基于微震監測的董家河煤礦底板突水通道孕育機制

原富珍，馬 克，莊端陽，王振偉，孫興業

(1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧 大連 116023; 2.大連理工大學 巖石破裂與失穩研究中心，遼寧 大連 116024; 3.北方工業大學 土木工程學院，北京 100144)

隨著華北、華東地區煤礦轉向深部開采，礦井底板突水問題日益突出。煤礦底板突水過程為底板巖體受擾動和滲透耦合作用引起的損傷破裂過程，其作用機理復雜，嚴重影響煤礦安全開采，引起諸多學者的廣泛關注。宋振騏等[1]從理論上分析礦山壓力對底板突水的影響，建立了跨斷層開采的突水預測控制力學模型，制定了相關的控制準則。武強等[2-3]引入變權模型反映突變情況下突水主控因素指標值和各主控因素之間組合關系的變化，提出了主控因素變權區間閾值和調權參數的確定方法，構建了底板突水問題預測評價的變權模型。郭惟嘉等[4]對深部高承壓水條件下復雜地質構造誘發底板突水問題進行了分析，將深井底板突水問題分為完整底板裂隙擴展型、原生通道導通型和隱伏構造滑剪型，并建立了相應的突水判據。施龍青等[5]將主成分分析、模糊數學、粒子群算法以及支持向量機理論相結合提出了一種底板突水危險性評價模型，在實際運用中得到了準確的預測結果。劉志新等[6]設計了環工作面電磁法底板突水監測系統，總結了不同空間位置的地質異常體的響應特征，提出了突水系數閾值的概念。胡巍和徐德金[7]采用底板實際巖體強度和折減后巖體破壞時強度的比值進行突水風險評價，并分析了其影響因素。李振華等[8]采用相似模型試驗方法研究了采動影響下底板隔水層的動態破壞過程，提出了正斷層活化誘發底板突水的前兆信息。HE等[9]從力學角度綜合考慮含水層水壓力，含水層厚度和含水層含水量等因素，建立了與時間相關的評價底板突水的函數，闡述了地下采礦的突水機制。張培森等[10]采用相似材料試驗及數值試驗方法，研究了采動影響下底板斷層損傷活化規律，揭示了采動應力場和滲流場作用下底板突水通道的形成過程。魯海峰等[11]運用極限平衡理論，推導了底板斷層突水的水壓力解析式，分析了斷層傾角、工作面推進方向等因素對臨界突水水壓的影響規律。高玉兵等[12]通過建立裂隙力學模型，從微觀角度分析微裂隙擴張過程，通過薄板理論從宏觀角度研究了承壓水對隔水層的作用機理，揭示了礦壓和底板水壓對微觀裂隙擴張和隔水層斷裂的影響機制。PANG等[13]研究了三軸滲流試驗過程中試件滲透率的變化規律，獲得了巖石內部裂紋擴展規律和最終破壞形式，提出了實用的突水判據。

目前，對于煤礦底板斷層突水的研究大多采用理論分析、數值模擬和相似材料試驗，提出了一些具有實用價值的底板突水危險性評價的判據。然而，底板巖體力學性質的多樣性對其參數的選擇造成一定的困難，往往無法準確獲取巖體的相關參數，難以有效描述采動影響下煤巖體導水裂隙帶孕育演化過程，造成突水判據的失效。

近年來，微震監測技術已經被廣泛的應用于煤礦[14-16]、金屬礦山[17-18]、水電站引水隧洞[19]、地下廠房[20]、水電邊坡[21]、石油洞庫[22]等大型巖體工程分析中，并取得了良好的效果。在煤礦微震波形特征、震源定位、礦震活動性規律、沖擊地壓監測預警等方面取得了一系列研究成果[23-24]，但將微震監測技術用于底板突水通道孕育過程的研究還不足。

