井–孔聯(lián)合微震技術(shù)在工作面底板破壞深度監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

段建華，閆文超，南漢晨，張慶慶，樊 鑫

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

隨著淺部煤炭資源日益枯竭，開(kāi)采深部資源具有重要意義[1-2]。但是隨著開(kāi)采深度的不斷延深，將面臨越來(lái)越多地質(zhì)災(zāi)害(礦井突水、瓦斯、煤與瓦斯突出、高地溫、高地壓等)威脅。華北地區(qū)作為我國(guó)的主要煤炭生產(chǎn)基地之一，該地區(qū)煤層開(kāi)采受到奧陶系巨厚灰?guī)r強(qiáng)含水層的威脅[3-5]。當(dāng)近距離開(kāi)采承壓水上煤層時(shí)，改變了底板巖層的應(yīng)力狀態(tài)，造成底板隔水層破壞，一旦破壞深度大于有效隔水層厚度形成導(dǎo)水通道必將發(fā)生底板水害[6-8]。因此，在開(kāi)采承壓水上煤層時(shí)，掌握煤層開(kāi)采底板破壞特征，確定煤層底板破壞深度，對(duì)安全高效開(kāi)發(fā)深部煤炭資源具有重要意義。

準(zhǔn)確預(yù)計(jì)底板采動(dòng)破壞深度是承壓水上采煤底板水害防治中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，解決該問(wèn)題的方法主要有兩類(lèi)。一類(lèi)為理論計(jì)算和數(shù)值模擬，理論計(jì)算需要建立經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)破壞深度進(jìn)行估算，不但需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，還具有很強(qiáng)的主觀因素，井下開(kāi)采時(shí)，由于不同的地質(zhì)條件和開(kāi)采方法的多樣性會(huì)導(dǎo)致計(jì)算破壞深度的計(jì)算結(jié)果存在較大誤差[9]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和仿真性不斷提升，但是由于巖層物性特征很難準(zhǔn)確測(cè)得，所以模擬結(jié)果誤差較大，這類(lèi)方法最大的缺點(diǎn)在于：不能隨著開(kāi)采活動(dòng)的進(jìn)行而開(kāi)展計(jì)算[10]。另一類(lèi)為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分為鉆探和物探方法，鉆探方法包括鉆孔壓水測(cè)試、鉆孔成像法。該方法需要對(duì)測(cè)點(diǎn)采動(dòng)前后進(jìn)行對(duì)比，由于底板變形相對(duì)工作面推進(jìn)具有一定的滯后性，因此，很難獲取采后數(shù)據(jù)，且難以實(shí)現(xiàn)底板變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，存在工程量大和監(jiān)測(cè)范圍有限等缺點(diǎn)。物探方法主要包括電法、電磁法和微震法[11]，電法和電磁法不能直接獲得底板破壞深度，而微震法能直接對(duì)破裂點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和定位，測(cè)量精度高，可對(duì)導(dǎo)水通道的“動(dòng)態(tài)”破裂失穩(wěn)過(guò)程和活化規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、遠(yuǎn)程、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，近年來(lái)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于采礦工程領(lǐng)域。姜福興等[12]、程愛(ài)平等[13]、劉超等[14]將微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于底板防治水方面，開(kāi)展了導(dǎo)水通道、底板破壞的研究工作，取得了很好的效果。常規(guī)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)僅在井下巷道內(nèi)布置傳感器，沒(méi)有對(duì)測(cè)區(qū)形成包圍，存在定位誤差大，監(jiān)測(cè)精度低等不足。而井–孔聯(lián)合微震技術(shù)在施工時(shí)，同時(shí)在鉆孔布置傳感器，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全方位觀測(cè)，提高了垂直方向上的定位精度，可滿(mǎn)足煤礦防治水要求。基于此，筆者以山西保德煤礦81307 工作面為背景，采用高精度井–孔聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)技術(shù)，構(gòu)建煤礦開(kāi)采過(guò)程中底板破壞深度微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)81307 工作面回采過(guò)程中底板破壞深度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1 保德煤礦概況

