煤層底板突水綜合監測技術及其應用

段建華

(中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)

華北型煤田普遍存在巖溶水侵襲的問題，近年來，隨著煤礦開采深度的不斷增加，巖溶水對礦井的威脅日益突出[1]。常規的底板水害防治方法主要集中在采區或者工作面致災因素探查和底板注漿改造，這些工作一般在工作面回采前已經完成，但是，根據大量統計結果，底板水害往往是在工作面回采過程中發生的[2]。工作面回采過程中發生的底板水害，實際上是地下采礦活動使得圍巖在采動應力誘發作用下處于峰后應力狀態或者破碎狀態極大地改變了圍巖的孔隙結構和滲透性，導致隔水層的隔水能力降低，在承壓水水壓的作用下發生突水[3-6]，其作用機理復雜[7]，加之地質條件復雜，突水影響因素較多，常規的物探和鉆探手段很難客觀地反映底板突水通道的形成和演化過程以及工作面回采過程中底板承壓水的導升變化特征。

武強[8]提出在采動條件下，礦井水害的形成和發生都有一個從孕育、發展到發生的演變過程，在這一過程的不同階段，應力應變、水壓(水位)、水溫、涌水量等方面均會釋放出對應的突(透)水征兆，及時、準確、有效地監測這些征兆信息，建立一個集礦井水害監測、判識和預警技術于一體的完整體系，對于預防重特大水害事故的發生具有重要的理論意義和實用價值。楊天鴻等[9]提出“突水三要素為：①水源(含水層)、② 導水通道(斷層、陷落柱、破碎帶)、③采礦擾動因素，3 個要素缺一不可”的觀點。煤礦底板突水本質上就是以含水層為突水水源，以破碎裂隙帶為導水通道，采礦擾動為影響因素，3 個要素共同作用的結果[9]。水源即為含水層的賦水性以及不同含水層水溫、水質的不同，是煤礦水害形成最關鍵的要素之一[10]，對水源的監測手段主要有并行電法[11]、電阻率法[12]、水溫或水壓[13-14]監測等，在孔中或者孔巷測試，一般采用視電阻率斷面圖或電阻率反演成像，對礦井電法監測數據進行處理解釋，解釋結果多數局限于二維[15]，魯晶津[12]研究了三維電阻率反演成像技術，并且取得了不錯的效果。虎維岳等[10]提出導水通道的過水能力與斷面尺寸是影響水害嚴重程度的主要因素。斷層、陷落柱等一般采用常規物探手段基本可以探查清楚[16]，但是破碎帶往往是在采動應力作用引起的二次或多次破碎下不斷調整形成的[9]，因此，需要對其進行長期監測。對底板破碎帶監測的主要手段有微震監測技術[17]、網絡并行電法[18]、應力應變監測[19]，網絡并行電法、應力應變監測都是通過視電阻率、應變等物理量的變化間接推斷破碎帶的位置，而微震監測技術則是直接測量破裂帶的空間位置。

鑒于此，本文根據“下三帶”理論[20-22]和導升遞進理論[23-25]，以葛泉礦東井11916 工作面為背景，采用“井-地-孔”微震監測技術和視電阻率監測技術，構建底板水害綜合監測系統，于2019 年在工作面回采過程中開展水害監測。

1 “井-地-孔”微震監測技術

微震監測技術是利用布置在測區周圍的傳感器接收微地震信號，根據傳感器坐標求取震源位置、震源機制等參數，近實時地獲得裂縫空間展布特征的地球物理監測方法[26]。在礦山開采領域，微震監測最早被用于研究沖擊地壓和礦震等問題，隨著儀器制造技術的進步和定位精度的提高，逐步被用于監測煤礦導水通道形成和活化，為煤礦水害防治服務[27]。姜福興等[28]、程文關等[29]等利用微震監測技術開展了底板和頂板導水裂隙監測的研究，效果良好。該技術具有實時、連續監測的優點，是描述導水通道孕育、發展到最終失穩過程的有效技術手段[28]。震源參數三要素之中，震源平面位置、發震時刻和震級的計算精度較高，而震源深度的定位誤差相對較大[30-32]，“井下-地面-孔中”聯合微震監測技術(簡稱：“井-地-孔”微震監測技術)是對傳統微震監測技術的創新，該技術通過在井下巷道、地面、地面孔中或井下孔中同時布置傳感器，對破裂點進行全方位立體監測，能夠大幅提高震源深度定位精度。

