井–孔聯(lián)合微震技術在工作面底板破壞深度監(jiān)測中的應用

段建華，閆文超，南漢晨，張慶慶，樊 鑫

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.西安科技大學地質(zhì)與環(huán)境學院，陜西 西安 710054)

隨著淺部煤炭資源日益枯竭，開采深部資源具有重要意義[1-2]。但是隨著開采深度的不斷延深，將面臨越來越多地質(zhì)災害(礦井突水、瓦斯、煤與瓦斯突出、高地溫、高地壓等)威脅。華北地區(qū)作為我國的主要煤炭生產(chǎn)基地之一，該地區(qū)煤層開采受到奧陶系巨厚灰?guī)r強含水層的威脅[3-5]。當近距離開采承壓水上煤層時，改變了底板巖層的應力狀態(tài)，造成底板隔水層破壞，一旦破壞深度大于有效隔水層厚度形成導水通道必將發(fā)生底板水害[6-8]。因此，在開采承壓水上煤層時，掌握煤層開采底板破壞特征，確定煤層底板破壞深度，對安全高效開發(fā)深部煤炭資源具有重要意義。

準確預計底板采動破壞深度是承壓水上采煤底板水害防治中的一個關鍵問題，解決該問題的方法主要有兩類。一類為理論計算和數(shù)值模擬，理論計算需要建立經(jīng)驗公式對破壞深度進行估算，不但需要現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)作為基礎，還具有很強的主觀因素，井下開采時，由于不同的地質(zhì)條件和開采方法的多樣性會導致計算破壞深度的計算結果存在較大誤差[9]。隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬的準確性和仿真性不斷提升，但是由于巖層物性特征很難準確測得，所以模擬結果誤差較大，這類方法最大的缺點在于：不能隨著開采活動的進行而開展計算[10]。另一類為現(xiàn)場實測，分為鉆探和物探方法，鉆探方法包括鉆孔壓水測試、鉆孔成像法。該方法需要對測點采動前后進行對比，由于底板變形相對工作面推進具有一定的滯后性，因此，很難獲取采后數(shù)據(jù)，且難以實現(xiàn)底板變形的實時監(jiān)測，存在工程量大和監(jiān)測范圍有限等缺點。物探方法主要包括電法、電磁法和微震法[11]，電法和電磁法不能直接獲得底板破壞深度，而微震法能直接對破裂點進行監(jiān)測和定位，測量精度高，可對導水通道的“動態(tài)”破裂失穩(wěn)過程和活化規(guī)律進行實時監(jiān)測。

微震監(jiān)測技術具有實時、動態(tài)、遠程、長期監(jiān)測的特點，近年來被越來越廣泛地應用于采礦工程領域。姜福興等[12]、程愛平等[13]、劉超等[14]將微震監(jiān)測技術應用于底板防治水方面，開展了導水通道、底板破壞的研究工作，取得了很好的效果。常規(guī)微震監(jiān)測技術僅在井下巷道內(nèi)布置傳感器，沒有對測區(qū)形成包圍，存在定位誤差大，監(jiān)測精度低等不足。而井–孔聯(lián)合微震技術在施工時，同時在鉆孔布置傳感器，實現(xiàn)實時全方位觀測，提高了垂直方向上的定位精度，可滿足煤礦防治水要求?；诖?，筆者以山西保德煤礦81307 工作面為背景，采用高精度井–孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術，構建煤礦開采過程中底板破壞深度微震監(jiān)測系統(tǒng)，對81307 工作面回采過程中底板破壞深度進行監(jiān)測。

1 保德煤礦概況

神東煤炭集團公司保德煤礦設計生產(chǎn)能力達500萬t/a。礦井采用“平硐+斜井+立井”綜合開拓方式，生產(chǎn)布局為一井一面，可采煤層主要為8 煤和11 煤，兩層相距35 m 左右。主采煤層8 煤發(fā)育于二疊系山西組，煤層厚度2.15～10.39 m，平均厚度6.83 m；11 煤為石炭–二疊系太原組，煤層厚度1.11～13.28 m，平均厚度7.16 m。保德煤礦8、11 煤底板下伏奧陶系灰?guī)r含水層是影響煤層開采的主要含水層，其平均水位標高為+839 m 左右，奧灰?guī)r層頂面距8 煤層平均為112.5 m，距11 煤層底板為45.0～88.5 m，平均為66.7 m?，F(xiàn)礦井三盤區(qū)大巷延伸最低處底板高程為+470 m，相比奧灰含水層水位低369 m 左右。根據(jù)礦井最新的生產(chǎn)接續(xù)，目前采掘活動均在奧灰水位以下，屬于帶壓開采。

