礦井綜采工作面底板突水綜合監測技術研究

李 鵬

(山西汾西礦業(集團)有限責任公司雙柳煤礦，山西 柳林 033300)

隨著礦井煤炭采深增加，煤炭開采時受到底板涌水問題影響更為顯著[1-2]。常規的底板水害技術主要為隱伏構造探測以及注漿改造等，上述工作多集中在采面開采前，但大量的統計資料表明礦井底板突水多發生在采面回采過程中[3-5]。采面開采帶來的采動壓力會造成底板裂隙發育，從而導致底板原有的隔水層隔水能力降低，在底板承壓水作用下引起采面突水。采用常規的鉆探、物探技術手段難以客觀反映采面底板突水過程[6]。因此，文中在10908綜采工作面采用視電阻率監測技術及微震監測數據將采面底板水害進行綜合監測，監測結果可在一定程度上指導采面水害防治工作開展。

1 工程概況

山西某礦10908綜采工作面開采9號煤層，埋深平均580 m、煤厚5.0 m，煤層傾角7°～15°，采面走向、傾向長度分別為1 050 m、70 m。采面回風巷、進風巷間高差約為20 m。采面西側為已回采完畢的10906采面采空區。9號煤層底板距本溪組灰巖層間距平均在20.5 m，底板隔水層以粉砂巖、細粒砂巖以及鋁土質粉砂巖，采面底板與隔水層間厚度平均為41.3 m，具體頂底板巖性見圖1所示。

圖1 頂底板巖性綜合柱狀圖

2 底板水害綜合監測技術應用

將微震監測以及視電阻率監測技術應用到采面底板突水監測中，實現導水通道、突水水源兩個方面面對底板突水綜合監測。通過使用微震監測技術實現對底板裂隙發育深度判定，但是由于煤礦井下巖層賦存條件復雜、僅依靠獲取到的底板裂隙擴展深度難以判定裂隙是否導水；而視電阻率監測技術可密閉微震監測存在的不足，若底板裂隙充水則視電阻率會顯著降低，這就為底板裂隙是否已形成導水通道提供了科學依據，也為采面底板突水預測提供科學指導。

2.1 監測點布置

2.1.1 微震監測點布置

在10908綜采工作面共有東翼運輸巷、采面進回風巷可布置微震傳感器，本次監測將傳感器布置在東翼運輸巷以及采面材料巷，可實現對采空區內底板巖層破裂情況進行監測。在井下布置41個拾震傳感器，其中，28個按照50 m道距在巷道內布置；13個在鉆孔中布置，道距50 m～100 m，布置拾震傳感器的鉆孔傾角為45°、鉆孔垂深25 m；在地面按照道距250 m布置4個傳感器。具體在采面內各微震監測點布置情況見第62頁圖2所示。

圖2 采面各監測點布置示意圖

2.1.2 視電阻率監測點布置

將瞬變電磁儀電極在東翼運輸巷、材料巷內按照10 m間距布置，兩條巷道內均布置101個電極，兩條巷道內的無極窮遠電極均布置在與停采線相距1 500 m的位置。電極按照如圖3所示的方式進行埋設，在巷道底板靠近外側巷幫位置施工俯視角為45°鉆孔，孔深均為1.5 m。將錨桿放入到鉆孔內并用黃泥進行封孔，錨桿尾部布置有監測電纜。

圖3 電極埋設示意圖

在10908綜采工作面布置的測點監測距離為1 000 m，而煤炭開采后對底板影響破壞范圍有限，無需同時對1 000 m范圍進行監測。因此，降低提升監測效率并采用滾筒監測方式，單次監測范圍控制在200 m左右，隨著采面推進將監測電極依次向回采方向推進。電極移動通過數據采集軟件進行設置，不需要專門安排人員進行干預。

在數據采集時通過單機發射-偶機接收方式，具體為：1)先在材料巷1號點電極發射信號，在東翼運輸布置的1號～21號電極接收信號，并通過小波分析、最小二乘法對處理接收到的信號，直至材料巷內的1號～21號電極信號發射完畢；2)然后，在東翼運輸巷1號點電極發射信號，在材料巷布置的1號～21號電極接收信號，直至東翼運輸巷內的1號～21號電極信號發射完畢；3)采用自動反演軟件對預處理后的數據進全空間三維視電阻率反演，并進行二維切片、立體成像以及三維異常體提取等操作，最終獲取底板巖層富水變化的動態成像。電極信號發射與接收自動完成，不需要人工進行干預。

2.2 監測結果分析

2.2.1 微震監測結果分析

在10908綜采工作面微震監測持續6個月，共計監測到8381個微震事件，其中發生在采面底板的微震事件3086個。正常情況下采面底板巖層裂隙擴展深度在20 m～25 m，圖4為采面微震事件統計分布圖。從圖4看出，9月6日之前采面底板巖層破壞深度在20 m～25 m,但是在從9月6日至9月14日監測結果看出微震事件標高范圍出現明顯變化，采面底板巖層破壞深度已達到35 m。同時，10908綜采工作面底板在9月14日回采時出現少量涌水，涌水量約為2 m3/h。

圖4 微震監測結果

從微震監測結果看出，隨著采面不斷推進微震事件向底板深度發生轉移，多起微震事件已經在煤層底板下覆本溪組灰巖含水層頂板中發生。從微震監測結果及采面開采時底板涌水情況分析，認為在采面中部靠近進風巷側底板內巖層中已形成導水通道。

2.2.2 視電阻率監測結果分析

在10908綜采工作面視電阻率監測持續6個月，共計采集到2723個視電阻率數據體，每次采面監測長度為200 m。從監測結果(第63頁圖5)看出，采面9號煤層底板20 m范圍內的巖層視電阻率一直較高且視電阻率等值線分布較為平緩，未有異常點，表明底板水位高度未有明顯變化。

圖5 視電阻率監測結果

從視電阻率監測結果看出，在進風巷靠近35號電極位置底板巖層中發育有低阻異常區，同時該異常區范圍逐漸擴大，該區位置正處于9月14日采面底板出水點位置。

3 結論

1)通過微震監測發現，10908綜采工作面回采過程中底板裂隙擴展范圍較大，在進風巷位置底板裂隙破壞深度在30 m～35 m，其他位置底板裂隙發育深度在20 m～25 m。

2)采用視電阻率監測技術可實現對10908綜采工作面回采時底板巖層視電阻率變化情況進行實時監測，并依據微震監測結果對底板突水危險進行預警。

3)將微震監測結合視電阻率監測技術構建成的綜采工作面底板突水綜合監測技術可對采面開采過程中形成的導水通道、水源位置進行實時監測，為采面底板突水預警以及防治水措施針對性開展提供指導。