亭南煤礦微震監(jiān)測數(shù)據(jù)與工作面涌水量關(guān)系研究

楊 藝，孟 璐

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

煤礦一般生產(chǎn)規(guī)模較大，為了有效預(yù)防礦井水害的發(fā)生，礦井涌水量的預(yù)測必不可少，針對礦井涌水量與微震監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性分析，國內(nèi)的許多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。微震監(jiān)測技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種新的物探技術(shù)，通過在煤礦井下提前埋設(shè)的高靈敏度檢波器監(jiān)測、接收巖石破裂產(chǎn)生的微小震動信號，采取專門軟件將這些信息解碼為有效的微震信號，通過對微震事件發(fā)生的時(shí)間、位置、頻度、能量等分析，進(jìn)行時(shí)空定位和震源機(jī)制研究[1-3]。司雷[4]采用理論分析、數(shù)值采集、現(xiàn)場實(shí)踐等手段，以大量微震事件、工作面涌水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立工作面微震事件與工作面涌水量變化關(guān)系模型進(jìn)行研究,結(jié)果表明:工作面微震事件能量與工作面涌水量變化存在正相關(guān)關(guān)系，兩者變化趨勢基本相同。李艷飛等[5]在前人研究的基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步研究頂板導(dǎo)水裂隙帶隨工作面推進(jìn)的動態(tài)發(fā)育過程,對微震監(jiān)測得到的微震事件數(shù)及能量級對工作面的頂板巖體破裂的相關(guān)性進(jìn)行研究,并對導(dǎo)水裂隙帶動態(tài)發(fā)育過程進(jìn)行數(shù)值模擬。楊彥廷[6]分析某礦涌水量預(yù)測及與相關(guān)因素相關(guān)性，提出礦井涌水量與降雨量、產(chǎn)量、開采面積成正比關(guān)系。

微震監(jiān)測技術(shù)對煤礦企業(yè)有著不可或缺的作用，為了更準(zhǔn)確地預(yù)測礦井涌水量，減少煤礦突水事故，保障煤礦的安全生產(chǎn)，本文將以亭南煤礦207工作面為例，結(jié)合同一時(shí)期的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)(事件數(shù)、能量級)，分析207工作面2017～2018年的礦井涌水量與微震數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，結(jié)果表明微震事件數(shù)與能量級皆與礦井涌水量呈正相關(guān)關(guān)系[7-9]。

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)條件

亭南煤礦207工作面位于二盤區(qū)中部，所采煤層為侏羅系延安組4煤，煤層傾角為0°～8°，平均為4°。煤層厚度為13.6～21.2 m，平均厚度為18.0 m，上分層回采厚度7.0～8.0 m，平均回采厚度為7.5 m。根據(jù)現(xiàn)場揭露巖層情況和鉆孔柱狀圖可知207工作面頂、底板主要以砂巖和泥巖為主，該區(qū)域橫跨南玉子向斜軸部，根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)勘探資料，本區(qū)域構(gòu)造簡單,未發(fā)現(xiàn)較大斷層，南玉子向斜橫穿該面，向斜軸附近煤巖層破碎，應(yīng)做好工作面頂板管理工作。根據(jù)已有的勘探資料，陜西省黃隴侏羅紀(jì)煤田彬長礦區(qū)地層中未發(fā)現(xiàn)巖漿巖和陷落柱。

1.2 水文地質(zhì)條件

(1) 主要含、隔水層

該區(qū)域水文地質(zhì)條件復(fù)雜，對工作面有影響的隔、含水層自上而下為：第四系松散層孔隙含水層，平均層厚93 m；白堊系下統(tǒng)宜君、洛河組孔隙—裂隙承壓含水層組，平均層厚280 m；中侏羅統(tǒng)安定組隔水層，平均層厚34 m；中侏羅統(tǒng)直羅組孔隙—裂隙承壓含水層組，平均層厚11 m；中、下侏羅統(tǒng)延安組孔隙—裂隙承壓含水層組，平均層厚13 m;下侏羅統(tǒng)富縣組相對隔水層組，平均層厚22 m。其中，宜君、洛河組承壓含水層對工作面影響較大。

