九里山礦底板突水監測預警技術的實踐應用

薛嵐華

（河南能源化工集團焦煤公司，河南 焦作 454002）

河南能源化工集團焦煤公司九里山礦屬于典型的煤與瓦斯突出和水文極復雜礦井，底板突水安全隱患嚴重危害井下開采安全。九里山礦突水事故發生的主要原因如下：一方面是隱伏導水構造的精細探查技術還難以有效準確地探清影響九里山礦開采的水文地質因素；另一方面是九里山礦沒有構建水害實時監控與預警系統，無法及時有效地對開采過程中的水害隱患進行監測預警。微震監測技術是近年來從地震勘查行業演化和發展起來的一項跨學科、跨行業的新技術。微震監測技術可以結合煤礦生產現場及實際水文地質資料進行分析和判斷，從而實現對突水的預警預報。本文以河南能源化工集團焦煤公司16052 工作面為研究對象，采用微震監測技術構建底板突水監測預警系統，為16052 工作面底板突水安全事故的防治提供依據。

1 工程概況

焦煤公司九里山礦位于焦作礦區東部，井田走向長度約5.5 km，傾向長度約3.4 km，井田面積18.50 km2，礦井設計能力90 萬t/a。該煤礦井田構造簡單，煤層穩定，煤質優良，儲量達1.34 億t。該礦井為煤與瓦斯突出礦井，最大原始瓦斯含量31.00 m3/t，最大瓦斯壓力2.08 MPa，絕對瓦斯涌出量58.16 m3/min（抽采量37.58 m3/min），相對瓦斯涌出量為10.64 m3/t。主采煤層為二1 煤，煤層賦存較穩定，煤塵有爆炸危險。采煤方法為走向長壁后退式采煤法，采煤工藝為綜采。

九里山礦水文地質條件極復雜，當前已發生突水事故27 起，涌水量70～103 m3/min，累計排水4.23億m3，而西翼L8 灰巖含水層水位僅下降20 m 左右，水位居高不降，一2 采區面突水，甚至一面多起突水。該采區為一背斜，裂隙發育，二1 煤至L8 灰巖間隔水層底部有砂巖，形成砂巖聚集區，導升高度5～7 m，L8 灰巖與L2 灰巖之間出現L7、L6、L5 三層灰巖，形成灰巖聚集區。這些特點，按煤-巖-水-氣法分析是典型的垂向越導區。因此，針對復雜的水文地質條件，在開采16052 工作面時，采用微震監測技術構建底板突水監測預警系統，對底板進行微震監測分析，通過底板微震事件的分析，掌握底板可能發生損傷的位置，為突水防治提供依據。

2 基于微震監測技術底板突水預警系統的構建

2.1 傳感器參數選擇及布置

九里山礦16052 工作面微震監測突水預警系統傳感器選用地震檢波器，頻率范圍20～1000 Hz，靈敏度為70.0 V/（m·s）。16052 工作面底板承受奧灰水壓1.2～1.8 MPa，底板承受奧灰水壓力的總體趨勢為西高東低；底板厚度為26～50 m，從底板東邊向底板西邊表現為減小，西薄東厚的分布趨勢；同時在底板西側區域有富水異常區的存在。針對這一情況，16052 工作面微震監測傳感器的布置情況如圖1，因此，在工作面西側傳感器布置進行了加密。

圖1 16052 工作面微震監測傳感器的現場布置示意圖

2.2 網絡系統構建

采用微震監測底板突水預警系統對16052 工作面底板進行24 h 實時監測。突水預警系統構成的拓撲結構如圖2，通過布置在工作面周邊的地震檢波器來采集數據，并將數據傳輸至井下工作站，繼續傳送至地面控制中心，對數據進行分析處理，將監測結果報送各單位和領導。

圖2 16052 工作面微震監測系統網絡拓撲示意圖

3 微震監測結果及規律分析

據16052 工作面底板微震事件空間分布俯視圖（圖3）分析可知，16052 工作面底板微震事件可劃分為三大區域：左邊a 區域為受構造影響而形成的底板微震區；中間b 區域受采動影響而形成的底板微震區，會隨工作面推進而不斷變化向前；右邊c 區域為滯后微震區，工作面推進后，受滯后影響而形成。

圖3 16052 工作面底板微震事件空間分布俯視圖

16052 工作面底板微震事件空間分布情況如圖4，底板微震事件主要分布在工作面前方50 m 至工作面后方30 m 區域內，微震事件占95%。絕大部分集中在底板12 m 以內區域，存在底板微震事件異常區I 和II。異常區I 深度42 m 左右，分布于點前距離510～620 m 范圍；異常區II 深度20 m 左右，分布于點前距離335～465 m 范圍內。因此可知，異常區I 已經形成底板導水通道，異常區II 沒有形成導水通道。

圖4 16052 工作面底板微震事件空間分布示意圖

16052 工作面底板微震事件能量和頻次分布情況如圖5，從圖中數據可知，微震事件數為187 個，能量大于103J 的微震事件數量為18 個，占全部微震事件9.9%，能量最大值為2.957×103J，底板微震事件以小能量事件為主。進一步驗證異常區I 已形成底板導水通道，并非突水通道。

圖5 底板微震事件能量分布曲線

4 底板破壞深度確定

4.1 底板破壞深度微震監測分析

從圖4 可知，16052 工作面煤層底板標高范圍為+275～ +225 m，底板微震事件基本分布于+215～ +260 m，底板微震事件峰值在標高+245 m 位置，基本判定6052 工作面底板微震事件主要發生在底板標高以下12 m 左右區域內。

采用地質鉆孔柱狀綜合分析方法對底板地質情況進行分析可知，在主采煤層為二1 煤的底板以下11.38 m 的位置存在石英砂巖，厚度為5.62 m。該石英砂巖層是奧陶紀石灰巖與煤層底板之間的最后巖層，石英砂巖層的破壞情況是影響底板強度的關鍵。根據這一情況可以推測，16052 工作面破壞層位石英砂巖層，底板破壞深度約11.38 m。

4.2 底板破壞深度驗證

根據魏西克教授提出塑性滑移時巖土層極限承載力的綜合計算方法和模型，可計算出16052 工作面底板最大破壞深度hmax=11.17 m。該計算結果與采用微震監測底板突水監測預警系統得出的工作面底板破壞深度僅僅相差0.21 m，數據基本一致，驗證了微震監測底板突水監測預警系統預警數據的準確性。

5 應用效果分析

采用微震監測技術構建底板突水監測預警系統在九里山礦16052 工作面進行了實踐應用。監測預警結果表明：16052 工作面底板微震事件主要分布在構造影響微震區、采動影響微震區、滯后微震區三個區域；存在底板微震異常區I 和II，底板出水點位置可能位于工作面前50 m 至后30 m 區域；底板破壞深度約11.38 m。經理論計算和實踐驗證，底板突水監測預警結果準確，底板突水監測預警結果能做為底板突水有效防治的依據。九里山礦16052工作面微震監測底板突水監測預警系統的成功應用為工作面底板突水監測預警提供了新技術支撐。