現(xiàn)采8 煤斷裂構造不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)斷層導水現(xiàn)象，但在開拓11 煤層時，僅剛開掘的200 m 巷道內(nèi)就揭露多條小斷層，并伴有底板奧灰水突水現(xiàn)象，奧灰水防治難度很大。礦方對于奧灰水的防治已經(jīng)開展了相關研究，但是煤層底板隔水性能、裂隙發(fā)育程度、底板與奧灰水的水力聯(lián)系還不甚明確，需要針對上述問題進一步研究。因此，通過對81307工作面底板破壞深度進行監(jiān)測，據(jù)此預測11 煤工作面回采時的底板破壞深度，為11 煤防治水方案制定提供科學依據(jù)。

2 井一孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術

微地震監(jiān)測技術是通過觀測、分析生產(chǎn)活動中所產(chǎn)生的微小地震事件來監(jiān)測生產(chǎn)活動影響程度及地下狀態(tài)的地球物理技術。其基本實施過程為：通過在井下巷道中布置檢波器，接收采煤時圍巖破裂產(chǎn)生或誘導的微小地震事件信號，通過對這些事件的反演求取微地震震源位置等參數(shù)，最后通過這些參數(shù)獲得圍巖破裂高度、范圍等信息。

井–孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術是傳統(tǒng)微震監(jiān)測技術在煤礦應用中的一項創(chuàng)新。其主要特點是施工時在煤礦井下巷道與鉆孔同時布置傳感器，觀測在圍巖破裂過程中產(chǎn)生的微震信號，從而對圍巖破裂產(chǎn)生的微震事件進行定位，獲取破裂的寬度、高度等信息。該技術具有實時、長期、遠程、立體監(jiān)測和空間定位等優(yōu)點，與傳統(tǒng)微震監(jiān)測技術相比，在鉆孔中布置傳感器，可有效避免巷道內(nèi)的機械振動干擾，能夠接收到更多微震信號，最大的特點就是定位精度高，能夠滿足煤礦防治水要求，其工作示意圖見圖1。

圖1 井–孔聯(lián)合微震監(jiān)測示意Fig.1 Schematic diagram of mine-hole joint microseismic monitoring

3 監(jiān)測方案

3.1 測點布置方案

本次采用井–孔聯(lián)合方式進行監(jiān)測，即在巷道和孔中部署微震傳感器，使得傳感器能夠對測區(qū)形成包圍，同時為了能夠更好地對采空區(qū)開展監(jiān)測，將81307皮帶巷的測點布置在81308 二號回風巷，該巷道在81307 工作面回采過程中不會垮塌，同時避免了皮帶巷的機械振動干擾。具體布置方案詳見圖2。

如圖2 所示，在81307 一號回風巷中布置17 個測點，點距40 m，其中1、6、11 號點為深孔；在81308二號回風巷布置17 個測點，點距40 m，其中22、27、32 號點為深孔，深孔的垂深全部為25 m。每臺分站監(jiān)測6 道，監(jiān)測分站分別布置在距離17、34 號測點100 m 以外的巷道側幫，采用滾動方式監(jiān)測，一共監(jiān)測工作面長度600 m。

3.2 傳感器安裝方式

圖3 是巷道傳感器安裝示意圖，利用錨桿鉆機在巷道底板工作面?zhèn)葞痛怪毕蛳麓蚩?，孔? m，打孔完畢后，把長度為2 m 的錨桿放入孔內(nèi)，利用水泥漿固定錨桿，然后把傳感器擰入錨桿露在孔外的頂端，錨桿頂端已經(jīng)預先焊接了固定傳感器的螺絲，這種連接方式可以提高傳感器與巷道的耦合度，減小噪聲，提高微震信號信噪比。