神東煤炭集團(tuán)公司保德煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力達(dá)500萬(wàn)t/a。礦井采用“平硐+斜井+立井”綜合開(kāi)拓方式，生產(chǎn)布局為一井一面，可采煤層主要為8 煤和11 煤，兩層相距35 m 左右。主采煤層8 煤發(fā)育于二疊系山西組，煤層厚度2.15～10.39 m，平均厚度6.83 m；11 煤為石炭–二疊系太原組，煤層厚度1.11～13.28 m，平均厚度7.16 m。保德煤礦8、11 煤底板下伏奧陶系灰?guī)r含水層是影響煤層開(kāi)采的主要含水層，其平均水位標(biāo)高為+839 m 左右，奧灰?guī)r層頂面距8 煤層平均為112.5 m，距11 煤層底板為45.0～88.5 m，平均為66.7 m。現(xiàn)礦井三盤(pán)區(qū)大巷延伸最低處底板高程為+470 m，相比奧灰含水層水位低369 m 左右。根據(jù)礦井最新的生產(chǎn)接續(xù)，目前采掘活動(dòng)均在奧灰水位以下，屬于帶壓開(kāi)采。

現(xiàn)采8 煤斷裂構(gòu)造不發(fā)育，未發(fā)現(xiàn)斷層導(dǎo)水現(xiàn)象，但在開(kāi)拓11 煤層時(shí)，僅剛開(kāi)掘的200 m 巷道內(nèi)就揭露多條小斷層，并伴有底板奧灰水突水現(xiàn)象，奧灰水防治難度很大。礦方對(duì)于奧灰水的防治已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)研究，但是煤層底板隔水性能、裂隙發(fā)育程度、底板與奧灰水的水力聯(lián)系還不甚明確，需要針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)一步研究。因此，通過(guò)對(duì)81307工作面底板破壞深度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，據(jù)此預(yù)測(cè)11 煤工作面回采時(shí)的底板破壞深度，為11 煤防治水方案制定提供科學(xué)依據(jù)。

2 井一孔聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)技術(shù)

微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)觀測(cè)、分析生產(chǎn)活動(dòng)中所產(chǎn)生的微小地震事件來(lái)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)活動(dòng)影響程度及地下?tīng)顟B(tài)的地球物理技術(shù)。其基本實(shí)施過(guò)程為：通過(guò)在井下巷道中布置檢波器，接收采煤時(shí)圍巖破裂產(chǎn)生或誘導(dǎo)的微小地震事件信號(hào)，通過(guò)對(duì)這些事件的反演求取微地震震源位置等參數(shù)，最后通過(guò)這些參數(shù)獲得圍巖破裂高度、范圍等信息。

井–孔聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是傳統(tǒng)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦應(yīng)用中的一項(xiàng)創(chuàng)新。其主要特點(diǎn)是施工時(shí)在煤礦井下巷道與鉆孔同時(shí)布置傳感器，觀測(cè)在圍巖破裂過(guò)程中產(chǎn)生的微震信號(hào)，從而對(duì)圍巖破裂產(chǎn)生的微震事件進(jìn)行定位，獲取破裂的寬度、高度等信息。該技術(shù)具有實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期、遠(yuǎn)程、立體監(jiān)測(cè)和空間定位等優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)微震監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，在鉆孔中布置傳感器，可有效避免巷道內(nèi)的機(jī)械振動(dòng)干擾，能夠接收到更多微震信號(hào)，最大的特點(diǎn)就是定位精度高，能夠滿(mǎn)足煤礦防治水要求，其工作示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 井–孔聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)示意Fig.1 Schematic diagram of mine-hole joint microseismic monitoring

3 監(jiān)測(cè)方案

3.1 測(cè)點(diǎn)布置方案

本次采用井–孔聯(lián)合方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即在巷道和孔中部署微震傳感器，使得傳感器能夠?qū)y(cè)區(qū)形成包圍，同時(shí)為了能夠更好地對(duì)采空區(qū)開(kāi)展監(jiān)測(cè)，將81307皮帶巷的測(cè)點(diǎn)布置在81308 二號(hào)回風(fēng)巷，該巷道在81307 工作面回采過(guò)程中不會(huì)垮塌，同時(shí)避免了皮帶巷的機(jī)械振動(dòng)干擾。具體布置方案詳見(jiàn)圖2。

