基于微震的底板采動(dòng)裂隙擴(kuò)展及導(dǎo)水通道識(shí)別技術(shù)研究*

靳德武 段建華 李連崇 燕 斌 牟文強(qiáng) 魯晶津 周麟晟

(①中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司， 西安 710077， 中國(guó)) (②陜西省煤礦水害防治技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710077， 中國(guó)) (③東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110819， 中國(guó))

0 引 言

華北型煤田中多數(shù)礦井上部煤層的絕大多數(shù)區(qū)域已開采殆盡，多數(shù)礦井已經(jīng)開始開采深部煤層。由于深部煤層開采面臨奧陶系石灰?guī)r巖溶富水性強(qiáng)，水壓高，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，隔水層厚度薄，礦山壓力(施龍青等， 2015)等問(wèn)題，底板水害威脅程度較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，底板水害往往是在工作面回采過(guò)程中發(fā)生的(靳德武， 2017)。煤礦突水過(guò)程是多物理場(chǎng)之間復(fù)雜的耦合作用。在煤層開挖擾動(dòng)后，圍巖應(yīng)力場(chǎng)會(huì)重新分布，在一些區(qū)域會(huì)造成屈服破壞，產(chǎn)生初始損傷，從而改變煤巖體的強(qiáng)度、彈性模量和滲透系數(shù)，進(jìn)而加劇滲流作用的進(jìn)行，兩者之間耦合作用更強(qiáng)烈，使應(yīng)力場(chǎng)更易造成新的損傷，導(dǎo)致隔水層的隔水能力降低，在承壓水的水壓作用下發(fā)生突水(趙慶彪等， 2016， 孫琪皓等， 2019)，其突水機(jī)理復(fù)雜(原富珍等， 2019)。因此，監(jiān)測(cè)底板采動(dòng)潛在導(dǎo)水通道是預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)底板阻水能力的前提條件，也是進(jìn)行礦井突水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)(彭蘇萍等， 2001， 虎維岳等， 2008)。由于水文地質(zhì)條件復(fù)雜，突水影響因素較多，常規(guī)監(jiān)測(cè)手段難以捕捉底板突水通道的形成和演化過(guò)程(劉超等， 2014)，目前，主要有兩類方法可以解決該問(wèn)題，一類方法為理論計(jì)算和數(shù)值模擬法，理論計(jì)算法一般是通過(guò)大量經(jīng)驗(yàn)建立公式，利用該公式對(duì)破壞深度進(jìn)行估算，往往需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐，但是巖層結(jié)構(gòu)及其組合特征和開采方法的不同，會(huì)導(dǎo)致破壞深度存在較大差異(張波等， 2018)，雖然數(shù)值模擬法的仿真性不斷提升，但是，由于存在測(cè)試方法及巖石物理力學(xué)參數(shù)的代表性問(wèn)題往往導(dǎo)致模擬結(jié)果誤差較大。同時(shí)，該類方法存在不能隨開采活動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)計(jì)算的缺點(diǎn)(王悅等， 2018)； 另一類方法為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)法，主要分為鉆探和物探法，鉆探法包括鉆孔壓水試驗(yàn)法(黃震等， 2014)，鉆孔觀測(cè)法(張平松等， 2017)，該方法需要對(duì)同一測(cè)點(diǎn)在采動(dòng)前后分別觀測(cè)，再進(jìn)行對(duì)比，但是底板破壞變形相對(duì)滯后于工作面的推進(jìn)，因此，難以對(duì)底板變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且監(jiān)測(cè)范圍有限。物探法主要包括電法(徐智敏等， 2012)、電磁法(劉盛東等， 2019)、微震法(段建華等， 2020)。鑒于其探測(cè)原理，電法和電磁法只能利用電性參數(shù)的變化，間接獲得底板破壞深度，而微震法則是直接對(duì)破裂點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)反演計(jì)算和定位，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)水通道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。然而，目前微震監(jiān)測(cè)可捕獲的數(shù)據(jù)，大多是離散、孤立、無(wú)序的巖層破裂定位點(diǎn)，很難直接判斷表觀上成線、成面或成連通體的導(dǎo)水通道。但是實(shí)際上煤層底板的彎曲變形、脆性變形、松動(dòng)碎裂以及塑性變形等與巖性、構(gòu)造、水的滲流、時(shí)間效應(yīng)、溫度和地應(yīng)力因素密切相關(guān)(隋旺華等， 2019， 李西龍等， 2020)，因此，可深度挖掘微震定位數(shù)據(jù)與巖石物理力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性，分析巖層破裂的連通性，揭示深部石灰?guī)r承壓水突水通道形成過(guò)程，為深部煤層底板承壓水防治提供理論和技術(shù)支撐。