筆者通過構建董家河煤礦22517典型工作面微震監測系統，對底板斷層區域巖體損傷破裂進行實時監測，研究過斷層前后底板巖體內部微破裂萌生演化規律。并將現場微震監測結果和巖石破裂過程分析系統RFPA2D相結合，通過微破裂信息直觀反映開采擾動下煤巖體損傷演化過程，再現了煤礦底板導水裂隙帶萌生、擴展及發育的全過程，分析突水通道孕育過程中應力場的變化規律。

1 董家河煤礦22517工作面概況

董家河煤礦22517工作面位于二水平二采區皮帶下山東部，南北均為未開采煤層。主采山西組5號煤層，賦存穩定，煤厚2.5～4.1 m，平均厚度3.3 m，煤層總體向北東方向傾斜，西高東低，南高北低，東西方向最大高差50 m，南北方向最大高差20 m，整個工作面傾角在3°左右，屬近水平煤層。工作面走向1 217 m，傾向185 m，自東向西開采，開切眼位于點前距1 217 m處，終采線位于點前距100 m處。煤層直接底為0.80～1.72 m 厚的石英砂巖，含較多的白云母碎片，具顏色顯示的波狀及斜層理，具縫合線構造，偶見黃鐵礦結核，夾粉砂巖條帶。基本底為0.89～3.23 m 厚的細粉砂巖，偶見白云母碎片，含少量黃鐵礦結核。底板標高在+225 m～+275 m，平均標高為+250 m。煤層底板厚度24～48 m，平均厚度32 m。

根據微震監測結果及三維地震勘探結果，在軌道巷點前距200～350 m處有一條小型逆斷層，斷層傾角約73°[25]。工作面點前距480～720 m位置處存在一背斜，背斜的核部與兩翼之間的最大高差為4 m。

5號煤層底板含水層主要包括太原組灰巖(砂巖)含水層和奧陶紀灰巖承壓含水層。太原組灰巖(砂巖)含水層在工作面底板相變為石英砂巖。中奧陶統峰峰組二段灰巖含水層，是5號煤層開采最重要的底板突水水源。成分以方解石為主，溶蝕裂隙、巖溶發育，裂隙率達4%。鉆進中峰峰組二段單位涌水量為0.20～1.51 L/(s·m)，礦化度為0.000 563 g/L，水溫25.5 ℃。該段含水層厚度一般為150 m，最大為180 m。奧灰水水位穩定在+375 m左右，最大水壓力約1.5 MPa，是富水性強的巖溶裂隙承壓含水層，有淹沒工作面的危險。

2 工作面突水通道的微震監測分析

2.1 微震監測系統的構建

采用加拿大ESG公司生產的先進高精度微震監測系統，對工作面回采影響區煤巖體破裂進行實時監測、定位及分析。系統組成主要包括微震傳感器、Paladin井下數字信號采集系統、Hyperion地面數字信號處理系統以及由大連力軟科技有限公司開發的基于遠程網絡傳輸的三維可視化軟件。微震傳感器選用地震檢波器，響應頻率范圍為15～1 000 Hz，靈敏度為43.3 V·s/m。

結合工作面開采及地質情況，將地震檢波器分別布置在待監測區域軌道巷和運輸巷煤層底板，富水區每隔60 m布置1個安裝微震傳感器的的鉆孔，非開采危險區每隔100 m布置1個安裝傳感器的鉆孔，如圖1(a)所示。鉆孔孔底進入底板基巖，垂直深度不小于3 m，傳感器垂直剖面布置如圖1(b)所示。傳感器安裝過程中，利用安裝工具將傳感器送至鉆孔底部并與底部的巖壁貼牢，向鉆孔中緩慢注入適量的水泥砂漿，使砂漿能夠蓋住傳感器，泥漿開始凝固時，將安裝工具緩慢抽出鉆孔，并用水泥將鉆孔灌實，使傳感器固定在鉆孔底部。

