九里山礦底板突水監(jiān)測預警技術(shù)的實踐應用

薛嵐華

（河南能源化工集團焦煤公司，河南 焦作 454002）

河南能源化工集團焦煤公司九里山礦屬于典型的煤與瓦斯突出和水文極復雜礦井，底板突水安全隱患嚴重危害井下開采安全。九里山礦突水事故發(fā)生的主要原因如下：一方面是隱伏導水構(gòu)造的精細探查技術(shù)還難以有效準確地探清影響九里山礦開采的水文地質(zhì)因素；另一方面是九里山礦沒有構(gòu)建水害實時監(jiān)控與預警系統(tǒng)，無法及時有效地對開采過程中的水害隱患進行監(jiān)測預警。微震監(jiān)測技術(shù)是近年來從地震勘查行業(yè)演化和發(fā)展起來的一項跨學科、跨行業(yè)的新技術(shù)。微震監(jiān)測技術(shù)可以結(jié)合煤礦生產(chǎn)現(xiàn)場及實際水文地質(zhì)資料進行分析和判斷，從而實現(xiàn)對突水的預警預報。本文以河南能源化工集團焦煤公司16052 工作面為研究對象，采用微震監(jiān)測技術(shù)構(gòu)建底板突水監(jiān)測預警系統(tǒng)，為16052 工作面底板突水安全事故的防治提供依據(jù)。

1 工程概況

焦煤公司九里山礦位于焦作礦區(qū)東部，井田走向長度約5.5 km，傾向長度約3.4 km，井田面積18.50 km2，礦井設(shè)計能力90 萬t/a。該煤礦井田構(gòu)造簡單，煤層穩(wěn)定，煤質(zhì)優(yōu)良，儲量達1.34 億t。該礦井為煤與瓦斯突出礦井，最大原始瓦斯含量31.00 m3/t，最大瓦斯壓力2.08 MPa，絕對瓦斯涌出量58.16 m3/min（抽采量37.58 m3/min），相對瓦斯涌出量為10.64 m3/t。主采煤層為二1 煤，煤層賦存較穩(wěn)定，煤塵有爆炸危險。采煤方法為走向長壁后退式采煤法，采煤工藝為綜采。

九里山礦水文地質(zhì)條件極復雜，當前已發(fā)生突水事故27 起，涌水量70～103 m3/min，累計排水4.23億m3，而西翼L8 灰?guī)r含水層水位僅下降20 m 左右，水位居高不降，一2 采區(qū)面突水，甚至一面多起突水。該采區(qū)為一背斜，裂隙發(fā)育，二1 煤至L8 灰?guī)r間隔水層底部有砂巖，形成砂巖聚集區(qū)，導升高度5～7 m，L8 灰?guī)r與L2 灰?guī)r之間出現(xiàn)L7、L6、L5 三層灰?guī)r，形成灰?guī)r聚集區(qū)。這些特點，按煤-巖-水-氣法分析是典型的垂向越導區(qū)。因此，針對復雜的水文地質(zhì)條件，在開采16052 工作面時，采用微震監(jiān)測技術(shù)構(gòu)建底板突水監(jiān)測預警系統(tǒng)，對底板進行微震監(jiān)測分析，通過底板微震事件的分析，掌握底板可能發(fā)生損傷的位置，為突水防治提供依據(jù)。

2 基于微震監(jiān)測技術(shù)底板突水預警系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 傳感器參數(shù)選擇及布置

九里山礦16052 工作面微震監(jiān)測突水預警系統(tǒng)傳感器選用地震檢波器，頻率范圍20～1000 Hz，靈敏度為70.0 V/（m·s）。16052 工作面底板承受奧灰水壓1.2～1.8 MPa，底板承受奧灰水壓力的總體趨勢為西高東低；底板厚度為26～50 m，從底板東邊向底板西邊表現(xiàn)為減小，西薄東厚的分布趨勢；同時在底板西側(cè)區(qū)域有富水異常區(qū)的存在。針對這一情況，16052 工作面微震監(jiān)測傳感器的布置情況如圖1，因此，在工作面西側(cè)傳感器布置進行了加密。

圖1 16052 工作面微震監(jiān)測傳感器的現(xiàn)場布置示意圖

2.2 網(wǎng)絡系統(tǒng)構(gòu)建

采用微震監(jiān)測底板突水預警系統(tǒng)對16052 工作面底板進行24 h 實時監(jiān)測。突水預警系統(tǒng)構(gòu)成的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2，通過布置在工作面周邊的地震檢波器來采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至井下工作站，繼續(xù)傳送至地面控制中心，對數(shù)據(jù)進行分析處理，將監(jiān)測結(jié)果報送各單位和領(lǐng)導。