“井-地-孔”聯合微震監測技術定位原理如圖1 所示，S和Ti分別表示微震源和第i個傳感器，其中，(x0,y0,z0)和(xi,yi,zi)分別表示震源和第i個傳感器的坐標，t0和ti分別表示震源發震時間和第i個傳感器震動波初至時，假設震動波的傳播速度為v，可以建立由n個式(1)組成的方程組，解方程組即可獲得震源的位置(x0,y0,z0)和發震時間t0。

圖1 “井-地-孔”微震監測定位原理Fig.1 Positioning principle of “well-ground-hole” microseismic monitoring

從其定位原理可以看出，只需要有4 個傳感器接收到震動波就可以對其進行定位，“井-地-孔”微震監測技術由于數據采集點可以對震源形成包圍，監測數據更為豐富，定位精度可以達到5 m，能夠滿足防治水的要求，可以更好地對導水裂隙帶進行實時監測和準確定位。

“井-地-孔”微震監測系統由地面監測分站、地面傳感器、地面服務器、井下監測分站、巷道傳感器、孔中傳感器、通信分站、數據傳輸、配套的數據采集與處理軟件等組成，地面的無線傳輸設備與井下的光纖環網組成數據傳輸網絡。其工作原理為：傳感器負責采集震動信號，并將其傳輸到監測分站；監測分站將震動信號數字化，并將其傳輸到通信分站；通信分站將數字信號通過數據傳輸網絡傳輸到服務器，由服務器的數據采集與處理軟件進行定位和分析。

一般監測底板破壞[33]時需要在井下巷道和孔中布置傳感器，監測頂板裂隙時需要在地面、井下巷道、地面孔中布置傳感器。

2 視電阻率監測技術

電法監測在礦山領域的應用始于巖體破裂失穩過程的電阻率監測礦井電法[34]，隨著應用領域的擴展，逐步被應用于井下探測煤層底板隔水層厚度和底板水導升高度[35]，取得了良好的效果。網絡并行電法儀等工作面采動破壞監測設備研制成功[36]和井下監測試驗的陸續開展[37-38]，為井下電法監測儀器的長遠發展積累了豐富的經驗。

回采工作面視電阻率監測系統是專門用于監測煤礦頂底板裂隙帶是否與含水層導通的儀器。工作原理如圖2 所示，在工作面2 側巷道頂板或者底板布置電極，一側發射人工激發的電場，另一側接收，2 側巷道全部接收和發射完成后，利用擬高斯-牛頓法對接收的數據進行全空間三維視電阻率反演，反演數據體為頂底板巖層中每個5 m×5 m×5 m 網格的視電阻率值，利用多次監測結果，分析頂底板視電阻率的異常變化，并且對破壞裂隙的導水性進行判識，實現工作面水害風險的動態評估和預警。