對采空區電纜進行套管和填埋保護，確保采空區塌陷后仍能保證信號傳輸，軌道巷和運輸巷內的傳感器將信號通過電纜傳輸到井下各工作站，通過光纜將每個傳感器收集到的數據經聯絡巷上傳至地面注漿站的數據處理服務器以及數據存儲和傳輸服務器，經現場工作人員處理后向科研單位和甲方單位進行發送，微震監測系統構成的拓撲結構如圖2所示。

2.2 導水裂隙帶分布規律

22517工作面于2014-10-05投入生產，微震監測于2014-11-25開始至2016-10-10結束。為研究過斷層期間底板微震事件分布規律及斷層圍巖損傷破壞情況，選取2015-12-01—2016-03-31底板微震事件進行分析。該時間段內底板突水通道發育主要受斷層影響，從工作面走向方向分析過斷層前后微震事件活動性規律，探究底板宏觀導水通道的孕育過程。微震事件分布圖中圓形小球代表巖體損傷破壞產生的微震事件，圓球顏色代表微震事件矩震級。

圖1 工作面傳感器布置平剖面投影Fig.1 Planar and section projection of the sensor distribution over the working face

圖2 微震監測系統構成的拓撲結構Fig.2 Topology structure of the microseismic monitoring system

如圖3(a)所示，2015-12-24工作面距斷層約85 m，底板斷層圍巖在開采擾動作用下開始產生微震事件;2015-12-31工作面距斷層約76 m時，在底板下方約25 m范圍內采集到底板微震事件8個，矩震級位于-1.03～-0.02。微震事件聚集在圖中所示的Ⅰ區域，走向長50 m，豎直方向上集中在底板下方25 m附近，事件分布較為分散，斷層圍巖局部損傷破壞。此外，在斷層前方約120 m的底板巖層損傷破裂較為集中，形成一個35 m×15 m的微破裂集中區Ⅱ。如圖3(b)所示，2016-01-01—2016-02-29底板圍巖只產生零星微震事件。斷層附近微破裂集中區域Ⅰ的分布范圍基本不變，但其內部事件分布更加密集。走向方向上微破裂有逐漸向采空區延伸的趨勢，隨工作面推進至斷層，底板微震事件擴展至斷層前方約200 m的采空區。事件集中區Ⅱ延伸至斷層前方150 m。如圖3(c)所示，2016-03-01—2016-03-31底板圍巖處于微震事件活躍期，工作面已通過斷層，采集到底板微震事件32個，并進一步向深部延伸至35 m。矩震級位于-0.73～0.49，微破裂累積地震矩明顯升高。走向方向上事件延伸至上盤采空區約220 m范圍內，Ⅰ區域向采空區擴展，走向擴展至80 m，深度擴展至35 m，其中在40 m處有1個微震事件。采空區底板損傷程度和范圍進一步加劇。

如圖4(a)所示，過斷層前微破裂能量集中區主要分布在斷層附近約30 m范圍內，其中①區域為高能量密度區，走向長度約15 m，位于煤層下方約5～25 m，煤層下方5 m巖層處于次高能區。斷層損傷破壞主要集中在煤層下方5～25 m，而緊鄰煤層的5 m范圍內的斷層仍處于穩定狀態。如圖4(b)所示，過斷層后高能區向上盤采空區及深部擴展。沿工作面走向擴展至上盤采空區約80 m范圍內，深度方向擴展至煤層下方約35 m，底板裂隙發育并貫通，有可能形成底板突水通道。

圖3 煤層底板微震事件走向分布Fig.3 Distribution of microseismic events in coal seam floor

圖4 底板巖體微震能量密度分布(玫紅色線為工作面位置)Fig.4 Distribution of microseismic energy density of rock mass in floor (Rosy red line for working face)