圖2 16052 工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲示意圖

3 微震監(jiān)測結(jié)果及規(guī)律分析

據(jù)16052 工作面底板微震事件空間分布俯視圖（圖3）分析可知，16052 工作面底板微震事件可劃分為三大區(qū)域：左邊a 區(qū)域為受構(gòu)造影響而形成的底板微震區(qū)；中間b 區(qū)域受采動影響而形成的底板微震區(qū)，會隨工作面推進而不斷變化向前；右邊c 區(qū)域為滯后微震區(qū)，工作面推進后，受滯后影響而形成。

圖3 16052 工作面底板微震事件空間分布俯視圖

16052 工作面底板微震事件空間分布情況如圖4，底板微震事件主要分布在工作面前方50 m 至工作面后方30 m 區(qū)域內(nèi)，微震事件占95%。絕大部分集中在底板12 m 以內(nèi)區(qū)域，存在底板微震事件異常區(qū)I 和II。異常區(qū)I 深度42 m 左右，分布于點前距離510～620 m 范圍；異常區(qū)II 深度20 m 左右，分布于點前距離335～465 m 范圍內(nèi)。因此可知，異常區(qū)I 已經(jīng)形成底板導水通道，異常區(qū)II 沒有形成導水通道。

圖4 16052 工作面底板微震事件空間分布示意圖

16052 工作面底板微震事件能量和頻次分布情況如圖5，從圖中數(shù)據(jù)可知，微震事件數(shù)為187 個，能量大于103J 的微震事件數(shù)量為18 個，占全部微震事件9.9%，能量最大值為2.957×103J，底板微震事件以小能量事件為主。進一步驗證異常區(qū)I 已形成底板導水通道，并非突水通道。

圖5 底板微震事件能量分布曲線

4 底板破壞深度確定

4.1 底板破壞深度微震監(jiān)測分析

從圖4 可知，16052 工作面煤層底板標高范圍為+275～ +225 m，底板微震事件基本分布于+215～ +260 m，底板微震事件峰值在標高+245 m 位置，基本判定6052 工作面底板微震事件主要發(fā)生在底板標高以下12 m 左右區(qū)域內(nèi)。

采用地質(zhì)鉆孔柱狀綜合分析方法對底板地質(zhì)情況進行分析可知，在主采煤層為二1 煤的底板以下11.38 m 的位置存在石英砂巖，厚度為5.62 m。該石英砂巖層是奧陶紀石灰?guī)r與煤層底板之間的最后巖層，石英砂巖層的破壞情況是影響底板強度的關(guān)鍵。根據(jù)這一情況可以推測，16052 工作面破壞層位石英砂巖層，底板破壞深度約11.38 m。

4.2 底板破壞深度驗證

根據(jù)魏西克教授提出塑性滑移時巖土層極限承載力的綜合計算方法和模型，可計算出16052 工作面底板最大破壞深度hmax=11.17 m。該計算結(jié)果與采用微震監(jiān)測底板突水監(jiān)測預警系統(tǒng)得出的工作面底板破壞深度僅僅相差0.21 m，數(shù)據(jù)基本一致，驗證了微震監(jiān)測底板突水監(jiān)測預警系統(tǒng)預警數(shù)據(jù)的準確性。

5 應用效果分析

采用微震監(jiān)測技術(shù)構(gòu)建底板突水監(jiān)測預警系統(tǒng)在九里山礦16052 工作面進行了實踐應用。監(jiān)測預警結(jié)果表明：16052 工作面底板微震事件主要分布在構(gòu)造影響微震區(qū)、采動影響微震區(qū)、滯后微震區(qū)三個區(qū)域；存在底板微震異常區(qū)I 和II，底板出水點位置可能位于工作面前50 m 至后30 m 區(qū)域；底板破壞深度約11.38 m。經(jīng)理論計算和實踐驗證，底板突水監(jiān)測預警結(jié)果準確，底板突水監(jiān)測預警結(jié)果能做為底板突水有效防治的依據(jù)。九里山礦16052工作面微震監(jiān)測底板突水監(jiān)測預警系統(tǒng)的成功應用為工作面底板突水監(jiān)測預警提供了新技術(shù)支撐。