圖2 微震測點布置Fig.2 Layout of microseismic monitoring points

圖3 巷道傳感器安裝示意Fig.3 Installation of sensors in roadway

圖4 是巷道深孔傳感器安裝示意圖，利用回轉鉆機在巷道底板工作面?zhèn)葞吞幮毕蛳麓蚩?，傾角45°，孔深35 m，垂深25 m，鉆孔完成后，把傳感器放入孔底，利用膠管保護傳感器信號傳輸電纜，水泥漿封孔，提高傳感器與孔壁的耦合度，減小噪聲，提高微震信號信噪比。

圖4 巷道深孔傳感器安裝示意Fig.4 Installation of deep-hole sensor in roadway

4 監(jiān)測過程

4.1 精度標定

微震監(jiān)測系統(tǒng)安裝完畢后，為了保證定位精度，通過人工捶擊方式對系統(tǒng)的監(jiān)測精度進行標定，以達到檢驗系統(tǒng)工作狀態(tài)和獲得地震波在該工作面巖層傳播速度的目的。在圖2 所示的5、18、21 測點處底板附近使用20 kg 的銅錘錘擊，5、18、21 測點坐標見表1 中的實際坐標，記錄錘擊波形，并分析錘擊產(chǎn)生地震波在底板巖層中的傳播速度，測得P 波的傳播速度為4.5 m/ms。

采用4.5 m/ms 的平均速度，對3 次錘擊的位置進行計算，得到相應的定位坐標和3 次錘擊的定位誤差，平均誤差為3 次定位誤差的平均值(表1)。從表1 可見，平均誤差為3.652 m，定位精度能夠滿足工程需要。

表1 錘擊點坐標定位統(tǒng)計誤差Table 1 Statistical table of location error of hammering points

4.2 滾動監(jiān)測

每臺監(jiān)測分站只能同時記錄6 道數(shù)據(jù)，因此，采用滾動方式進行監(jiān)測。如圖2 所示，第一次監(jiān)測時將1—6 與18—23 分別接入1、2 號監(jiān)測分站，同時對這12 個測點覆蓋區(qū)域進行監(jiān)測，當81307 一號回風巷最靠近切眼的1、2 號傳感器進入采空區(qū)后，則把1、2 號傳感器退出觀測系統(tǒng)，同時把7、8 號傳感器接入1 號監(jiān)測分站；同理，把81308 二號回風巷中的18、19 號傳感器退出觀測系統(tǒng)，同時把24、25 號傳感器接入2 號監(jiān)測分站。這樣就實現(xiàn)了觀測系統(tǒng)的滾動，依此類推，經(jīng)過7 次滾動就可以實現(xiàn)對600 m 長度工作面的全部監(jiān)測。

5 監(jiān)測結果分析

5.1 微震定位結果分析

本次微震監(jiān)測自2018 年6 月25 日開始，9 月25日結束監(jiān)測，期間共探測到微震事件7 102 個，除去信噪比較低、定位誤差大的事件后，剩余事件中發(fā)生在底板區(qū)域的有3 255 個。

圖5 是對3 255 個底板微震事件按深度每隔 5 m統(tǒng)計的柱狀圖。從圖5 可以看出，發(fā)生在＜652～682 m區(qū)間內(nèi)微震事件占全部底板事件的99.24%，因此，底板破壞的深度范圍為底板下30 m 以淺，其中標高在＜672～667 m 內(nèi)的微震事件最多，這個深度區(qū)間在底板下10～15 m。

5.2 微震事件空間分布

圖6 為監(jiān)測期間底板微震事件在XZ、YZ平面分布密度圖。

圖5 底板微震事件垂向上分布柱狀Fig.5 Statistical of floor microseismic events of the elevation

a.從XZ平面圖來看(圖6a)，81308 二號回風巷的底板破裂點要比81307 一號回風巷多，說明隨著工作面回采，從頂板傳遞的壓力全部集中在81307 運輸巷與81308 一號回風巷之間的煤柱，以及81308 一號回風巷與81308 二號回風巷之間的煤柱上。這是因為煤柱邊界對底板的垂直應力具有很大的剪切破壞作用[15]，造成了底板微震事件頻發(fā)，這一點從兩個煤柱越靠近工作面形變越大就能得到驗證。而在81306工作面回采時，81307 一號回風巷與81307 二號回風巷之間的煤柱對底板的破壞已經(jīng)發(fā)生，煤柱下底板已經(jīng)破碎，因此，81307 工作面回采時該處發(fā)生的微震事件較少。

b.從YZ平面圖來看(圖 6b)，在 10 100 至10 340 m 處微震事件較為發(fā)育，該段是工作面回采到第四個見方，接近工作面的中部，根據(jù)工作面礦壓監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，處于大周期來壓階段，因此，微震事件較多，而且底板破壞深度較深，達到30 m。

