沖擊地壓礦井微震監(jiān)測技術(shù)在防治水中的應(yīng)用研究

趙森

（陜西彬長大佛寺礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500）

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)是近年來逐漸發(fā)展并成功應(yīng)用起來的一種新的煤礦物探監(jiān)測技術(shù)，通過在大型煤礦井下進(jìn)行提前施工埋設(shè)的大型高靈敏度檢波器自動監(jiān)測，接收煤巖體破裂可能產(chǎn)生的微小時空震動監(jiān)測信號，采取專門編碼軟件將這些微震信息自動解碼為有效的各種微震監(jiān)測信號，通過對各種微震監(jiān)測事件可能發(fā)生的微小時間、位置、頻度、能量等數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行微小時空運(yùn)動定位和微小震源運(yùn)動機(jī)制分析研究。司雷采用大量理論數(shù)據(jù)分析、數(shù)值數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場模擬實(shí)踐等多種手段，以大量局部微震引發(fā)事件、工作區(qū)表面涌動流水量溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立活動工作區(qū)局面微震引發(fā)事件與活動工作區(qū)表面涌動流水量溫度變化反應(yīng)關(guān)系分析模型并進(jìn)行分析研究，驗(yàn)證了兩者之間存在一種正常的相關(guān)變化關(guān)系。楊彥廷通過分析某一煤礦涌水量的預(yù)測性及與其他相關(guān)影響因素的相關(guān)性，提出了某礦井平均涌水量與當(dāng)?shù)亟涤炅?、產(chǎn)量、開采用地面積等構(gòu)成密度正比例的關(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)，針對暫時尚未有效的預(yù)測技術(shù)與預(yù)報手段，準(zhǔn)確預(yù)測礦井水害事故等相關(guān)問題，結(jié)合大佛寺煤礦實(shí)際情況，提出了一種利用微震監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行綜放工作面涌水預(yù)測預(yù)報的方法。本文以大佛寺煤礦40119 工作面為例，結(jié)合同一時期的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)（頻次、能量），分析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。

1 工作面概況

1.1 地質(zhì)條件

40119 工作面是401 采區(qū)西翼南部第3 個綜采放頂煤工作面。工作面走向1 549 m，傾向200 m，面積309 800 m2，煤層底板標(biāo)高550—585 m，煤層埋藏深度470 ~ 570 m。地理坐標(biāo)范圍X：3 878 169.583 ~ 3 879 718.502，Y：36 495 303.831 ~ 36 495 503.831。40118 工作面采空區(qū)位于40119 工作面東側(cè)，其留設(shè)有寬度30 m 的隔水煤柱，西側(cè)為實(shí)體煤，南側(cè)為井田邊界，北側(cè)為4 煤西部4 條大巷。

延安組底部4 煤層作為40119 工作面開采煤層，局部區(qū)段因?yàn)槭艿刭|(zhì)構(gòu)造的變化影響，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，因此造成了部分煤層相對較為松軟。根據(jù)工作面實(shí)際揭露及探煤情況，工作面煤層厚度6.2~18.9 m，平均厚度為12.5 m，整體由北向南變薄，平均煤厚12.5 m，屬特厚煤層，煤層傾角0 ～9°，局部含1~2 層夾矸，厚度平均0.2 ~0.3 m，巖性均以泥巖或炭質(zhì)泥巖為主。

1.2 水文地質(zhì)特征

（1） 上覆巖層水文地質(zhì)情況。

根據(jù)勘探資料，40119 工作面內(nèi)主要含水層由上到下依次為白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖孔隙—裂隙承壓含水巖組、白堊系下統(tǒng)宜君組裂隙承壓含水層、侏羅系中統(tǒng)安定直羅組裂隙承壓含水巖組、侏羅系中統(tǒng)延安組裂隙承壓含水巖組。

根據(jù)《大佛寺煤礦地下水對煤礦安全開采影響的研究與分析》 報告及實(shí)際開采影響情況，40119 工作面回采期間導(dǎo)水裂隙帶會發(fā)育至工作面直接充水水源為延安組、直羅組含水層水（單位涌水量較?。?，對工作面回采影響較小；主要充水水源為洛河—宜君含水層水（單位涌水量較大），是工作面主要涌水，對工作面回采影響較大。

（2） 相鄰采空區(qū)水文地質(zhì)情況。

根據(jù)礦井實(shí)際揭露情況，40119 工作面東側(cè)為40118 采空區(qū)，在40118 采空區(qū)150、560、1 200 m 處為積水區(qū)，通過計算累計積水約183 000 m3，采空區(qū)積水較大，對工作面影響較大。