1 微震監(jiān)測(cè)技術(shù)

當(dāng)巖石失穩(wěn)破壞或原有地質(zhì)缺陷被激活錯(cuò)動(dòng)，巖體內(nèi)微裂縫擴(kuò)展發(fā)育，將出現(xiàn)微小量級(jí)的高頻率的聲發(fā)射。當(dāng)裂紋繼續(xù)擴(kuò)展到一定規(guī)模、受載至一定強(qiáng)度，開始出現(xiàn)較為發(fā)育的貫通裂隙并產(chǎn)生低頻的微震。由于微地震是巖石材料變形、裂紋開裂及擴(kuò)展過(guò)程中的伴生現(xiàn)象，此時(shí)它的變化與圍巖結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為密切相關(guān)，因此，微地震信號(hào)中含有大量關(guān)于圍巖受力破壞以及地質(zhì)缺陷活化過(guò)程的實(shí)時(shí)信息，基于此可以推斷巖石材料的力學(xué)行為，預(yù)測(cè)圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。微破裂發(fā)生以應(yīng)力波(P波、S波)的形式向外傳播，則可利用檢波器、分站等組成的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的獲取，當(dāng)提取4個(gè)以上微震通道的P波初至?xí)r間，則可實(shí)現(xiàn)在某一時(shí)刻內(nèi)的微震事件的定位，如圖 1所示。同時(shí)利用波形頻譜圖下的振幅、拐角頻率以及巖層性質(zhì)等可以對(duì)震源參數(shù)，如能量、矩震級(jí)、地震矩以及視應(yīng)力等進(jìn)行計(jì)算，據(jù)此可以得到巖石斷裂的時(shí)空信息和強(qiáng)度信息，進(jìn)而得到巖石的微觀和宏觀破壞特征。而巖石的微破裂通過(guò)波的形式獲取之后，微破裂的進(jìn)一步發(fā)展演化會(huì)形成巖石的宏觀破壞，通過(guò)解譯微震監(jiān)測(cè)下的每個(gè)微破裂的震源參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)宏觀破壞的表征。如，微地震能量所反映的巖石在擾動(dòng)破壞下所釋放的儲(chǔ)備能量，一定程度上反映了巖石的力學(xué)性能和外在擾動(dòng)條件，以及破裂程度； 能量密度表示的是巖石在單位空間體積內(nèi)微震事件所釋放的能量大?。?震源尺度(震源半徑)表示巖石破裂的波及范圍等。同時(shí)，各個(gè)震源參數(shù)之間存在一定關(guān)系，這也為震源分析提供了前提條件(Hanks et al.， 1979； 修濟(jì)剛等， 1998； Mukuhira et al.，2016)。所以微震事件的震源參數(shù)可以表征巖層的破裂過(guò)程、裂縫導(dǎo)通擴(kuò)展等，該技術(shù)已成為實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、立體監(jiān)測(cè)煤層底板裂縫擴(kuò)展導(dǎo)通的一個(gè)重要技術(shù)手段，尤其在定位災(zāi)害性導(dǎo)水通道方面具備獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖 1 應(yīng)力波獲取與微震定位Fig. 1 Stress wave acquisition and microseismic location

2 導(dǎo)水通道識(shí)別原理

2.1 基于能量密度的導(dǎo)水通道識(shí)別

底板突水包括兩個(gè)要素：充水水源和導(dǎo)水通道，導(dǎo)水通道的形成受工作面回采及陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造的影響顯著(李連崇等， 2009a，2009b)。在煤層開采期間，對(duì)導(dǎo)水通道的“動(dòng)態(tài)”破裂失穩(wěn)過(guò)程和活化規(guī)律描述的實(shí)時(shí)微震事件，均代表巖體內(nèi)部對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)的微裂紋，而巖體微裂隙的存在是滲流通道形成的前提條件。因此，利用微震技術(shù)識(shí)別導(dǎo)水通道是可行的。巖石發(fā)生破裂產(chǎn)生能量釋放，釋放過(guò)程中存在有耗散能與可釋放應(yīng)變能(謝和平等， 2005)，如圖 2所示。單元體能量的釋放在時(shí)間與空間上的變化特征，可以反映巖石裂縫的擴(kuò)展過(guò)程(周志芳等， 2021)，基于此可以利用微震監(jiān)測(cè)所獲取的微震事件釋放的能量在空間單位體積內(nèi)的大小反映巖層單元的微缺陷發(fā)展，即能量密度反映裂縫的擴(kuò)展路徑與強(qiáng)度。

