當(dāng)日1612A工作面推進(jìn)進(jìn)尺約420 m。通過微震事件定位，在該區(qū)域內(nèi)發(fā)生大量的微震事件，尤其是在工作面迎頭后方0～200 m的范圍內(nèi)，頂板的微震事件較多且能量較大，這與工作面的開采情況是相互吻合的，由于該區(qū)域內(nèi)斷層較多且頂板自然垮落會(huì)產(chǎn)生較大的能量釋放。同時(shí)在超前工作面100 m左右范圍內(nèi)也有較大能量的釋放，這是由于頂板巖層超前應(yīng)力作用所導(dǎo)致的。

2）巷內(nèi)大能量事件分析。如圖4，在1613A底抽巷底板表面產(chǎn)生大能量事件，即圖中的綠色能量球，該事件相比較其他的微震事件較為特殊，距離工作面推進(jìn)迎頭約400 m。因此對(duì)底抽巷內(nèi)進(jìn)行了實(shí)地考察，發(fā)現(xiàn)在此處安裝有大功率抽水泵，由于傳感器安裝在外部，而底抽巷傳感器并未用碎石等材料掩埋，因此接收了水泵所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)而造成大能量事件，實(shí)現(xiàn)了很好的定位效果，也進(jìn)一步驗(yàn)證了利用設(shè)計(jì)方案方法實(shí)施微震系統(tǒng)的合理性。

4 結(jié)語

張集煤礦1612A工作面斷層較多、地質(zhì)條件復(fù)雜、受承壓含水層影響，存在突水安全隱患，利用1612A軌道巷、1613A底抽巷，結(jié)合焊接長錨桿4.5 m、焊接傳感器螺栓以及巷內(nèi)現(xiàn)有錨桿錨固劑錨固端頭的安裝傳感器方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工作面底板的微震監(jiān)測。通過對(duì)監(jiān)測波形數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，定位了工作面開采過程中的有效微震事件，利用工作面推進(jìn)速度與頂?shù)装逦⒄鹗录l(fā)生的位置驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的合理性，同時(shí)在底抽巷存在的異常微震點(diǎn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的合理性和定位準(zhǔn)確性。