2 微震監(jiān)測原理及監(jiān)測方案

微震事件是由于礦山局部高應(yīng)力集中巖體破壞斷裂過程伴生的一種自然現(xiàn)象，由于巖體內(nèi)部富含眾多天然節(jié)理裂隙，具有一定的初始損傷，其在承載能量輸入過程中，不可避免會在裂隙尖端形成應(yīng)力集中，進(jìn)而加劇巖體內(nèi)部應(yīng)力場分布不均勻，在其動態(tài)平衡過程中，繼續(xù)時刻保持應(yīng)力轉(zhuǎn)移，伴隨裂紋實(shí)時擴(kuò)展。通過裂紋擴(kuò)展過程的能量釋放，來實(shí)現(xiàn)巖體內(nèi)部整體能量場的動態(tài)平衡，而在上述過程中，因巖石的特殊屬性，其在裂隙演化過程中，會發(fā)出彈性波，可以有效的被微震傳感器拾取到，進(jìn)而主動監(jiān)測巖體內(nèi)部失穩(wěn)現(xiàn)象。

2.1 微震監(jiān)測技術(shù)在礦井水害中的應(yīng)用原理

針對礦山水害的誘發(fā)機(jī)制，眾多學(xué)者認(rèn)為其根本原因在于采動影響以及礦山壓力作用下的巖體破斷過程為礦井突水形成了天然通道，其中還包括水巖耦合作用。水能弱化巖體，降低巖體承載能力，促使采掘擾動作用下巖體破壞，進(jìn)一步誘發(fā)礦井突水事故。而結(jié)合上述分析，巖體破斷是一個循序漸進(jìn)的過程，裂隙演化過程中發(fā)生的彈性波可以被微震拾振器拾取，這為提前預(yù)測礦井水害提供理論依據(jù)。而微震監(jiān)測系統(tǒng)另一個優(yōu)勢在于，可以通過布置合理的監(jiān)測臺網(wǎng)，對微震事件的發(fā)生位置進(jìn)行精確定位。因此，利用微震監(jiān)測技術(shù)的2 大優(yōu)點(diǎn)，可以將其推廣到預(yù)測礦井水害事故中，對提前預(yù)測水害發(fā)生的位置以及發(fā)生水害的時間進(jìn)行預(yù)測預(yù)報，為礦山安全生產(chǎn)做出貢獻(xiàn)。

2.2 微震監(jiān)測方案

由于大佛寺煤礦受煤層地質(zhì)條件限制，其ARAMIS M/E 井下微震監(jiān)測系統(tǒng)臺站均為單煤層近水平布置，40119 工作面在回采期間，微震監(jiān)測系統(tǒng)主要由布置在順槽內(nèi)的探頭T15、T16 和拾震器S13、S14 進(jìn)行監(jiān)測。其中，每臺拾震器布置在巷道底板水泥臺上，水泥臺用2 根錨桿與底板圍巖緊密接觸，傳感器探頭通過全錨固錨桿垂直安裝在巷道頂板。

圖1 為微震監(jiān)測系統(tǒng)布置圖，圖中圓點(diǎn)為微震監(jiān)測系統(tǒng)傳感器。

圖1 微震監(jiān)測系統(tǒng)布置示意Fig.1 Microseismic monitoring system layout

3 工作面涌水及微震事件統(tǒng)計

3.1 工作面涌水情況

40119 工作面洛河組厚度相對較大（約195 m），且為中等富水性，安定組厚度相對較?。s60 m），煤層與洛河組間距相對較?。s178 m）。工作面上覆含水層較厚、隔水層較薄、煤層與含水層間距較小、煤層較厚，均為工作面涌水因素。40119 工作面回采期間工作面涌水頻次高、涌水量大，工作面共計發(fā)生涌水13 次，最大涌水量達(dá)到1 300 m3/h。

40119 工作面涌水情況見表1，40119 工作面涌水位置示意如圖2 所示，40119 工作面涌水量變化曲線圖如圖3 所示。

圖3 40119 工作面涌水量變化曲線Fig.3 Water inflow variation curve in 40119 working face

表1 40119 工作面涌水情況Table 1 Water inflow in 40119 working face

圖2 40119 工作面涌水位置示意Fig.2 Water inflow position in 40119 working face

3.2 微震事件監(jiān)測情況

一般情況下，工作面的推采速度與能量釋放量和釋放頻次成正比例關(guān)系，推采速度越快，能量釋放和頻次就越多，工作面的危險程度就越高?，F(xiàn)對40119 工作面回采期間的月度推進(jìn)距離和能量釋放頻次、釋放能量進(jìn)行統(tǒng)計，40119 工作面回采期間微震事件頻次能量統(tǒng)計見表2，由于微震事件監(jiān)測參數(shù)較多，為了明確其不同參數(shù)與月進(jìn)尺之間的關(guān)系，本文選用2 個比較常用的參數(shù)，總頻次和總能量，為了明確兩者之間的關(guān)系，繪制出總頻次、總能量分別與月進(jìn)尺之間的關(guān)系，如圖4、圖5 所示，繪制出總頻次與總能量兩者之間的關(guān)系圖，如圖6 所示。