回采工作面視電阻率監測系統由地面服務器、通信分站、監測分站、數據傳輸電纜、電極、配套的數據采集與處理軟件等組成[39]。

3 葛泉礦東井概況

冀中能源股份有限公司葛泉礦東井設計生產能力為90 萬t/a，可采煤層為9 號煤(底板標高為-128 m)，工作面布置采用走向長壁以及傾向長壁方式，綜合機械化開采，11916 工作面設計走向長度約1 080 m，傾向寬度約70 m，煤層呈單斜構造，傾角7°～21°，平均厚度5.5 m，兩巷高差約20 m，11916 運料巷西北側是11915 工作面采空區，如圖3 所示，工作面底板至本溪灰巖間距平均約20.3 m(圖4)。隔水層巖層結構以鋁土質粉砂巖、中細粒砂巖、粉砂巖為主，阻水性能中等。工作面底板至奧陶系灰巖含水層的隔水巖層厚度為36.0～43.6 m，平均41.1 m。隔水層巖性組合以粉砂巖、細砂巖、中細砂巖、灰巖和鋁土質粉砂巖為主，其中，粉砂巖、細砂巖占總厚度的47.5%左右；可塑性比較強的鋁土質軟巖類厚度占總厚度的32.7%左右，本溪灰巖厚度約占總厚度的19.8%。這種軟硬相間且具有一定厚度的隔水層結構在未受構造破壞的情況下，具有較好的阻水性能。賦水性中等、厚度較薄的本溪組巖溶裂隙含水層(簡稱“本灰”)以及賦水性好、巨厚層狀奧陶系巖溶裂隙含水層(簡稱“奧灰”)是工作面的主要含水層，其中奧灰巖溶水是礦井主要水害防治對象。9 號煤底板隔水層將承受1.71～2.21 MPa 的奧灰水壓，計算得出該工作面突水系數為0.047～0.061 MPa/m，工作面存在底板巖溶突水威脅。

圖3 微震與電阻率傳感器布置Fig.3 Layout of microseismic and resistivity sensors

圖4 9 號煤層底板水文地質綜合柱狀示意圖Fig.4 Hydrogeological comprehensive columnar diagram of No.9 coal seam floor

工作面前期已經實施了底板本灰含水層注漿加固工程，由于11913 工作面在回采過程中發生了突水，后期又對本工作面的奧灰含水層進行了加固，2 次加固共施工鉆孔52 000 m，注漿用水泥92 000 t，整個注漿工程的直接投入為：52 000 m×300 元/m+92 000 t×320 元/t=4 320 萬元，但是底板傾角大，隔水層厚度變化大，而且在工作面運料巷西北側存在直徑超過50 m 的陷落柱，經打鉆驗證陷落柱含水，雖然陷落柱已經過注漿改造，但是仍然存在突水風險，因此，本文利用井-地-孔微震、視電阻率監測技術建立綜合突水監測系統，分別對導(突)水通道、水源進行監測，本次綜合突水監測系統投入為260萬元，設備費為180 萬元，耗材為80 萬元，其中設備可以重復使用，考慮到設備折舊，本工作整個監測系統實際投入按照(180 萬元×1/5+80 萬元)116 萬元計算，該費用為注漿工程費用的2.6%，大大降低人員和財產損失。

4 底板水害綜合監測技術方案

4.1 微震測點布置

11916 工作面附近共有3 個巷道可以布置傳感器，本次選擇將傳感器布置在東翼運輸巷和工作面運料巷，東翼運輸巷在工作面回采期間不會垮塌，在回采后便于保護傳感器及其電纜的完整性，可以更好監測工作面采空區底板的破裂情況。井下共布置拾震傳感器41 個，其中巷道內布置28 個，道距50 m；孔中布置13 個，道距50～100 m，布置傳感器的孔垂深25 m，傾角45°；地面一共布置4 個傳感器，道距250 m，具體測點布置如圖3 所示。

4.2 視電阻率測點布置

為了更好監測11916 工作面采空區底板視電阻率及其變化，將電極布置在運料巷和東翼運輸巷，2 個巷道各布置101 個電極，電極間距為10 m，2 個巷道的無窮遠電極分別布置在距離停采線1 500 m 的位置。電極埋置方式如圖5 所示，在巷道底板靠近外幫處打孔，孔深1.5 m，傾角45°，把錨桿放入孔中，用黃泥封孔，錨桿尾部連接監測電纜。

