基于微震監(jiān)測技術的鉆孔鉆進擾動影響范圍研究

秦貴成 程仁輝

(1.山西潞安礦業(yè)集團有限公司，山西省長治市，046000；2.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西省西安市，710054)

隨著我國煤礦開采深度的不斷增加，礦井瓦斯災害日趨嚴重。預抽煤層瓦斯對解決瓦斯災害問題發(fā)揮了重要作用[1-2]。而鉆孔有效抽采半徑的合理確定影響著瓦斯治理效果，亦可有效減少瓦斯治理成本，避免資源浪費[3]。但在煤礦日常安全工作中，對于瓦斯抽采鉆孔間距的確定我國暫時沒有明確的標準，帶有很大的主觀經(jīng)驗性。鉆孔間距過大，部分區(qū)域瓦斯無法在預定時間內(nèi)抽出從而形成抽采盲區(qū)，為日后生產(chǎn)作業(yè)留下重大隱患[4]；鉆孔間距過小，會增加鉆孔工程量，造成資源浪費。因此，合理地確定瓦斯抽采鉆孔間距對提高抽采效率，消除煤與瓦斯突出事故有著重要的現(xiàn)實意義[5]。張?zhí)燔奫6]等利用自行研制的煤層鉆孔瓦斯流量及濃度檢測裝置，對底抽巷穿層鉆孔單孔瓦斯流量和濃度進行監(jiān)測， 分析鉆孔瓦斯流量變化衰減規(guī)律；韓承強[7]等系統(tǒng)評述了“壓降法”“示蹤氣體法”“瓦斯含量法”與“鉆孔抽采瓦斯量法”4種煤礦井下常用的鉆孔抽采瓦斯影響半徑的測定方法，同時研究了各方法的適用條件；徐東方與王兆豐[8]探討了“壓降法”的測定原理，通過開展現(xiàn)場試驗，總結介紹了測定流程。

山西潞安古城煤礦對煤層鉆孔有效抽采半徑的測定大多依據(jù)“流量法”或“壓降法”等傳統(tǒng)方法，測定結果存在較大誤差，設計預抽布孔方案時主要依據(jù)既往經(jīng)驗，沒有具體針對鉆孔的布置方式及鉆孔參數(shù)進行設計，參數(shù)設計缺乏理論與現(xiàn)實依據(jù)。前人對鉆孔間距的測定都是在鉆孔周圍進行打鉆，導致了鉆孔孔周裂隙的二次發(fā)育，測定結果存在誤差。微震監(jiān)測鉆孔是通過在鉆孔周圍布置傳感器來監(jiān)測鉆孔周圍裂隙的發(fā)育情況，沒有在鉆孔周圍進行打鉆擾動，不會對鉆孔進行二次擾動，可以無損監(jiān)測鉆進擾動對鉆孔周圍裂隙的發(fā)育情況。筆者利用微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測井下鉆進作業(yè)對鉆孔的擾動影響范圍，從而為鉆孔的合理布置提供依據(jù)。

1 微震監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 微震監(jiān)測原理

在煤礦生產(chǎn)作業(yè)時，應力較高的煤巖層內(nèi)地質(zhì)結構會發(fā)生相應的改變，原有的地質(zhì)構造遭到破壞，促使大范圍裂隙貫通，能量以彈性波的形式發(fā)射出去[9]，其為微震。使用采集儀采集處理彈性波，即可獲知微震事件發(fā)生地點、能量大小等，并以此評判煤巖體的穩(wěn)定性，對礦山巖體的內(nèi)在狀況做出判斷[10]。目前，微震技術被世界各國作為一種高效的監(jiān)測預警手段，為地下作業(yè)提供有效技術和安全支持。