3 突水通道附近應力變化機理研究

3.1 底板突水數值模型的構建

采用RFPA2D模擬采動影響下斷層圍巖微破裂萌生、發展及形成導水通道的漸進過程。模型走向長500 m，高200 m，煤層厚度4 m，模型共劃分為500×200=100 000個單元，如圖5所示。模型兩側邊界水平位移約束，底面垂直位移約束，上部邊界施加4 MPa的均布載荷模擬上覆巖層自重并考慮模型自重，屈服準則為Mohr-Coulomb準則。各巖層物理力學參數見表1，巖層1，4，6，12，14，16為細粉砂巖;巖層2，7，17為粗粉砂巖;巖層3，9，18，22為中粒砂巖;巖層5，8，10為細粒砂巖;巖層11為煤層;巖層13，15，19為石英砂巖，巖層20為鋁質泥巖;巖層21，23為石灰巖。其中，21，22和23層為奧灰巖層。模型中，采用力學性質較弱的單元模擬斷層[26]，傾角為73°，如圖5中紅線所示。

圖5 底板突水數值模型Fig.5 Numerical model diagram

表1 模型中巖層屬性及物理力學參數Table 1 Mechanics and physical parameters stats of rocks in model

第2步開始采用分步連續開挖的方式模擬工作面回采。充分考慮邊界效應的影響，距離模型右側邊界170 m處開始開挖，步距為10 m。模型頂部和底部為隔水邊界，設定頂部為0，底部為150 m高的定水頭邊界，模擬奧灰巖承壓水1.5 MPa的水壓，水壓通過邊界傳遞到煤層下覆含水層中。

3.2 底板斷層圍巖損傷破壞特征

RFPA模擬中，聲發射計數通過損傷單元數確定，能量釋放由損傷單元釋放的應變能計算[27]。聲發射事件圖中紅色為拉破壞、白色表示為壓破壞、黑色表示累積的聲發射破壞。如圖6(a)所示，工作面自上盤接近斷層過程中，底板下方約25 m附近斷層圍巖首先產生聲發射事件，并逐漸向上擴展，沿傾向產生零星聲發射事件且以壓破壞事件為主，每次開挖所產生的聲發射能量均小于2 000 J，斷層圍巖發生局部損傷破壞，微破裂有分段萌生的特征。如圖6(b)所示，過斷層后煤層附近斷層圍巖聲發射事件聚集，微破裂逐漸貫通形成宏觀裂縫，并沿斷層傾向向深部擴展。工作面推過斷層35 m時，聲發射信號主要分布在底板下方35 m范圍內且以拉破壞事件為主，其中20 m范圍內形成貫通。如圖7所示，工作面推過斷層15 m時，聲發射能量激增至6 305 J，事件數增至35個，微破裂事件逐漸形成貫通，圍巖損傷加劇，易形成突水通道。與微震監測結果一致。

圖6 突水通道聲發射事件分布Fig.6 Distribution of acoustic emission events in water Inrush channel

圖7 底板斷層圍巖聲發射事件數及能量統計Fig.7 Number and energy statistics of acoustic emission events in the rock of the floor fault

3.3 斷層圍巖應力場演化規律

如圖6所示，工作面位于上盤時，白色聲發射事件較多，零星分布有紅色聲發射事件，斷層圍巖主要發生壓破壞;推進至下盤時，基本為紅色聲發射事件，以拉破壞為主。說明工作面位于上盤時，斷層處于壓應力區，主要發生壓剪破壞。過斷層后應力重新調整，斷層附近出現拉應力區，圍巖在拉應力作用下損傷破壞加劇。

如圖8(a)所示，開采擾動下煤層下方15～35 m段斷層圍巖首先出現塑性區，工作面推進至斷層前方25 m時，最小主應力分布邊界①處局部擴展至煤層下方15 m斷層處。如圖8(b)所示，當推進至斷層前方15 m時，斷層圍巖變形進一步發展，但塑性區分布范圍基本不變;煤層下方15～30 m斷層局部區域最小主應力集中，煤層下方15 m范圍內最小主應力逐漸向斷層擴展。如圖8(c)所示，推進至斷層前方5 m時，斷層圍巖變形進一步發展，塑性區向上擴展，有與工作面底板導通的趨勢;最小主應力分布邊界①處隨工作面推進向下盤延伸，煤層下方15 m范圍內出現沿斷層零散分布的應力集中區。如圖8(d)所示，工作面過斷層后5 m時，斷層圍巖塑性區與底板塑性區重合，均處于采空區底板卸壓區。煤層下方15 m范圍內斷層圍巖發生局部微破裂，造成應力釋放，在15 m處形成最小主應力集中區，并有向下延伸的趨勢。