工作面監測長度為1 000 m，而采煤擾動對底板破壞的范圍有限，無需對整個工作面1 000 m 范圍同時進行監測，因此，采用滾動監測方式。考慮到底板視電阻率的強弱對比，單次監測須覆蓋200 m范圍，隨著工作面的推進，監測電極逐步向推進方向移動，電極的移動通過地面數據采集軟件設置即可，無需在井下進行人工干預。

圖5 電極安裝示意Fig.5 Schematic diagram of electrode installation

數據采集過程，采用單極發射-偶極接收方式，首先，運料巷的1 號電極發射，東翼運輸巷的1～21號電極依次接收，每次都利用最小二乘法和小波分析技術對接收的信號進行數據預處理；接著，運料巷的2 號電極發射，東翼運輸巷的1～21 號電極依次接收，直到運料巷21 個電極全部發射完成；然后，東翼運輸巷的1 號電極發射，運料巷的1～21 號電極依次接收，直到東翼運輸巷的21 個電極全部發射完成；最后，自動反演軟件采用擬高斯-牛頓法對預處理后的數據進行全空間三維電阻率反演，并根據預先設置的參數對三維數據體進行二維切片、三維異常體提取和立體成像等操作，從而實現了對底板巖層富水性變化過程的實時動態成像。其中電極的切換與數據的采集由數據采集軟件自動完成，不需要人工干預。

5 監測結果及分析

5.1 微震監測系統定位精度標定

為了提高震源定位精度，在實施監測前需要測量地震波在巖層中的傳播速度，本次試驗利用標定炮的方法進行測量，即把起爆位置當成一個已知的點震源，進行反演分析，從而獲得地震波的傳播速度，并且可以利用標定炮對定位精度進行檢驗。根據標定炮測得葛泉礦東井11916 工作面底板圍巖破裂產生縱波的介質傳播速度為3 100 m/s。

采用平均波速3 100 m/s 計算，微震定位結果為：(9 507.467,1 625.886,303.878)，實際放炮震源坐標為(9 514.527,1 627.926,305.198)，誤差分別為Δx=7.06 m，Δy=2.04 m，Δz=1.32 m，平均誤差為3.473 m，11916 工作面隔水層平均厚度為41.1 m，定位誤差小于隔水層厚度的1/10，能夠滿足監測需要。

5.2 底板水害綜合微震監測結果

開展為期6 個月的微震監測，共監測到微震事件8 381 個，其中發生在底板的事件3 086 個。11916工作面煤層傾角較大，為了便于統計分析，本文利用底板等高線，通過數據計算將煤層轉換為近水平煤層，正常情況下底板破壞深度為20～25 m，從圖6中可以看出，9 月6 日前底板的破壞深度為20～25 m，但是在9 月6 日—14 日底板微震事件標高范圍的分布特點發生了變化，分布比較均勻，底板破壞深度已經達到了35 m，9 月14 日該工作面底板出水，水量2 m3/h。

圖6 9 號煤層底板不同標高范圍微震事件分布統計Fig.6 Histogram of elevation range distribution of floor microseismic events of No.9 coal seam

圖7 為工作面煤層、底板巖層以及底板微震事件分布圖，從圖7 可以看出在紅線位置底板破壞深度明顯加深，很多微震事件已經進入本溪灰巖含水層。圖8a 為底板微震事件在YZ平面的密度(單位體積內微震事件數量)圖、圖8b 為底板微震事件在XY平面的密度圖，從圖8 看出在9 月14 日前，運料巷附近底板破裂深度明顯大于其他位置，在運料巷附近微震事件密度明顯增加，該區域底板破壞劇烈，結合圖7—圖8，可以推斷中間巷底板靠近運料巷側的導水通道可能已經形成。