圖6 底板微震事件密度云圖Fig.6 Density cloud of microseismic events in the floor

c.由圖5 可知，底板破壞深度在30 m。81306 工作面回采時，在81307 二號回風巷T5 孔開展壓水試驗，測試段為24～82 m，根據(jù)T5 孔測試數(shù)據(jù)顯示，鉆孔在30～56 m 段存在漏失現(xiàn)象，明顯漏失段有兩處。第一段為測試段30～34 m 處，對應垂深為14.1～16.0 m，最大漏失量為23.4 L/min；第二段為測試段52～56 m 處，對應垂深為24.4～26.3 m，最大漏失量為32.5 L/min。該鉆孔其余測試段均未發(fā)現(xiàn)漏失情況，測試成果見圖7。通過壓水試驗測得底板破壞深度為26.3 m。壓水試驗與微震監(jiān)測結果基本吻合，差異存在的原因與兩種方法的原理有關：底板破壞最深處裂隙較小，裂隙連通性較差，因此，壓水時漏失量就很小，使得壓水試驗測量的底板破壞深度小于實際破壞深度；而微震監(jiān)測技術是通過捕獲因破裂而誘發(fā)的微震事件，反演定位破裂源的位置，獲取的破裂范圍參數(shù)與裂隙連通性無關，從而，微震監(jiān)測技術可獲取更深的底板破壞深度。

圖7 T5 鉆孔壓水試驗結果Fig.7 The results measured by hydraulic fracturing experiment of borehole T5

5.3 微震事件與工作面推進關系

微震事件的分析主要通過統(tǒng)計事件的分布概率進行，分析時，為了取得更好的分析結果，以5 d 為統(tǒng)計單位，將微震事件投影在YZ方向(圖8)。圖8中，黃色圓點表示2018 年6 月26 日到7 月1 日共5 d 的微震事件；紅色圓點表示2018 年7 月5 日到7月10 d 的微震事件。7 月1 日時，工作面推進至9 830 m 處，從7 月1 日至10 日工作面共推進了80 m，整個微震事件所在范圍整體向前移動80 m。隨著工作面的推進，在其前方25 m 之外基本沒有微震事件發(fā)生，其后方采空區(qū)內(nèi)40 m 之后就基本沒有微震事件。因此，底板微震事件的發(fā)生位置主要集中在工作面沿推進方向的前方25 m 和后方40 m，共65 m 的范圍。

6 結論

圖8 底板微震事件YZ 投影與工作面推進關系(沿工作面走向方向)Fig.8 YZ projection of floor microseismic events and advance of working face(along the strike of working face)

a.在神東煤炭集團公司保德煤礦81307 工作面回采過程中，采用井–孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術監(jiān)測的底板破壞深度為30 m，與相鄰81306 工作面采用鉆孔壓水測量的結果26.3 m 基本吻合，說明井–孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術可以測量底板破壞深度，而且精度能夠滿足防治水要求。

b.通過分析本次的微震事件分布可知，靠近已經(jīng)回采工作面?zhèn)鹊装迤茐纳疃容^淺，靠近未回采工作面?zhèn)鹊装迤茐纳疃容^深，達到30 m，而且底板破壞區(qū)域主要分布在工作面前方25 m和后方采空區(qū)內(nèi)40 m，共65 m 的范圍內(nèi)，其中，工作面前方破壞更嚴重；與鉆孔壓水測試法僅僅能夠測得一個孔的破壞深度相比，微震監(jiān)測技術不僅可以獲得底板破壞深度，而且還可以得到底板破裂的空間形態(tài)和分布特征。

c.結果表明：施工時，將孔中傳感器埋置的垂深達到25 m 即可；在工作面具備雙巷道的條件下，建議在相鄰工作面的巷道中布置傳感器，這樣不僅不影響監(jiān)測，反而有利于提高采空區(qū)底板微震事件的定位精度。

d.井–孔聯(lián)合微震技術的傳感器是縱波傳感器，垂直安裝時接收效果最佳，但是井下底板垂直孔的施工難度很大，后續(xù)應在定位方法中針對該問題開展研究。