圖8 突水通道應力分布Fig.8 Stress distribution diagram of water inrush channel

圖9 過斷層后突水通道最小主應力Fig.9 Minimum principal stress of water inrush channel after crossing fault

如圖9(a)所示，隨工作面推過斷層15 m時，最小主應力集中區仍分布在煤層下方15 m處，但其分布范圍小幅增大，且上方斷層局部破壞增加。如圖9(b)所示，推過斷層25 m時，應力集中區沿斷層向下擴展至20 m，破壞區域隨之向下延伸并逐漸貫通。如圖9(c)所示，推過斷層35 m時，應力集中區向下擴展至25 m，其上方斷層上下盤圍巖發生開裂，進一步向下延伸與含水層導通則有發生突水的危險。

3.4 斷層面剪應力特征

模型計算完成后，沿斷層傾向方向分別取距煤層垂直距離為2，10，20和30 m 處斷層剪應力進行定量分析。如圖10 所示，工作面推進至斷層前方5 m過程中，煤層下方2 m 處斷層剪應力為負值且逐漸減小，越靠近斷層剪應力變化越快，最小值為-4.37 MPa;推過斷層5 m 時，應力值為+1.49 MPa，剪應力方向反轉;隨工作面繼續推進，斷層損傷破壞，應力值降低至0 MPa。沿斷層傾向其他測點剪應力變化趨勢相似。煤層下方10，20和30 m處斷層剪應力分別在工作面推進至距斷層25，35 和45 m處降至最小，底板斷層面上深部剪應力絕對值先達到最大，超過圍巖承載能力后先破壞，聲發射事件自下而上擴展;分別距斷層5，5和15 m時應力方向反轉;分別距斷層-15，-15和-35 m時，應力值降至0 MPa，應力反轉后底板斷層面上淺部20 m范圍內剪應力先降低，淺部斷層發生開裂破壞，損傷破壞方向轉變為自上而下向深部擴展。

圖10 斷層剪應力Fig.10 Fault shear stress

工作面自上盤臨近斷層過程中剪應力為負值且逐漸減小，斷層有向下滑移趨勢。過斷層期間，剪應力為正值，應力方向反轉，斷層上盤運動趨勢轉變為向上。將底板視為梁結構，煤層下方20 m剪應力值及其變化幅值最小，因此煤層下方20 m附近為底板彎曲變形的中性層。結合底板巖層覆存情況，該測點上方為厚度大強度高的石英砂巖，對底板變形起關鍵作用，符合底板變形的中性層特征。

3.5 底板應力特征

圖11 工作面走向方向水平應力變化Fig.11 Horizontal stress variation diagram of working face direction

斷層作為天然的斷裂面，對上下盤之間應力、傳遞起到隔斷作用，上下盤圍巖變形存在較大差異，導致斷層損傷滑移。為研究工作面過斷層后斷層自上而下的開裂并形成導水通道的應力變化規律，沿工作面底板作剖面，讀取底板隨工作面推進的應力變化曲線。如圖11(a)所示，工作面正常推進期間，采空區底板水平應力分布呈“U”形，采空區底板中間區域拉應力值3 MPa，兩側邊緣10 m范圍內拉應力逐漸降低，在采空區外側實體煤支撐區域轉變為壓應力并具有超前支撐效應。斷層圍巖處于壓應力影響區，隨工作面臨近受超前支撐作用影響，斷層圍巖發生壓破壞。工作面位于下盤時，斷層受采空區底板拉應力影響，且在其附近形成水平拉應力升高區。工作面推過斷層15 m時，距斷層25 m的上盤底板巖層拉應力增大，最大值約8 MPa。此時，斷層圍巖發生拉破壞，在高應力作用下損傷破壞加劇。