5.3 視電阻率監測結果

開展了為期6 個月的視電阻率監測，共采集到完整的視電阻率數據體2 723 個，每次監測工作面長度為200 m，如圖9 所示，從監測數據來看，底板20 m 范圍內視電阻率一直都保持較高的狀態，說明底板水的高度沒有發生明顯變化。

從圖10 可知，在運料巷35 號電極附近底板下存在一個低阻異常區域逐漸變大，該區正是9 月14日的出水點。

結合圖7、8、10 發現，圖8 中破裂較深位置處的導水通道已經形成，并且從圖10 中的低阻異常，及其隨時間不斷從下到上的發育過程驗證了有水從該通道涌出，從圖8 中看出，當工作面推進至中間巷時，此處發生出水，結合圖11 可以看出，底板破壞較深的位置正是視電阻率異常體發育之處，推測底板水是通過該通道進入運料巷，引起該處底板出水。

圖7 工作面底板巖層與微震事件分布Fig.7 Distribution of floor rock layer and microseismic events in working face

圖8 9 號煤層底板微震事件平面密度圖Fig.8 Plane density diagram of microseismic events of No.9 coal seam floor

6 結果與討論

從微震與視電阻率監測結果來看，在9 月6～14日確實存在一次底板突水過程，其突水位置正好為工作面推進位置附近，頂板覆巖垂直壓力集中于工作面前10～15 m 范圍的煤壁內[40]，該范圍正好與工作面中間巷道對底板的剪切破壞作用重合，加之此處靠近陷落柱，使得該處的底板破壞深度明顯增加，而且從圖7 中可以看出，在底板下35 m 深的范圍內微震事件的分布比較均勻，使得底板裂隙具有很好的連通性，形成了導水通道，從圖10 中4 d 的電阻率異常區域的變化情況也說明了底板水正通過該通道逐步進入巷道，導致出水。

圖9 9 月4 日9 號煤層底板視電阻率水平剖面Fig.9 Horizontal section of apparent resistivity of floor on September 4

微震與視電阻率監測技術分別從導水通道與水源2 個突水要素進行監測是解決底板突水監測的有效途徑。微震監測技術僅僅能夠監測底板裂隙，由于地質情況復雜，底板巖層的厚度、位置不清晰，底板裂隙的深度也不盡相同，導致在不同的工作面位置，僅僅依靠底板裂隙深度很難判斷裂隙是否與含水層建立起水力聯系，即導水通道是否形成；而視電阻率監測技術則正好可以彌補這一缺陷，如果裂隙中的富水性增強，視電阻率會明顯降低，這就為導水通道的形成提供了科學依據，也就為突水預警提供了科學依據。

圖10 35 號電極9 月8—14 日底板視電阻率垂直剖面Fig.10 Vertical plane of apparent resistivity of No.35 electrode from September 8 to 14

圖11 工作面底板巖層與微震事件和電阻率異常體分布Fig.11 Distribution of floor rock layer,microseismic events and resistivity anomalies in working face

7 結論

a.葛泉煤礦11916 工作面9 號煤層傾角較大，底板地形較復雜，從井-地-孔微震監測結果可知：回采過程中底板破壞深度變化較大，在中間巷附近底板破壞深度達到30～35 m，其他區域底板破壞深度為20～25 m。

b.井-地-孔微震監測技術能夠實時監測11916工作面回采過程中底板的破壞情況，而且能夠監測不同位置不同時間底板的破壞情況；根據微震事件的空間位置和平面密度圖，結合視電阻率監測結果可以推測導水通道的形成。

c.視電阻率監測技術能夠對11916 工作面回采過程中底板巖層的視電阻率及其變化情況進行實時監測，根據視電阻率的變化，結合井-地-孔微震監測結果能夠對底板突水風險進行評價。

d.井-地-孔微震監測技術和視電阻率監測技術構建的底板水害綜合監測系統能夠對底板突水過程中的導水通道和水源實施有效監測，為突水預警提供科學依據。

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