基于微震與數(shù)值模擬的區(qū)域改造煤層底板破壞演化機理研究

余國鋒 ，韓云春 ，任 波 ，徐一帆 ，樊建勛 ，王 偉

（1.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232000；2.深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，安徽 淮南 232000；3.紫光軟件系統(tǒng)有限公司，北京 100083）

由于石炭二疊系煤層下的奧陶系灰?guī)r水深度大、水壓高、含水量豐富，所以受奧灰水威脅的礦井，一旦底板采動破壞帶與承壓水導(dǎo)升帶貫通，工作面突水危險性極高。注漿作為加固巖體手段常被用于底板水防治[1-6]，注漿效果的好壞取決于注漿層位、擴散路徑及注漿擴散半徑[7]。根據(jù)底板巖層的力學(xué)特點，錢鳴高等提出了底板關(guān)鍵層理論[8]。針對煤礦底板注漿，同樣存在注漿關(guān)鍵層，高壓漿液從注漿關(guān)鍵層出發(fā)擴散，注漿擴散半徑的大小受原位地質(zhì)條件以及注漿壓力、注漿設(shè)備和注漿材料等工藝參數(shù)影響[9-11]；注漿擴散半徑的大小直接關(guān)系到注漿及水害防治的效果。已有研究表明，底板區(qū)域注漿改造效果與底板破壞深度有一定相關(guān)性[12-13]。微震監(jiān)測作為分析巖體破裂的1 種手段常被用于研究底板破壞深度[14-15]，但難以直接反映注漿前后底板力學(xué)特征的變化；數(shù)值模擬可以較為靈活的模擬不同地質(zhì)力學(xué)參數(shù)對底板破壞深度的影響，但其力學(xué)參數(shù)需要實際監(jiān)測的校驗。微震監(jiān)測和數(shù)值模擬可以相輔相成，聯(lián)合分析底板區(qū)域注漿改造效果與底板破壞深度[16-18]。因此，以淮南礦區(qū)潘二煤礦區(qū)域注漿改造底板為研究對象，結(jié)合數(shù)值模擬和微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析煤層底板的破壞深度演化規(guī)律及區(qū)域注漿效果；嘗試通過對比注漿前后的底板破壞差異性，揭示注漿加固底板在承壓水及采動應(yīng)力雙重作用下的抗破壞特征；為區(qū)域注漿底板的防治水害效果提供一種評價方法。

1 底板區(qū)域注漿改造工程概況

1.1 潘二煤礦水文地質(zhì)概況

潘二煤礦位于安徽省淮南市潘集區(qū)境內(nèi)，隸屬淮河能源煤業(yè)分公司。井田東西走向長約11 km，南北寬約1.3～3 km，面積19.651 8 km2。井田位于淮河沖積平原，地形平坦，地面標(biāo)高為+20.5～+22 m。12123 工作面位于潘二煤礦一水平西二采區(qū)，東起西二A 組煤采區(qū)上山，西以DF14斷層為界，北沿12223 回風(fēng)巷掘進(jìn)，南以設(shè)計標(biāo)高為準(zhǔn)。上限標(biāo)高為-435.6 m，下限標(biāo)高為-508.1 m。下階段1223 工作面已收作，上覆14124、12124、12224工作面均已回采。工作面可采走向長1 003 m，傾斜長221 m?？刹蓛α考s143.7 萬t。該塊段煤層傾角3°～22°，平均10°。12123 工作面回采期間將揭露斷層27 條，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。根據(jù)采掘資料、地面鉆孔及三維地震資料，影響12123 工作面的充水因素主要有太原組灰?guī)r巖溶水、頂板砂巖裂隙水、斷層水、鉆孔水及老空水。其中最為嚴(yán)重的是底板以下130 m 處的奧陶系灰?guī)r水，水壓高達(dá)5.9 MPa，2017 年該礦因誤揭陷落柱曾導(dǎo)致底板突水，因此，礦區(qū)底板治理勢在必行。潘二煤礦地層柱狀圖如圖1。