如圖2 所示，在81307 一號(hào)回風(fēng)巷中布置17 個(gè)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)距40 m，其中1、6、11 號(hào)點(diǎn)為深孔；在81308二號(hào)回風(fēng)巷布置17 個(gè)測(cè)點(diǎn)，點(diǎn)距40 m，其中22、27、32 號(hào)點(diǎn)為深孔，深孔的垂深全部為25 m。每臺(tái)分站監(jiān)測(cè)6 道，監(jiān)測(cè)分站分別布置在距離17、34 號(hào)測(cè)點(diǎn)100 m 以外的巷道側(cè)幫，采用滾動(dòng)方式監(jiān)測(cè)，一共監(jiān)測(cè)工作面長(zhǎng)度600 m。

3.2 傳感器安裝方式

圖3 是巷道傳感器安裝示意圖，利用錨桿鉆機(jī)在巷道底板工作面?zhèn)葞痛怪毕蛳麓蚩祝咨? m，打孔完畢后，把長(zhǎng)度為2 m 的錨桿放入孔內(nèi)，利用水泥漿固定錨桿，然后把傳感器擰入錨桿露在孔外的頂端，錨桿頂端已經(jīng)預(yù)先焊接了固定傳感器的螺絲，這種連接方式可以提高傳感器與巷道的耦合度，減小噪聲，提高微震信號(hào)信噪比。

圖2 微震測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Layout of microseismic monitoring points

圖3 巷道傳感器安裝示意Fig.3 Installation of sensors in roadway

圖4 是巷道深孔傳感器安裝示意圖，利用回轉(zhuǎn)鉆機(jī)在巷道底板工作面?zhèn)葞吞幮毕蛳麓蚩祝瑑A角45°，孔深35 m，垂深25 m，鉆孔完成后，把傳感器放入孔底，利用膠管保護(hù)傳感器信號(hào)傳輸電纜，水泥漿封孔，提高傳感器與孔壁的耦合度，減小噪聲，提高微震信號(hào)信噪比。

圖4 巷道深孔傳感器安裝示意Fig.4 Installation of deep-hole sensor in roadway

4 監(jiān)測(cè)過(guò)程

4.1 精度標(biāo)定

微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝完畢后，為了保證定位精度，通過(guò)人工捶擊方式對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行標(biāo)定，以達(dá)到檢驗(yàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)和獲得地震波在該工作面巖層傳播速度的目的。在圖2 所示的5、18、21 測(cè)點(diǎn)處底板附近使用20 kg 的銅錘錘擊，5、18、21 測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表1 中的實(shí)際坐標(biāo)，記錄錘擊波形，并分析錘擊產(chǎn)生地震波在底板巖層中的傳播速度，測(cè)得P 波的傳播速度為4.5 m/ms。

采用4.5 m/ms 的平均速度，對(duì)3 次錘擊的位置進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的定位坐標(biāo)和3 次錘擊的定位誤差，平均誤差為3 次定位誤差的平均值(表1)。從表1 可見(jiàn)，平均誤差為3.652 m，定位精度能夠滿(mǎn)足工程需要。

表1 錘擊點(diǎn)坐標(biāo)定位統(tǒng)計(jì)誤差Table 1 Statistical table of location error of hammering points

4.2 滾動(dòng)監(jiān)測(cè)