(1)

式中：ρE為能量密度； ∑Ei為單元空間j內(nèi)所有微震事件的能量總和；Vj為單元空間j的體積。

通過(guò)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)計(jì)算獲得定位信息和震源參數(shù)，根據(jù)工作面的水文地質(zhì)條件，確定能量篩選范圍及其計(jì)算網(wǎng)格特征，繪制不同深度的能量密度云圖。通過(guò)觀測(cè)能量密度云圖最終得到底板導(dǎo)水通道形成概率及其可能存在的位置，最后，根據(jù)底板導(dǎo)水通道在平面上的位置，確定導(dǎo)水通道的延伸深度及擴(kuò)展方向。

圖 2 巖石破裂能量密度識(shí)別Fig. 2 Identification of energy density from rock fracturing

2.2 底板巖層破裂連通度分析方法

微震信號(hào)識(shí)別得到的微震事件之間存在波及損傷區(qū)域的交叉點(diǎn)，則存在由微裂縫連通形成的裂縫。而微震觸發(fā)的波及區(qū)可以分為兩類，一類是由震源半徑控制的范圍，震源半徑計(jì)算公式如下(修濟(jì)剛等， 1998)：

(2)

式中：r0為微震事件的震源半徑；Kc為震源模型常數(shù)，與所應(yīng)用的模型有關(guān)；β0為震源區(qū)的S波波速；fc為應(yīng)力波的拐角頻率。

另一類則是由視體積控制下的視半徑范圍，無(wú)論破壞模式如何，都會(huì)在其周圍形成一個(gè)非彈性變形區(qū)，稱為視體積，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：VA是表觀體積，表示局部非彈性變形的體積；M為地震矩，表示微震事件的震級(jí)；E是微震事件的能量；G為剪切模量；σA是表觀應(yīng)力。若將視體積視為球體，其半徑可按式(4)計(jì)算：

(4)

同時(shí)，將兩個(gè)微震球體的震源波及半徑與其空間距離之比定義為連通度，由于巖石微震事件所面臨的多因素干擾，則定義連通度更能滿足實(shí)際應(yīng)用需要，連通度表征了微震事件之間貫通成縫的可能性。計(jì)算公式如式(5)所示。

(5)

式中：δ為巖石破裂連通度；Ri與Rj分別為任意兩個(gè)微震事件i和j的波及半徑； (xi，yi，zi)與(xj，yj，zj)分別為任意兩個(gè)微震事件i和j的空間坐標(biāo)。

對(duì)于連通度計(jì)算式(5)，當(dāng)連通度大于1時(shí)，可以認(rèn)為兩個(gè)微裂縫連通形成裂縫。當(dāng)連通度小于1時(shí)，兩個(gè)微破裂不會(huì)發(fā)生連通成縫，該值越大，微破裂穿透巖層形成導(dǎo)水通道的概率越大。而每個(gè)微震事件往往與其周圍的其他事件存在多個(gè)交集，但巖石破壞所形成的主流裂縫往往僅有1條。則可假設(shè)距離越近的兩個(gè)微震事件是越容易發(fā)生裂縫導(dǎo)通，則以連通度表征的微震事件，每個(gè)微震事件均選擇最大連通度的臨近事件連接成縫，則可以得到該條件下的裂縫分布。如圖 3所示，自某一微震事件開始對(duì)周圍微破裂所構(gòu)成的連通度進(jìn)行計(jì)算和篩選，每個(gè)微震事件均選擇較大的連通度進(jìn)行連接而形成裂縫。

圖 3 基于連通度的微震事件相互貫通形成裂縫Fig. 3 Formed fracture with interconnected microseismic events based on the connectivity