隨距離煤層深度增加，底板水平應力狀態具有較大差異。如圖11(b)所示，工作面推過斷層25 m時，煤層下方20 m斷層附近出現拉應力升高區，最大值約1.6 MPa。如圖11(c)所示，工作面推過斷層35 m時，煤層下方30 m的斷層附近出現拉應力升高區，最大值約1.1 MPa。這是由于靠近煤層的底板斷層首先發生開裂破壞，對下方巖層的載荷降低，深部斷層圍巖附近產生拉應力，裂紋逐漸向深部擴展。由于深部斷層圍巖仍受上方載荷作用，拉應力較小，因此損傷破壞程度較小，只產生少量的聲發射破壞，煤層下方30 m以下巖層的微破裂并未形成貫通。

圖12 工作面涌水量變化信息Fig.12 Information of water inflow in working face

4 工作面涌水量監測分析

如圖12所示，2015年8月下旬到2016-02-20期間，工作面自上盤推進至斷層附近，涌水量處于一個相對穩定階段。2016-02-20工作面推進至斷層時涌水量為68 m3/h，隨工作面推進涌水量開始呈增大趨勢。2016-03-07工作面推過斷層后，涌水量增大至峰值75 m3/h。但是在觀測過程中并未發現明顯的突水點，因此認為此時斷層損傷破壞區域并未與奧灰巖含水層導通。結合底板隔水巖層覆存信息分析可知，煤層下方25 m附近有一層4 m厚的鋁質泥巖，為底板隔水層，過斷層后，底板隔水層仍然比較完整，微破裂尚未貫通，仍然具有較好的隔水性能。而隔水層發生局部微破壞導致滲透率增加，底板涌水量增加。與微震監測和數值模擬結果一致。

綜上，最終微破裂深度為35 m，微破裂貫通深度為20 m，作為底板斷層區域破壞深度具有較高的可信度，證明了微震監測及RFPA數值模擬獲得的煤層底板斷層破壞區域的正確性及有效性。將微震監測與數值模擬相結合，對底板巖體破裂進行實時監測，可用于底板損傷程度及其范圍的評價，并且有針對性的對底板巖體破碎區域進行注漿改造，實現了承壓水上底板斷層區域煤層的安全開采。

5 結 論

(1)利用微震監測技術對底板斷層區域圍巖破壞特征進行連續動態監測，追蹤突水通道的孕育過程，同時結合數值模擬分析圍巖漸進破壞過程中的應力變化，豐富了底板斷層區域突水通道形成的研究手段。

(2)通過微震活動性時空分布特征，圈定了底板斷層圍巖損傷區域。工作面位于斷層前方85 m時，底板斷層開始發生微破裂。過斷層前斷層附近微破壞深度達到25 m，微破裂具有分段局部破壞特征;過斷層后，最大微破壞深度為35 m，微破裂逐漸貫通，更容易形成導水通道誘發采空區突水。

(3)基于微震監測和數值模擬分析，將底板突水通道擴展過程分為過斷層前和過斷層后2個階段。過斷層前煤層下方25 m附近斷層圍巖首先發生微破裂，并沿斷層向上擴展，煤層下方5～25 m發生局部微破裂但并未形成貫通，底板有分段局部損傷特征;過斷層后微破裂自上而下擴展并逐漸貫通，形成突水通道。

(4)過斷層前，斷層剪應力方向沿傾向向下，上盤在超前支承壓力和底板水壓作用下有向下滑移趨勢，其絕對值自下而上先后達到最大，圍巖主要發生壓剪破壞;同時斷層附近形成分散的最小主應力集中區，圍巖發生局部拉破壞。

(5)工作面位于斷層附近時，剪應力方向迅速反轉并達到最大，上盤在承壓水作用下有上升趨勢;斷層圍巖出現最小主應力集中區且沿斷層向深部擴展，斷層附近25 m范圍內自上而下出現拉應力集中區，圍巖發生拉破壞。