1.2 12123 工作面底板區(qū)域注漿改造情況

高壓注漿鉆孔布置平面如圖2。累計注漿15 526.62 t，進(jìn)行62 次壓水試驗，終孔注漿壓力為9.1 MPa。

圖2 注漿鉆孔施工布置平面圖Fig.2 Layout plan of grouting drilling construction

為了實現(xiàn)對12123 工作面底板區(qū)域注漿全覆蓋以及鄰近12223 工作面底板注漿部分覆蓋，礦區(qū)對此進(jìn)行探查治理，根據(jù)相關(guān)內(nèi)容，綜合考慮注漿巖層及其相鄰巖層的可注性，采用C3-5 灰?guī)r層為注漿巖層。注漿治理平面面積408 084 m2，地層傾角15°，治理斜面面積為422 480 m2。

2 區(qū)域注漿擴散半徑

根據(jù)現(xiàn)場觀測結(jié)果，太灰?guī)r層的可注性一般，經(jīng)注漿后的探查治理未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)水通道，但存在少量的漏漿現(xiàn)象。通過高壓注漿區(qū)域改造，工作面底板裂隙帶被水泥充填加固，使得“下三帶”中的完整巖層帶得以加大，增加隔水層厚度，有效阻擋了承壓水導(dǎo)升帶與工作面的聯(lián)系，進(jìn)而達(dá)到了良好的注漿效果，完成煤礦防治水任務(wù)。依據(jù)潘二煤礦西二采區(qū)12123 工作面底板灰?guī)r水治理勘察及施工報告，底板區(qū)域注漿的擴散半徑設(shè)計為30 m。注漿過程中可能存在跑漿、串漿和地質(zhì)異常體等非設(shè)備故障引起的注漿異常：①跑漿：是指漿液未按設(shè)計程序滲透至指定位置，主要包括跑漿至采空區(qū)或巷道等其他區(qū)域，其后果不僅浪費漿液，而且嚴(yán)重影響井下開采作業(yè)；②串漿：是指未滲透至指定區(qū)域，而是滲透至其他鉆孔，包括串漿至地面定向孔或井下探放水口孔，造成其他鉆孔堵塞，重者導(dǎo)致鉆頭發(fā)生卡鉆事故；③地質(zhì)異常體：為治理目標(biāo)，不會影響注漿效果，但是會對實際的注漿擴散半徑初評產(chǎn)生一定的誤差。因此，綜合考慮跑漿、串漿和地質(zhì)異常體等注漿異常情況，針對注漿擴散半徑為25、30、35 m 的情況，進(jìn)行底板破壞深度分析。

3 12123 工作面底板破壞數(shù)值模擬

3.1 頂?shù)装鍘r石力學(xué)參數(shù)

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件進(jìn)行12123 工作面底板破壞深度模擬分析。根據(jù)工作面底板注漿前后鉆孔取心，對其巖石樣品進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)實驗，認(rèn)識到注漿后砂巖段與灰?guī)r段的力學(xué)參數(shù)約為注漿前的1.36 倍，泥巖層段由于隔水性強、可注性低，因此其力學(xué)參數(shù)整體變化不大；注漿涉及漿水驅(qū)替，注漿前后對巖體的密度影響較小，故在數(shù)值模擬中巖層密度保持不變[19-21]。注漿前后巖石力學(xué)參數(shù)表見表1 和表2。

表1 注漿前巖石力學(xué)參數(shù)表Table 1 Rock mechanical parameters before grouting

表2 注漿后巖石力學(xué)參數(shù)表Table 2 Rock mechanical parameters after grouting

3.2 注漿前后底板破壞規(guī)律

首先基于表1 的巖石力學(xué)參數(shù)，構(gòu)建12123工作面回采過程三維地質(zhì)力學(xué)模型。潘二煤礦12123 工作面走向長度為1 000 m，工作面傾向長度為221 m。因此，將FLAC3D模型中的x軸設(shè)置為600 m（走向），y軸設(shè)置為500 m（傾向），z軸設(shè)置為310 m（深度）。該模型開采步長為10 m，基于上覆巖體重力等因素影響，設(shè)置垂直向下應(yīng)力szz=8.62 MPa，同時賦予奧陶系灰?guī)r水水壓為4.5 MPa，水壓隨巖層深度呈現(xiàn)梯度增加。未注漿底板的破壞深度情況如圖3。

圖3 工作面推進(jìn)300 m 未注漿底板破壞深度圖Fig.3 Schematic diagrams of simulation of working face advancing 300 m without grouting