(2) 4煤頂板巖層之間的水力聯(lián)系

4煤頂板以上各含水層之間有穩(wěn)定的隔水層存在，自然情況下不會發(fā)生水力聯(lián)系。但是受采動影響，在隔水層破壞情況下，上覆含水層對下部含水層將構(gòu)成補(bǔ)給，如第四系松散層水和地表水體對基巖含水層補(bǔ)給。

(3) 207工作面水文地質(zhì)

207工作面主要受4煤頂板白堊系承壓含水層水害威脅。參照ZK8-1、G2號鉆孔，含水層巖性主要以中粒砂巖、粗粒砂巖和粗礫巖為主，洛河組含水層滲透系數(shù)為0.0241 m/d，自開面以來，4煤頂板至洛河組底界距離約173.5～176.0 m。隔水層為侏羅系安定組，厚度為48.5～62.8 m,巖性主要以粗粒砂巖、砂質(zhì)泥巖為主。具體含、隔水層情況見表1。

表1 207工作面參考鉆孔地層厚度數(shù)據(jù)簡表(單位：m)

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 傳感器布置點(diǎn)

微震監(jiān)測技術(shù)主要通過接收巖體破裂時(shí)產(chǎn)生的聲、能信號，對產(chǎn)生的微震事件進(jìn)行定位。為了保證微震監(jiān)測系統(tǒng)覆蓋整個(gè)二盤區(qū)，重點(diǎn)監(jiān)測207工作面，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測207工作面及相鄰采空區(qū)微震事件的發(fā)生，及時(shí)地分析數(shù)據(jù)，提高預(yù)警范圍，采取防護(hù)措施。在207工作面布置1個(gè)監(jiān)測探頭和4個(gè)拾震器，覆蓋整個(gè)207工作面作業(yè)區(qū)域。自2017年8月15日工作面開始回采至今，207工作面共計(jì)優(yōu)化微震探頭和拾震器布置30余次，提高了監(jiān)測效果，微震監(jiān)測系統(tǒng)布置如下圖所示。

2.2 微震事件定位

通過207工作面地質(zhì)資料構(gòu)建煤系地層的三維地質(zhì)模型后，將微震事件在空間模型中展示，如圖2、圖3所示，對微震事件的地層屬性進(jìn)行分層，對微震事件進(jìn)行分層，確定微震事件發(fā)生的空間位置[8]。以下選用的監(jiān)測時(shí)段為：2017年8月15日～2018年7月6日。期間共發(fā)生微震事件65330個(gè)，其中頂板事件：56952個(gè)；底板事件8378個(gè)。監(jiān)測期內(nèi)大能量事件數(shù)量級104～105，事件共349個(gè)。微震事件能量云圖見圖4，由圖可知，大能量事件主要集中在工作面頂板。

圖1 207工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)布置圖

圖2 底板等值線地質(zhì)模型(亭南煤礦207工作面)

圖3 微震事件與地層的空間位置(亭南煤礦207工作面)

圖4 微震能量云圖

2.3 數(shù)據(jù)處理分析

微震數(shù)據(jù)分析的時(shí)間區(qū)間為2017年8月15日～2018年10月31日。在此期間，共監(jiān)測到微震事件165343個(gè)，平均每天373個(gè)微震事件。期間共推進(jìn)1529 m，平均每米釋放能量為4900 J。微震事件統(tǒng)計(jì)如下圖5所示。在數(shù)據(jù)分析的時(shí)間段內(nèi)全礦井范圍內(nèi)微震事件的總能量為7.5×106J，微震事件的最大能量級為106J，共有1個(gè)106J微震事件，發(fā)生于2018年3月15日，位于207回風(fēng)順槽超前工作面147.6 m，回風(fēng)順槽以西6.7 m處，能量為1400000 J，煤層頂板以上63 m處。由此可知，207工作面微震事件隨著能量級的增大事件數(shù)呈現(xiàn)逐步降低的趨勢。