1.2 微震定位原理

微震事件大多發(fā)生在煤巖層裂隙的斷面上，巖體聲發(fā)射與微震監(jiān)測技術正是利用裂隙擴展時以彈性波形式釋放出的能量來進行監(jiān)測煤巖體的穩(wěn)定性。聲發(fā)射與微震現(xiàn)象是20世紀30年代末由美國科學家L·阿伯特發(fā)現(xiàn)的[11]。M Cai和P K Kaiser將微震事件按波動頻率分類，把聲發(fā)射、微震、巖爆、地震等不同的現(xiàn)象廣義成具有不同振動頻率的震動事件[12]，如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射信號產(chǎn)生原理及其特征

利用巖體聲發(fā)射這一特點，可以對巖體的穩(wěn)定性進行監(jiān)測，從而預警沖擊礦壓、巖體塌方、頂板垮落、片幫等動力災害現(xiàn)象。在一些方面，可以用微震監(jiān)測技術來監(jiān)測煤巖體內(nèi)部微破裂的發(fā)生過程及分布形態(tài)。筆者通過這一原理監(jiān)測鉆進對鉆孔的擾動影響范圍。

煤體在圍巖應力作用下會產(chǎn)生微破裂，產(chǎn)生的能量以彈性波的形式釋放，通過安裝傳感器及采集儀對監(jiān)測空間的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進行采集處理，即可確定微破裂發(fā)生的位置，如圖2所示。

圖2 微震事件定位原理

1.3 微震監(jiān)測設備

YTZ-3型微震監(jiān)測系統(tǒng)由硬件與軟件兩大部分組成。系統(tǒng)的硬件由采集儀、傳感器、主機和電纜組成。傳感器用來識別并捕獲煤巖體破裂產(chǎn)生的彈性波，采集儀可對捕獲到的微震信號進行記錄和采集，主機對微震信號進行分析和處理[13]。該系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)解編軟件、采集儀配置軟件和數(shù)據(jù)處理軟件組成。

考慮到井下現(xiàn)場的環(huán)境條件，安裝過程中需準備記號筆、標簽、手套、鉗子、膠帶、真空脂、連接軋帶等物品。

圖3 YTZ-3型微震監(jiān)測設備

2 測點布置及實施方案

2.1 微震監(jiān)測測點布置

由微震定位原理可知，3個傳感器才能定位1個微震事件，定位方法也是多種多樣，本項目在定位原理理論基礎上，設計了微震傳感器布置方式。根據(jù)井下實地考察，確定傳感器測點位置，如圖4所示，確定在每個鉆孔周圍布置4個傳感器，以監(jiān)測鉆孔為中心，垂直方向上兩傳感器間距為3 m，水平方向上兩傳感器間距為4 m。選取兩側(cè)巷道煤幫上相對穩(wěn)定的位置安裝采集儀，確保監(jiān)測期間的設備能正常工作，對產(chǎn)生的微震事件實現(xiàn)有效監(jiān)測。設計在回風巷和運輸巷各布置1組，監(jiān)測鉆孔從鉆孔打鉆開始至結束的全過程。

圖4 傳感器布設

2.2 實施方案

(1)及時獲得順層瓦斯抽采鉆孔的施工時間，在鉆孔施工開始前，按預定方案安裝好傳感器、采集儀，完成微震監(jiān)測系統(tǒng)的搭建。

(2)順層瓦斯抽采鉆孔的監(jiān)測時間段一般是從打鉆前開始，到被打鉆結束后持續(xù)一周時間，在監(jiān)測時間段內(nèi)需每天下井更換采集儀，保證監(jiān)測系統(tǒng)的正常供電。

(3)由于井下特殊的作業(yè)環(huán)境所限，鉆孔周圍錨桿的實際布置方式可能與設計存在一定偏差，在傳感器安裝時需要手動測量各傳感器與鉆孔間的距離，并及時輸入至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的坐標模型中。