由圖3 未注漿底板的破壞情況可以看出，底板破壞的原因：①奧陶系灰?guī)r水水力壓裂導(dǎo)致底板破壞；②受開采擾動及覆層重力影響，底板巖體發(fā)生損傷破裂，進(jìn)而加大了底板“下三帶”中的底板裂隙帶的深度。根據(jù)模擬的結(jié)果，底板破壞帶深度高達(dá)45 m，該破壞深度已可溝通太灰含水層，如果有不良地質(zhì)構(gòu)造，則極易進(jìn)一步導(dǎo)通至下覆奧灰層。

對注漿擴散半徑為25、30、35 m 底板破壞情況進(jìn)行數(shù)值模擬，相應(yīng)的模擬結(jié)果如圖4～圖6。

圖4 工作面推進(jìn)300 m 底板注漿擴散半徑25 m 模擬圖Fig.4 Schematic diagrams of 25 m simulation of grouting diffusion radius of 300 m in the working face

圖5 工作面推進(jìn)300 m 底板注漿擴散半徑30 m 模擬圖Fig.5 Schematic diagrams of 30 m simulation of working face advancing 300 m bottom grouting diffusion radius

圖6 工作面推進(jìn)300 m 底板注漿擴散半徑35 m 模擬圖Fig.6 Schematic diagrams of 35 m simulation of working face advancing 300 m floor grouting diffusion radius

由圖4～圖6 可以看出：隨著注漿擴散半徑的逐漸增加，底板破壞深度也在逐漸減?。寒?dāng)注漿擴散半徑為25 m 時，底板破壞深度為37 m；當(dāng)注漿擴散半徑增加至30 m 時，底板破壞深度減小到了23 m；最后將注漿擴散半徑設(shè)置為35 m 時，底板破壞深度只有18 m。通過底板破壞深度可以看出，底板區(qū)域注漿，除了對底板巖層的隔水性進(jìn)行改造，對底板巖層的完整性影響明顯，注漿擴散半徑與底板破壞深度成負(fù)相關(guān)性。

4 基于微震的底板破壞特征分析

4.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)布置方案

潘二煤礦12123 工作面采用加拿大ESG 微震監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場勘測和巷道實際情況，選擇了上下底抽巷作為傳感器的安裝巷道，工作面上下底抽巷的落差約為30 m，最大可達(dá)48 m，為建立立體空間監(jiān)測網(wǎng)創(chuàng)造了有利條件。12123 工作面微震監(jiān)測布置如圖7。

圖7 12123 工作面微震監(jiān)測布置平面圖Fig.7 Layout plan of microseismic monitoring at 12123 working face

工作面內(nèi)布置18 個測點，具體為上下底抽巷內(nèi)各布置9 個測點。在距離12123 上底抽巷聯(lián)巷約206 m 處（距離工作面開切眼約156 m）布置第1個傳感器測點，而后每間隔100～112 m 布置1 個；在距離12123 上底抽巷聯(lián)巷約260 m 的下底抽巷布置第10 個傳感器測點，而后每間隔100～115 m布置1 個，以保證對回采工作面底板巖層的微震活動性全覆蓋監(jiān)測。

4.2 基于微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的底板破壞深度

12123 工作面微震數(shù)據(jù)選取2020 年12 月10日至2021 年4 月12 日共計7 514 個有效微震事件，其中頂板微震事件5 634 個，底板微震事件1 880 個。受12123 工作面開采擾動及爆破影響，2020 年12月10 日至2021 年4 月12 日處于開采高峰期，底板微震事件數(shù)量多，能量大，巖體破裂嚴(yán)重，底板破壞帶迅速發(fā)育，進(jìn)而影響底板破壞深度。微震事件分布和微震事件密度云圖如圖8。

從圖8 中可以看出，由于開采進(jìn)度較快，該階段微震事件處于高密度狀態(tài)。該階段底板高密度微震事件距離地面-440～-445 m。由于12123 工作面的平均標(biāo)高為-470 m，因此，根據(jù)微震事件的空間分布，推算底板破壞深度在25～30 m 之間。

為進(jìn)一步增強統(tǒng)計意義、增加可信度，利用SPSS 統(tǒng)計學(xué)軟件對監(jiān)測的微震數(shù)據(jù)基于事件頻次進(jìn)行分析，得出事件頻次較大的數(shù)據(jù)組：將2020年12 月10 日至2021 年4 月12 日微震監(jiān)測底板破裂數(shù)據(jù)運用SPSS 統(tǒng)計軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計范圍為煤層底板以深（底板下0～80 m），底板破壞深度聚類分析示意圖如圖9。