圖5 207工作面微震事件統(tǒng)計(jì)

3 207工作面涌水情況

3.1 207工作面涌水量

影響207工作面回采的采空區(qū)積水主要為205和206工作面采空區(qū)。205、206采空區(qū)水通過206工作面面后進(jìn)入206工作面臨時(shí)水倉，再通過207回風(fēng)順槽5#聯(lián)絡(luò)巷全部外排。其中207工作面推采至160 m開始出現(xiàn)涌水，水量為20 m3/h。推采過207回風(fēng)順槽5#聯(lián)絡(luò)巷之前，涌水量約400 m3/h。截至2018年11月30日，205、206采空區(qū)涌水與207工作面涌水混合，混合涌水量為880 m3/h左右，其中207工作面低位泄水巷泄水量約248 m3/h，207灌漿巷5#聯(lián)絡(luò)巷泄水量約380 m3/h，207面前涌水量約110 m3/h。在207回風(fēng)順槽向206采空區(qū)施工10個(gè)疏放水鉆孔，疏放水量為150 m3/h。

(1) 水量變化：工作面面后涌水通過207面低位泄水巷，207灌漿巷4#、5#聯(lián)絡(luò)巷排出，水量穩(wěn)定在620 m3/h左右，面前涌水量穩(wěn)定110 m3/h左右。206采空區(qū)疏放水量穩(wěn)定在150 m3/h左右。

(2) 水質(zhì)變化：截至11月份，207采空區(qū)涌水礦化度6583.22 mg/l，根據(jù)水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果分析涌水來源為洛河組含水層水。

(3) 地表鉆孔水位變化：根據(jù)地面鉆孔2-1號鉆孔水位變化與工作面涌水量變化，以及亭口水庫蓄水與207工作面采動影響，207工作面采動影響大于亭口水庫蓄水對2-1水位影響，使2-1號孔水位下降1.265 m。

3.2 工作面涌水量變化特點(diǎn)

二盤區(qū)開采過程中，地測科人員對每個(gè)工作面的涌水量都進(jìn)行了大量的實(shí)測統(tǒng)計(jì)，隨開采范圍和工作面?zhèn)€數(shù)增加，盤區(qū)總涌水量整體呈現(xiàn)增加趨勢，如圖6所示。可以注意到在207工作面開采之后，水量增加非常明顯。即便在二盤區(qū)停采期間，盤區(qū)總水量也發(fā)生了明顯增加，由409 m3/h增加到581 m3/h。這表明在盤區(qū)停采之后，頂板巖層依然在緩慢運(yùn)動，尤其是在長時(shí)間停采之后恢復(fù)開采幾天時(shí)間內(nèi)，涌水量必然突然增加。

圖6 二盤區(qū)工作面涌水量變化曲線

在此，我們對比二盤區(qū)已經(jīng)開采的幾個(gè)工作面涌水量變化曲線，如圖7所示，為二盤區(qū)204-207工作面的用水量情況。經(jīng)分析可知，207工作面開采之后，工作面涌水量的增長速度最快，明顯高于其他已經(jīng)開采的三個(gè)工作面。隨著工作面向前推進(jìn)，207工作面本身的涌水量呈現(xiàn)整體增加趨勢，并且在不同時(shí)間段出現(xiàn)突增現(xiàn)象，圖8為207工作面推進(jìn)過程中單個(gè)工作面涌水量變化曲線。比較明顯的突增發(fā)生在以下時(shí)間點(diǎn)：①2017年10月2日，工作面開采至“一次見方”區(qū)域時(shí)，水量由20 m3/h突然增加至100 m3/h，在此之前工作面停采2天。②2017年11月5日，工作面因風(fēng)井檢修停采24天恢復(fù)生產(chǎn)后，工作面涌水量立刻增加，之后稍有回落，但是穩(wěn)定之后涌水量比停采之前增加約100 m3/h。③2017年12月1日，工作面推進(jìn)至358 m，位于地面Y1-1鉆孔附近時(shí)，水量發(fā)生明顯增加，至12月11日推進(jìn)約400 m時(shí)，水量到達(dá)355 m3/h，之后水量增加趨于緩和。④2017年12月11日，推進(jìn)至“二次見方”區(qū)域后，水量增加趨勢變緩和。