圖 4 11916工作面底板水文地質(zhì)綜合柱狀示意圖Fig. 4 Comprehensive column diagram of floor hydrogeology of panel 11916

圖 5 微震傳感器與電法電極布置Fig. 5 Layout of microseismic sensor and electrode arrangement

3 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 礦井概況

河北葛泉礦東井是冀中股份有限公司主力生產(chǎn)礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90×104t·a-1，主采煤層為9號(hào)煤，開采工藝為走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化開采， 11916工作面走向長(zhǎng)度為1080m，傾向長(zhǎng)度為70m，煤層傾角7°～21°，平均厚度5.5m，兩巷高差約20m，如圖 5 所示， 11916運(yùn)料巷與11915工作面采空區(qū)僅僅相隔4m厚的煤柱，并且工作面中間有一個(gè)直徑超過(guò)50m的陷落住。工作面底板水文地質(zhì)柱狀圖如圖 4，底板至本溪灰?guī)r之間為平均厚度約20.3m的隔水層，阻水性能中等，底板至奧陶系灰?guī)r含水層為厚度36.0～43.6m的隔水層，平均厚度為41.1m。本溪巖溶裂隙含水層(簡(jiǎn)稱“本灰”)富水性中等、厚度較薄，巨厚的奧陶系巖溶裂隙含水層(簡(jiǎn)稱“奧灰”)富水性強(qiáng)，本灰和奧灰是工作面的主要含水層，其中奧灰?guī)r溶水是礦井主要水害防治對(duì)象。根據(jù)鉆孔測(cè)量，該工作面底板隔水層奧灰水壓為1.71～2.21MPa，突水系數(shù)為0.047～0.061MPa·m-1，工作面存在底板巖溶突水危險(xiǎn)性。

回采前已經(jīng)對(duì)底板本灰含水層實(shí)施了注漿改造工程，由于11913工作面發(fā)生了突水，為了安全起見，后期對(duì)奧灰含水層進(jìn)行了改造，但是底板傾角大，起伏變化大，隔水層厚度變化大，而且在相鄰11915工作面存在直徑超過(guò)50m的陷落柱，打鉆驗(yàn)證陷落柱含水，出水量為60m3·h-1，經(jīng)過(guò)注漿改造后，檢查孔仍出水2m3·h-1，存在突水危險(xiǎn)性。因此，本文利用微震、視電阻率監(jiān)測(cè)技術(shù)建立綜合突水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別對(duì)導(dǎo)水通道、水源進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 監(jiān)測(cè)方案

3.2.1 微震傳感器布置

11916工作面附近的運(yùn)料巷、運(yùn)輸巷和東翼運(yùn)輸巷都可以布置微震傳感器，其中東翼運(yùn)輸巷在回采期間不會(huì)垮塌，為了保護(hù)傳感器，避免電纜被破壞，能夠更好地對(duì)采空區(qū)底板的破裂情況實(shí)施監(jiān)測(cè)，在東翼運(yùn)輸巷和運(yùn)料巷分別布置微震傳感器。布置41個(gè)井下微震傳感器，其中28個(gè)在巷道內(nèi)，道距50m； 13個(gè)在鉆孔中，道距50～100m，鉆孔的垂深25m，傾角45°； 布置4個(gè)地面微震傳感器，道距250m，具體測(cè)點(diǎn)布置如圖 5所示。

圖 6 底板微震事件空間分布Fig. 6 Spatial distribution of microseismic events in coal floor

3.2.2 視電阻率電極布置

采空區(qū)是底板突水的重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，為了便于監(jiān)測(cè)采空區(qū)底板視電阻率及其變化，在運(yùn)料巷和東翼運(yùn)輸巷共布置202個(gè)電極，電極間距為10m，無(wú)窮遠(yuǎn)電極距離停采線1500m。在巷道底板靠近外邦處打鉆，孔深1.5m，傾角45°，錨桿尾部與監(jiān)測(cè)電纜連接，將錨桿放入孔中，用黃泥封孔。

3.2.3 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定

震源定位精度對(duì)導(dǎo)水通道的定位至關(guān)重要，為了獲得較高的震源定位精度，需要利用標(biāo)定炮方法對(duì)地震波在巖層中的傳播速度進(jìn)行測(cè)量，即把炸藥起爆點(diǎn)視為已知點(diǎn)震源，進(jìn)行反演計(jì)算，從而測(cè)得地震波的傳播速度，還可用此對(duì)定位精度進(jìn)行檢驗(yàn)。測(cè)得11916工作面底板圍巖破裂產(chǎn)生的縱波在底板巖層中的傳播速度為3100m·s-1。