(4)監(jiān)測過程中，需記錄好監(jiān)測時間段、相應的測點編號和采集儀編號，以便后期數(shù)據(jù)處理。

3 現(xiàn)場應用

選擇古城煤礦S1303運輸大巷的普通抽采鉆孔進行監(jiān)測，共監(jiān)測3個普通鉆孔。選取鉆孔走向相對較穩(wěn)定的若干段微震事件，在軸向方向投影，對其分布范圍進行分析，總體上各個普通瓦斯抽采鉆孔的微震數(shù)據(jù)良好，在靠近每層內(nèi)部的末端部分可能是由于距離原因出現(xiàn)了部分微震事件的缺失，整體上各個試驗普通瓦斯抽采鉆孔的微震事件較為完整，空間形態(tài)良好，本節(jié)選取3個鉆孔走向穩(wěn)定的3段微震事件，統(tǒng)計各微震事件與鉆孔軸心處位置的距離。為了提高分析結果的準確性，在徑向選取90%微震事件發(fā)生的范圍作為邊界，對微震事件的分布狀態(tài)進行分析。

圖5 1號普通鉆孔微震數(shù)據(jù)分析

(1)1號普通鉆孔微震數(shù)據(jù)分析如圖5所示(圖中各小圖中的左邊圖為截取的穩(wěn)定段的徑向投影數(shù)據(jù)，右邊圖為該段數(shù)據(jù)立體圖)。1號普通鉆孔不同位置處的微震事件分布形態(tài)規(guī)律大致呈圓形，各段的微震事件分布個數(shù)存在一定的差異。通過計算各個微震事件與徑向中點間的距離，得到1號普通鉆孔段的微震事件分布半徑分別為0.85 m、0.89 m、0.92 m。1號普通鉆孔的微震事件分布存在一定的不均勻分布現(xiàn)象，從圖5右側(cè)圖對應的微震事件三維分布圖中也可以看出其離散程度較大。對各位置處半徑分別為0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m內(nèi)的微震事件進行統(tǒng)計分析，結果表明有較多微震事件分布在半徑0～0.3 m的范圍內(nèi)，占總數(shù)的23.61%～27.84%。1號普通鉆孔的微震事件影響半徑分布在0.85～0.92 m之間，各個鉆孔位置處的微震事件分布形態(tài)良好，有較好的參考價值。

(2)2號普通鉆孔微震數(shù)據(jù)分析如圖6所示(圖中各小圖中的左邊圖為截取的穩(wěn)定段的徑向投影數(shù)據(jù)，右邊圖為該段數(shù)據(jù)立體圖)。

圖6 2號普通鉆孔微震數(shù)據(jù)分析

2號普通鉆孔不同位置處的微震事件分布形態(tài)規(guī)律大致呈圓形，各段的微震事件分布個數(shù)存在一定的差異。通過計算各個微震事件與徑向中點間的距離，得到2號普通鉆孔段的微震事件分布半徑分別為0.95 m、0.94 m、0.91 m。2號普通鉆孔的微震事件分布存在一定的不均勻分布現(xiàn)象，從圖6右側(cè)圖對應的微震事件三維分布圖中也可以看出其離散程度較大。對各位置處半徑分別為0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m內(nèi)的微震事件進行統(tǒng)計分析，結果表明有較多微震事件分布在半徑0.3～0.6 m的范圍內(nèi)，占總數(shù)的26.09%～34.87%。總體上2號普通鉆孔的微震事件影響半徑分布在0.91～0.95 m之間，各鉆孔位置處的微震事件分布形態(tài)良好，有較好的參考價值。