每臺(tái)監(jiān)測(cè)分站只能同時(shí)記錄6 道數(shù)據(jù)，因此，采用滾動(dòng)方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如圖2 所示，第一次監(jiān)測(cè)時(shí)將1—6 與18—23 分別接入1、2 號(hào)監(jiān)測(cè)分站，同時(shí)對(duì)這12 個(gè)測(cè)點(diǎn)覆蓋區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)81307 一號(hào)回風(fēng)巷最靠近切眼的1、2 號(hào)傳感器進(jìn)入采空區(qū)后，則把1、2 號(hào)傳感器退出觀測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)把7、8 號(hào)傳感器接入1 號(hào)監(jiān)測(cè)分站；同理，把81308 二號(hào)回風(fēng)巷中的18、19 號(hào)傳感器退出觀測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)把24、25 號(hào)傳感器接入2 號(hào)監(jiān)測(cè)分站。這樣就實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)系統(tǒng)的滾動(dòng)，依此類(lèi)推，經(jīng)過(guò)7 次滾動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)600 m 長(zhǎng)度工作面的全部監(jiān)測(cè)。

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

5.1 微震定位結(jié)果分析

本次微震監(jiān)測(cè)自2018 年6 月25 日開(kāi)始，9 月25日結(jié)束監(jiān)測(cè)，期間共探測(cè)到微震事件7 102 個(gè)，除去信噪比較低、定位誤差大的事件后，剩余事件中發(fā)生在底板區(qū)域的有3 255 個(gè)。

圖5 是對(duì)3 255 個(gè)底板微震事件按深度每隔 5 m統(tǒng)計(jì)的柱狀圖。從圖5 可以看出，發(fā)生在＜652～682 m區(qū)間內(nèi)微震事件占全部底板事件的99.24%，因此，底板破壞的深度范圍為底板下30 m 以淺，其中標(biāo)高在＜672～667 m 內(nèi)的微震事件最多，這個(gè)深度區(qū)間在底板下10～15 m。

5.2 微震事件空間分布

圖6 為監(jiān)測(cè)期間底板微震事件在XZ、YZ平面分布密度圖。

圖5 底板微震事件垂向上分布柱狀Fig.5 Statistical of floor microseismic events of the elevation

a.從XZ平面圖來(lái)看(圖6a)，81308 二號(hào)回風(fēng)巷的底板破裂點(diǎn)要比81307 一號(hào)回風(fēng)巷多，說(shuō)明隨著工作面回采，從頂板傳遞的壓力全部集中在81307 運(yùn)輸巷與81308 一號(hào)回風(fēng)巷之間的煤柱，以及81308 一號(hào)回風(fēng)巷與81308 二號(hào)回風(fēng)巷之間的煤柱上。這是因?yàn)槊褐吔鐚?duì)底板的垂直應(yīng)力具有很大的剪切破壞作用[15]，造成了底板微震事件頻發(fā)，這一點(diǎn)從兩個(gè)煤柱越靠近工作面形變?cè)酱缶湍艿玫津?yàn)證。而在81306工作面回采時(shí)，81307 一號(hào)回風(fēng)巷與81307 二號(hào)回風(fēng)巷之間的煤柱對(duì)底板的破壞已經(jīng)發(fā)生，煤柱下底板已經(jīng)破碎，因此，81307 工作面回采時(shí)該處發(fā)生的微震事件較少。

b.從YZ平面圖來(lái)看(圖 6b)，在 10 100 至10 340 m 處微震事件較為發(fā)育，該段是工作面回采到第四個(gè)見(jiàn)方，接近工作面的中部，根據(jù)工作面礦壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，處于大周期來(lái)壓階段，因此，微震事件較多，而且底板破壞深度較深，達(dá)到30 m。