根據(jù)3100m·s-1的平均波速，結(jié)合觀測(cè)系統(tǒng)，標(biāo)定炮定位坐標(biāo)為(9507.467， 1625.886， 303.878)，放炮點(diǎn)實(shí)際坐標(biāo)為(9514.527， 1627.926， 305.198)，誤差分別為Δx=7.06m，Δy=2.04m，Δz=1.32m，平均誤差為3.473m，工作面隔水層平均厚度為41.1m，定位誤差約為隔水層厚度的1/12，因此，能夠滿足監(jiān)測(cè)需要。

4 基于震源參數(shù)的底板導(dǎo)水通道識(shí)別

4.1 底板微震事件能量密度分布特征

自監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常運(yùn)行后，在11916工作面回采過(guò)程中實(shí)時(shí)獲取頂?shù)装鍘r層在采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)下所產(chǎn)生的破裂應(yīng)力波，對(duì)波形進(jìn)行定位處理后，獲取了整個(gè)工作面內(nèi)微震事件的分布情況，計(jì)算得到各個(gè)微震事件的震源半徑、視體積等震源參數(shù)。同時(shí)對(duì)發(fā)生在底板巖層內(nèi)的微震事件進(jìn)行了細(xì)化處理。結(jié)合所構(gòu)建11916工作面的三維地質(zhì)模型，對(duì)微震事件在采場(chǎng)空間內(nèi)的分布特征進(jìn)行了分析，如圖 6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在陷落柱影響區(qū)域內(nèi)有一定數(shù)量的微震事件發(fā)生，通過(guò)陷落柱后微震事件數(shù)量也顯著增加。微震事件在陷落柱波及區(qū)內(nèi)的縱向深度大于其余空間，存在涌水的可能。同時(shí)，可以看出回采煤壁附近微震事件數(shù)量相對(duì)較少，而在遠(yuǎn)離11916工作面煤壁處的臨近區(qū)域內(nèi)卻有明顯的微震事件聚集特征，造成該現(xiàn)象的原因是：微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)范圍廣，將臨近采場(chǎng)采掘作業(yè)擾動(dòng)巖層而誘發(fā)的巖石破裂信號(hào)采集，因而在采場(chǎng)內(nèi)微震事件出現(xiàn)了沿外側(cè)巷道的線性分布特征。因此，在進(jìn)行底板導(dǎo)水通道分析時(shí)，將微震事件進(jìn)行了篩選，剔除了遠(yuǎn)場(chǎng)的采動(dòng)擾動(dòng)信號(hào)，僅對(duì)工作面及其近場(chǎng)區(qū)內(nèi)的微震事件進(jìn)行分析。

結(jié)合微震數(shù)據(jù)分布特征，將采場(chǎng)劃分為25×110個(gè)網(wǎng)格，計(jì)算得到在不同深度內(nèi)的工作面能量密度云圖，如圖 7所示。在忽略其他擾動(dòng)的前提下，可以發(fā)現(xiàn)在淺部位置的采場(chǎng)內(nèi)高能量密度區(qū)主要分為兩個(gè)區(qū)，其中Ⅰ區(qū)為陷落柱影響區(qū)，該區(qū)內(nèi)最大能量密度集中在陷落柱波及區(qū)邊緣，并向兩側(cè)延伸擴(kuò)展； Ⅱ區(qū)為工作面巷道側(cè)的集中區(qū)，該區(qū)內(nèi)的最大能量密度集中在巷道圍巖內(nèi)。而更深部層位也可劃分為兩個(gè)區(qū)，其中Ⅳ區(qū)與淺部的Ⅱ區(qū)位置相一致，但是Ⅳ區(qū)的能量密度較小，不存在貫通趨勢(shì)，誘發(fā)涌水的可能性較?。?而深部的Ⅲ區(qū)向陷落柱核心區(qū)延伸，并存在向陷落柱波及區(qū)邊界一側(cè)擴(kuò)展的趨勢(shì)。則深部陷落柱核心區(qū)內(nèi)的巖石出現(xiàn)較大程度的損傷破壞，且與淺部的圍巖波及區(qū)內(nèi)的較大損傷區(qū)極易誘發(fā)自深部層位向上發(fā)展的巖石破裂貫通，高密度Ⅰ區(qū)與高密度Ⅲ區(qū)存在自陷落柱核心區(qū)向工作面內(nèi)擴(kuò)展裂縫的趨勢(shì)，則受陷落柱導(dǎo)水影響極易引發(fā)工作面涌水。