表2 40119 工作面回采期間微震事件頻次能量統(tǒng)計Table 2 Statistics of microseismic events frequency and energy in 40119 working face during mining

圖4 40119 工作面月推進(jìn)度與頻次釋放關(guān)系Fig.4 The relationship between monthly advance and frequency release in 40119 working face

圖5 40119 工作面月推進(jìn)度與能量釋放關(guān)系Fig.5 The relationship between monthly advance and energy release in 40119 working face

圖6 40119 工作面能量釋放與頻次關(guān)系Fig.6 The relationship between energy release and frequency in 40119 working face

從統(tǒng)計表及40119 工作面月推進(jìn)度與能量、頻次釋放關(guān)系圖可以看出：①工作面釋放能量、頻次基本和工作面推進(jìn)度呈線性相關(guān)關(guān)系，即工作面釋放能量、頻次隨著推進(jìn)度的增大而增大，隨推進(jìn)度的減小而減?。虎诠ぷ髅婺芰酷尫藕皖l次呈線性相關(guān)關(guān)系。

4 工作面涌水量變化與微震數(shù)據(jù)之間的關(guān)系

結(jié)合上述理論分析，為了進(jìn)一步明確40119 工作面涌水量變化與微震數(shù)據(jù)之間的一致性關(guān)系，為合理確定礦井水害微震預(yù)測機(jī)制，將2020 年1 月1 日—7 月31 日工作面涌水量、微震能量、頻次及日最大能量進(jìn)行統(tǒng)計，將回采過程中每日涌水量、微震能量、頻次、日最大能量曲線圖匯總?cè)缦?，分別如圖7~圖9 所示。

圖7 工作面涌水量與微震頻次關(guān)系圖Fig.7 The relationship between working face water inflow and microseismic frequency

圖9 工作面涌水量與微震日最大能量關(guān)系圖Fig.9 The relationship between working face water inflow and microseismic daily maximum energy

從40119 工作面涌水量、微震能量、頻次、日最大能量曲線圖可以看出，工作面的涌水量的變化跟微震事件有一定關(guān)聯(lián)。

（1） 當(dāng)工作面涌水量增大時，前1~2 d 微震事件發(fā)生較頻繁，能量處于高位。

（2） 當(dāng)工作面面后發(fā)生較大能量的微震事件后，24 h 內(nèi)工作面涌水量會逐步增大，并達(dá)到峰值。

（3） 當(dāng)工作面發(fā)生較大涌水時，工作面微震事件頻次及能量長時間處于高位，時長達(dá)10 d 以上，且工作面會頻繁來壓或持續(xù)來壓。

通過以上分析可以得出，工作面回采期間微震事件頻次、能量處于高位，說明頂板煤巖體活動頻繁形成裂隙，裂隙增多會形成導(dǎo)水通道，導(dǎo)致工作面涌水量增加；此外當(dāng)工作面面后發(fā)生大能量微震事件，說明工作面老頂破斷，會直接形成導(dǎo)水通道，導(dǎo)致工作面涌水量激增。

5 結(jié) 語

在大型礦井水害防治中，微震水害監(jiān)測技術(shù)由于能夠?qū)崟r、連續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測對象范圍較大，具有一定的技術(shù)前瞻性，彌補(bǔ)了目前常規(guī)礦井突水微震監(jiān)測水害預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)的不足。通過建立科學(xué)、合理安全布置近場和遠(yuǎn)場微震立體定位監(jiān)測信息網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合遠(yuǎn)場微震立體定位監(jiān)測算法，可實(shí)時探查采掘煤層頂板通道煤層覆巖體變化活動、導(dǎo)水覆巖通道、突水裂隙通道煤層擴(kuò)散變化過程，確定覆巖裂隙帶和導(dǎo)水裂隙帶活動高度與煤層位置，連續(xù)準(zhǔn)確監(jiān)測導(dǎo)水裂隙帶煤層發(fā)育變化過程，識別礦礦導(dǎo)水裂隙通道，有助于實(shí)現(xiàn)煤層地下突水通道防治和地震預(yù)測災(zāi)害預(yù)報。

圖8 工作面涌水量與微震能量關(guān)系圖Fig.8 The relationship between working face water inflow and microseismic energy