圖6 底板微震事件密度云圖Fig.6 Density cloud of microseismic events in the floor

c.由圖5 可知，底板破壞深度在30 m。81306 工作面回采時(shí)，在81307 二號(hào)回風(fēng)巷T5 孔開(kāi)展壓水試驗(yàn)，測(cè)試段為24～82 m，根據(jù)T5 孔測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，鉆孔在30～56 m 段存在漏失現(xiàn)象，明顯漏失段有兩處。第一段為測(cè)試段30～34 m 處，對(duì)應(yīng)垂深為14.1～16.0 m，最大漏失量為23.4 L/min；第二段為測(cè)試段52～56 m 處，對(duì)應(yīng)垂深為24.4～26.3 m，最大漏失量為32.5 L/min。該鉆孔其余測(cè)試段均未發(fā)現(xiàn)漏失情況，測(cè)試成果見(jiàn)圖7。通過(guò)壓水試驗(yàn)測(cè)得底板破壞深度為26.3 m。壓水試驗(yàn)與微震監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合，差異存在的原因與兩種方法的原理有關(guān)：底板破壞最深處裂隙較小，裂隙連通性較差，因此，壓水時(shí)漏失量就很小，使得壓水試驗(yàn)測(cè)量的底板破壞深度小于實(shí)際破壞深度；而微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是通過(guò)捕獲因破裂而誘發(fā)的微震事件，反演定位破裂源的位置，獲取的破裂范圍參數(shù)與裂隙連通性無(wú)關(guān)，從而，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可獲取更深的底板破壞深度。

圖7 T5 鉆孔壓水試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 The results measured by hydraulic fracturing experiment of borehole T5

5.3 微震事件與工作面推進(jìn)關(guān)系

微震事件的分析主要通過(guò)統(tǒng)計(jì)事件的分布概率進(jìn)行，分析時(shí)，為了取得更好的分析結(jié)果，以5 d 為統(tǒng)計(jì)單位，將微震事件投影在YZ方向(圖8)。圖8中，黃色圓點(diǎn)表示2018 年6 月26 日到7 月1 日共5 d 的微震事件；紅色圓點(diǎn)表示2018 年7 月5 日到7月10 d 的微震事件。7 月1 日時(shí)，工作面推進(jìn)至9 830 m 處，從7 月1 日至10 日工作面共推進(jìn)了80 m，整個(gè)微震事件所在范圍整體向前移動(dòng)80 m。隨著工作面的推進(jìn)，在其前方25 m 之外基本沒(méi)有微震事件發(fā)生，其后方采空區(qū)內(nèi)40 m 之后就基本沒(méi)有微震事件。因此，底板微震事件的發(fā)生位置主要集中在工作面沿推進(jìn)方向的前方25 m 和后方40 m，共65 m 的范圍。

6 結(jié)論

圖8 底板微震事件YZ 投影與工作面推進(jìn)關(guān)系(沿工作面走向方向)Fig.8 YZ projection of floor microseismic events and advance of working face(along the strike of working face)

a.在神東煤炭集團(tuán)公司保德煤礦81307 工作面回采過(guò)程中，采用井–孔聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)的底板破壞深度為30 m，與相鄰81306 工作面采用鉆孔壓水測(cè)量的結(jié)果26.3 m 基本吻合，說(shuō)明井–孔聯(lián)合微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以測(cè)量底板破壞深度，而且精度能夠滿(mǎn)足防治水要求。

b.通過(guò)分析本次的微震事件分布可知，靠近已經(jīng)回采工作面?zhèn)鹊装迤茐纳疃容^淺，靠近未回采工作面?zhèn)鹊装迤茐纳疃容^深，達(dá)到30 m，而且底板破壞區(qū)域主要分布在工作面前方25 m和后方采空區(qū)內(nèi)40 m，共65 m 的范圍內(nèi)，其中，工作面前方破壞更嚴(yán)重；與鉆孔壓水測(cè)試法僅僅能夠測(cè)得一個(gè)孔的破壞深度相比，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)不僅可以獲得底板破壞深度，而且還可以得到底板破裂的空間形態(tài)和分布特征。

c.結(jié)果表明：施工時(shí)，將孔中傳感器埋置的垂深達(dá)到25 m 即可；在工作面具備雙巷道的條件下，建議在相鄰工作面的巷道中布置傳感器，這樣不僅不影響監(jiān)測(cè)，反而有利于提高采空區(qū)底板微震事件的定位精度。

d.井–孔聯(lián)合微震技術(shù)的傳感器是縱波傳感器，垂直安裝時(shí)接收效果最佳，但是井下底板垂直孔的施工難度很大，后續(xù)應(yīng)在定位方法中針對(duì)該問(wèn)題開(kāi)展研究。