4.2 承壓水底板破壞連通度表征

對(duì)于受底板承壓水威脅的采場(chǎng)，導(dǎo)水裂縫在縱向內(nèi)的延伸反映了誘發(fā)突(涌)水的危險(xiǎn)性，且存在地質(zhì)構(gòu)造的區(qū)域誘發(fā)涌水的概率較大。因此，在進(jìn)行連通度分析時(shí)，首先以縱向深度為基礎(chǔ)參考值。以所監(jiān)測(cè)得到的微震事件參數(shù)為基礎(chǔ)，且根據(jù)式(3)以及式(4)、式(5)，經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)微震事件的視體積半徑均小于震源半徑，考慮到微震監(jiān)測(cè)特性及其有效性，在取衰減系數(shù)為1(忽略衰減)條件下，選擇依據(jù)震源半徑交集情況分別計(jì)算深度方向內(nèi)各個(gè)微震事件之間的連通度，其中圍繞陷落柱區(qū)域的8組典型空間的連通度分布情況如圖 8所示?？梢钥闯觯ぷ髅鎯?nèi)不同截面內(nèi)的連通度分布趨勢(shì)與能量密度云圖分布一致。較大的連通度主要分布在陷落柱之后的采場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，同時(shí)，陷落柱所在區(qū)域內(nèi)的3個(gè)云圖進(jìn)行細(xì)化研究發(fā)現(xiàn)，受陷落柱導(dǎo)水影響，在最低連通計(jì)算狀態(tài)下陷落柱所在區(qū)域已形成了3組潛在的導(dǎo)水區(qū)域，且較大的連通度分布在陷落柱核心區(qū)一側(cè)，表明陷落柱核心區(qū)受回采影響較大，陷落柱的核心部位及臨近圍巖發(fā)生了較大的擾動(dòng)破壞。同時(shí)采動(dòng)應(yīng)力造成了巖石破裂向上擴(kuò)展裂縫，工作面內(nèi)存在陷落柱誘發(fā)的涌水現(xiàn)象。

圖 7 底板能量密度云圖(回采工作面俯視圖)Fig. 7 Cloud chart of floor energy density(top view of working face) a. 淺部(-125～-100m)能量密度云圖； b. 深部(-150～-125m)能量密度云圖

圖 8 底板連通度分布特征Fig. 8 Distribution characteristics of floor connectivity

圖 9 陷落柱區(qū)域?qū)ǖ婪植糉ig. 9 Distribution of water pathways in collapse column area

4.3 導(dǎo)水裂隙分布特征

根據(jù)采場(chǎng)內(nèi)微震事件、能量密度分布特征及底板巖層的連通度分布規(guī)律，依據(jù)誘導(dǎo)成縫下的最大連通度原則，判識(shí)得到在陷落柱圍巖區(qū)域內(nèi)的裂縫分布特征，如圖 9所示。研究發(fā)現(xiàn)，在選定區(qū)域內(nèi)主要形成了5條貫通型潛在導(dǎo)水裂縫(通道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)。其中：通道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ與陷落柱存在直接聯(lián)系，潛在通道Ⅰ自陷落柱波及區(qū)一側(cè)向巷道一側(cè)及工作面內(nèi)擴(kuò)展，并與工作面內(nèi)的裂縫網(wǎng)存在連通可能性； 而潛在通道Ⅲ則自陷落柱波及其的另一側(cè)向工作面內(nèi)擴(kuò)展，并同時(shí)與工作面內(nèi)的縫網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了連通，形成了類環(huán)型裂縫分布； 潛在通道Ⅱ自陷落柱核心區(qū)向工作面內(nèi)擴(kuò)展，同時(shí)與通道Ⅰ、Ⅲ存在進(jìn)一步連通可能性。而通道Ⅳ、Ⅴ與陷落柱存在間接聯(lián)系，其中通道Ⅳ分布在巷道一側(cè)，其深部破裂點(diǎn)與陷落柱波及區(qū)以及通道Ⅱ相近，存在進(jìn)一步溝通的可能性； 通道Ⅴ貫穿工作面呈線狀分布，部分破裂點(diǎn)在外巷道側(cè)與通道Ⅲ相近，存在進(jìn)一步溝通的可能性。因此，根據(jù)陷落柱分布特征，通道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是誘發(fā)工作面涌水的關(guān)鍵導(dǎo)水裂縫，其中水流自通道Ⅱ向巷道及工作面內(nèi)流動(dòng)的可能性極大。