圖9 底板破壞深度聚類分析示意圖Fig.9 Schematic diagram of floor failure depth cluster analysis

根據(jù)圖9，分析研究出底板破壞深度在23～30 m，與圖8 微震事件密度云圖中所對應(yīng)的25 m 左右相對應(yīng)。進(jìn)一步結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，可以認(rèn)為實際底板區(qū)域注漿擴散半徑平均應(yīng)為25～30 m。

4.3 注漿底板與非注漿底板微震數(shù)據(jù)特征對比

為了進(jìn)一步分析注漿對底板改造的影響，將潘二煤礦12123 工作面的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，與未經(jīng)過注漿改造的張集煤礦1612A 工作面微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比分析。二者具有可比性的前提條件為：①2 個工作面同處同一礦區(qū)，頂?shù)装宓貙訔l件，包括巖性、巖心分布等均類似，底板承受相同的太灰水和奧灰水威脅；②2 個采場分別于2019 年和2020 年采用同一套微震設(shè)備監(jiān)測；③微震數(shù)據(jù)的對比分析只針對相對值比較（絕對值還受回采進(jìn)尺、采高等影響）；④同時只針對2 個工作面的完整底板段（不受斷層等構(gòu)造影響）。

底板破壞類型及占比統(tǒng)計對比圖如圖10。

圖10 底板破壞類型及占比統(tǒng)計對比圖Fig.10 Statistical comparison of types and proportions of floor failure

進(jìn)行對比如下:

1）底板關(guān)鍵層的微震事件占比。潘二煤礦12123 工作面底板以下30～60 m 范圍內(nèi)的微震事件占底板微震事件總數(shù)的31.96%；張集煤礦1612A工作面底板以下30～60 m 范圍內(nèi)的微震事件占底板微震事件總數(shù)的42.22%。說明注漿治理增強了巖石的強度參數(shù)，減少了微破裂事件的產(chǎn)生。

2）底板損傷/破壞類型及其比例。根據(jù)微震監(jiān)測數(shù)據(jù)的閾值(ES/EP)，每個微震事件都會發(fā)射彈性波，包括壓縮波（P 波）和剪切波（S 波），MS 事件的S 波和P 波能量比（Es/Ep）可以用于確定巖石破裂機制、判別巖層破壞單元的破壞類型。ES/EP大于10 的事件通常與斷層滑動或剪切有關(guān)，ES/EP小于3 的事件與巖石的拉伸破壞有關(guān)，ES/EP在3～10 之間的事件通常被認(rèn)為巖石的拉剪混合破壞[22]。潘二煤礦12123 工作面底板巖體發(fā)生剪破壞的點有916 個，發(fā)生拉破壞的點有126 個，發(fā)生拉剪破壞的點有838 個，其中拉破壞占比僅為6.7%，拉剪破壞占比為44.57%，而剪破壞所占比重最大，為48.72%；而未注漿的張集煤礦1612A 工作面底板的拉破壞占所有破壞單元數(shù)的24.14%?？梢钥闯?，正是由于底板巖層經(jīng)注漿治理后，注漿巖層的抗拉強度明顯提升，所以底板拉破壞占比降低，破壞類型主要以直接底和鄰近直接底的剪切破壞為主。

5 結(jié) 語

1）綜合考慮跑漿、串漿和地質(zhì)異常體等對注漿擴散的影響，模擬得到注漿擴散半徑分別為25、30、35 m 時底板破壞深度分別為37、23、18 m，注漿除了對底板巖層的隔水性進(jìn)行改造，對底板完整性影響明顯，注漿擴散半徑與底板破壞深度成負(fù)相關(guān)性。

2）基于微震監(jiān)測和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)相結(jié)合的分析，認(rèn)為12123 工作面完整底板區(qū)的平均破壞深度約為25 m；底板區(qū)域改造注漿實際擴散半徑平均約為25～30 m。

3）基于不同工作面底板微地震事件及破壞類型對比分析，認(rèn)識到注漿底板關(guān)鍵層的微震事件總數(shù)有明顯降低，且拉伸破壞占比降低。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)角度進(jìn)一步說明注漿除了對底板巖層的隔水性進(jìn)行改造，亦對底板巖層的強度參數(shù)進(jìn)行了調(diào)控，進(jìn)而改變了底板巖層的破壞特征。