圖7 3號普通鉆孔微震數(shù)據(jù)分析

(3)3號普通鉆孔微震數(shù)據(jù)分析如圖7所示(圖中各小圖中的左邊圖為截取的穩(wěn)定段的徑向投影數(shù)據(jù)，右邊圖為該段數(shù)據(jù)立體圖)。3號普通鉆孔不同位置處的微震事件分布形態(tài)規(guī)律大致呈圓形，各段的微震事件分布個數(shù)存在一定的差異。通過計算各個微震事件與徑向中點間的距離，得到3號普通鉆孔段的微震事件分布半徑分別為0.95 m、0.97 m、0.89 m。3號普通鉆孔的微震事件分布存在一定的不均勻分布現(xiàn)象，從圖7右側(cè)圖對應的微震事件三維分布圖中可以看出其離散程度較大。對各位置處半徑分別為0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m內(nèi)的微震事件進行統(tǒng)計分析，結果表明有較多微震事件分布在半徑0.3～0.6 m的范圍內(nèi)，占總數(shù)的31.29%～36.73%?？傮w上3號普通鉆孔的微震事件影響半徑分布在0.89～0.97 m之間，各個位置處的微震事件分布形態(tài)良好，有較好的參考價值。

綜上所述，在監(jiān)測時間段內(nèi)，微震監(jiān)測系統(tǒng)對3個普通瓦斯抽采鉆孔引起的微震事件的捕獲效果良好，可以清晰地從監(jiān)測結果中觀察不同位置處微震事件發(fā)生的情況。通過對不同位置處微震事件分布情況的分段分析，可以看出1號鉆孔周圍微震事件的分布范圍為0.85～0.92 m，分布均勻，形態(tài)良好；2號鉆孔周圍微震事件的分布范圍為0.91～0.95 m，事件分布有局部集中的現(xiàn)象，可能是煤質(zhì)的不均一構造造成的；3號鉆孔周圍微震事件的分布范圍為0.89～0.97 m，軸向投影的微震事件分布相對較均勻，鉆孔前半段微震事件分布偏多，判斷是由于鉆孔前段部分靠近巷道，煤層內(nèi)壓力得到部分釋放，且鉆孔前段靠近傳感器所致。

鉆孔微震事件半徑范圍分布如圖8所示。用網(wǎng)狀圖表示3個鉆孔的影響范圍區(qū)間，可以明顯地觀察到3號鉆孔影響范圍略大于其他試驗鉆孔，且其影響范圍的區(qū)間寬度較大。

圖8 鉆孔微震事件半徑范圍分布

各普通鉆孔微震事件半徑范圍如圖9所示，各個鉆孔不同位置處的影響范圍存在一定的差異，但總體上都穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，用不同位置處的影響范圍區(qū)間表示各個鉆孔的影響范圍。

普通鉆孔不同位置處微震事件半徑范圍如圖10所示，對所有鉆孔不同位置處的微震事件的影響半徑進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)其集中分布在0.85～0.97 m范圍內(nèi)。為進一步提高各個鉆孔影響范圍監(jiān)測結果的準確性，選取所有分段位置處微震事件分布范圍有效監(jiān)測到分段個數(shù)的90%作為鉆孔有效影響半徑，考慮擾動影響對鉆孔孔周裂隙的發(fā)育狀態(tài)隨著距離而增大導致的試驗誤差，剔除最高數(shù)據(jù)，得到古城煤礦S1303運輸大巷試驗鉆孔在鉆孔成孔時有效影響范圍為0.85～0.95 m。

圖9 3個普通鉆孔微震事件半徑范圍

圖10 普通鉆孔不同位置處微震事件半徑范圍

4 結論

為了更好地指導順層鉆孔的間距布置，利用微震監(jiān)測技術對鉆孔的無損監(jiān)測鉆進擾動對鉆孔的影響范圍。首先介紹了微震監(jiān)測原理及定位原理；其次利用YTZ-3型微震監(jiān)測系統(tǒng)在古城煤礦S1303運輸大巷監(jiān)測了3個鉆孔的鉆進擾動對鉆孔的影響范圍；然后通過選取單個鉆孔3個穩(wěn)定段進行投影徑向分析，選取90%微震事件發(fā)生的范圍作為邊界，得到3個鉆孔的微震事件影響半徑；最后借助數(shù)據(jù)處理軟件對3個鉆孔的微震數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一分析，確定古城煤礦S1303運輸大巷的鉆孔受鉆進擾動的影響范圍在0.85～0.95 m，為古城煤礦鉆孔的合理布置提供了依據(jù)。