綜上所述，通過(guò)能量密度以及連通度分析方法得到工作面陷落柱所在區(qū)域內(nèi)存在導(dǎo)水裂縫，其誘因是回采擾動(dòng)陷落柱及其圍巖發(fā)生破壞，誘發(fā)深部陷落柱核心區(qū)破裂向上擴(kuò)展并偏轉(zhuǎn)至巷道及工作面所在層位。實(shí)現(xiàn)導(dǎo)水流動(dòng)而發(fā)揮主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)的裂縫數(shù)量在1～3條之間，其余裂縫均呈間接導(dǎo)通特征。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

如圖 5所示，在11916工作面部署了視電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)底板富水性及其變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖 10所示，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，底板以下20m范圍內(nèi)視電阻率值一直較高，說(shuō)明底板水導(dǎo)升高度變化不明顯。

圖 10 9月4日底板視電阻率水平剖面Fig. 10 Horizontal section of apparent resistivity of floor on September 4

從圖 11可知，在運(yùn)料巷35號(hào)電極附近底板下，從9月9日開始低阻異常區(qū)域逐漸變大， 9月10日達(dá)到最大，同時(shí)在運(yùn)料巷35號(hào)電極附近底板出水，水量不大，約2m3·h-1，隨著工作面的推進(jìn)，水量逐漸減少，直到14日停止出水， 14日的電阻率數(shù)據(jù)反映該區(qū)域重新變成高阻區(qū)域。

結(jié)合圖 7、圖8、圖9、圖11、圖12發(fā)現(xiàn)，圖 8、圖9中底板破裂較深位置處的裂隙已經(jīng)貫通，可能已經(jīng)與本灰含水層導(dǎo)通，并且從圖 11、圖12中的低阻異常區(qū)隨時(shí)間不斷從下向上的發(fā)育過(guò)程驗(yàn)證了該處裂隙已經(jīng)形成導(dǎo)水通道，結(jié)合圖 9可以看出，底板裂隙發(fā)育較深的區(qū)域正是視電阻率異常體發(fā)育之處，推測(cè)陷落柱殘余水通過(guò)該通道進(jìn)入運(yùn)料巷，引起該處底板出水。

圖 11 35號(hào)電極9月8～14日底板視電阻率垂直剖面Fig. 11 Vertical profile of apparent resistivity of No.35 electrode from September 8 to 14

圖 12 9月10日底板下方20m電阻率平面分布圖Fig. 12 Plane distribution of resistivity 20m below the floor on September 10

5 結(jié) 論

(1)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠有效識(shí)別采動(dòng)過(guò)程中巖層破裂狀況，基于所獲取的震源參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)底板裂縫擴(kuò)展及導(dǎo)水通道的識(shí)別，提出了以微震能量密度識(shí)別裂縫擴(kuò)展區(qū)域、以連通度分析底板微破裂演化成宏觀裂縫的方法，并從理論上分析了其可行性。

(2)以葛泉礦東井11916工作面受陷落柱影響的承壓水底板突水監(jiān)測(cè)為工程背景，構(gòu)建了微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，得到了微震事件在采場(chǎng)內(nèi)的分布特征，通過(guò)計(jì)算確定了陷落柱區(qū)域所存在的高能量密度分區(qū)及自深部陷落柱核心區(qū)向淺部波及區(qū)的擴(kuò)展范圍。

(3)以連通度表征工作面在縱向陷落柱區(qū)域內(nèi)所存在的潛在導(dǎo)水通道，與能量密度分布規(guī)律相吻合，并通過(guò)連通路徑反演得到11916工作面內(nèi)陷落柱區(qū)域存在1～3條主導(dǎo)裂縫，通過(guò)連續(xù)電法監(jiān)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了本文技術(shù)方法的可行性與有效性。