圖7 二盤區(qū)工作面涌水量隨推進(jìn)的變化曲線

圖8 207工作面涌水量隨推進(jìn)的變化曲線

4 工作面涌水量變化與微震數(shù)據(jù)之間的關(guān)系

4.1 與微震事件數(shù)之間的關(guān)系

對2017年9月28日至2018年7月6日207工作面微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖9所示，監(jiān)測期內(nèi)207工作面微震事件大致分為三個(gè)階段：

圖9 亭南礦207工作面微震事件與涌水量關(guān)系曲線圖

(1) 2017.09.28～12.29期間，工作面處于底板應(yīng)力變化劇烈及深部導(dǎo)水通道擴(kuò)展、發(fā)展期。這一階段207工作面水量增大，平均每日涌水量224 m3/h。微震事件同期大量出現(xiàn)，2017.11.05微震事件開始突增，11.28日達(dá)1073個(gè)，形成第一個(gè)高峰。反映出地下水在礦壓、構(gòu)造應(yīng)力等共同作用下對導(dǎo)水裂隙帶沖擴(kuò)、向上導(dǎo)升的過程。

(2) 2017.12.30～2018.02.28期間，礦壓影響逐步趨弱，水量平穩(wěn)、水位回升，微震事件整體處于較低水平。

(3) 2018.03.01～2018.07.06期間，礦山應(yīng)力劇烈變化，引發(fā)深部地下水再度活躍，水位下降，水量增加，且微震事件數(shù)量變化趨勢與涌水量變化趨勢基本吻合，表明兩者相關(guān)性較為密切。

4.2 與微震能量級之間的關(guān)系

對2017年11月30日至2018年11月6日207工作面微震事件的能量級進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖10所示，監(jiān)測期內(nèi)207工作面微震事件能量級大致分為三個(gè)階段：

圖10 亭南礦207工作面微震事件能量級與涌水量關(guān)系曲線圖

(1) 2017.11.30～2018.02.10期間，工作面處于底板應(yīng)力變化劇烈及深部導(dǎo)水通道擴(kuò)展、發(fā)展期。這一階段207工作面平均涌水量相對穩(wěn)定，水位回升，平均每日涌水量400 m3/h。微震事件能量級整體處于較低水平。

(2) 2018.02.28～2018.07.30期間，礦壓影響逐步增強(qiáng)，水量增加、水位回升，且微震事件能量級變化趨勢與涌水量變化趨勢基本吻合微震事件整體處于較低水平。

(3) 2018.08.31～2018.11.06期間，礦山應(yīng)力劇烈變化，引發(fā)深部地下水再度活躍，水位下降，水量增加。同期大量出現(xiàn)，2018.09.15微震事件能量級開始突增，形成第一個(gè)高峰，能量級達(dá)到640000。反映出地下水在礦壓、構(gòu)造應(yīng)力等共同作用下對導(dǎo)水裂隙帶沖擴(kuò)、向上導(dǎo)升的過程。以上數(shù)據(jù)表明微震事件的能量級與礦井涌水量兩者相關(guān)性較為密切。

5 結(jié)論

(1) 微震事件多，礦井涌水量大，微震事件少，水位回升，微震事件數(shù)量變化趨勢與涌水量變化趨勢基本吻合，表明兩者相關(guān)性較為密切，證明微震事件數(shù)與礦井涌水量呈正相關(guān)。

(2) 微震能量級高，礦井涌水量大，微震事件能量級低，水位相對回升，微震事件能量級變化趨勢與涌水量變化趨勢基本吻合，表明兩者相關(guān)性較為密切，證明微震事件與能量級與礦井涌水量呈正相關(guān)。

(3) 根據(jù)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確的預(yù)測礦井工作面涌水量的變化，達(dá)到及時(shí)預(yù)警，預(yù)防水害的發(fā)生。