微震技術在煤礦注漿防治水過程中的檢測分析研究

李高鵬

（太原煤炭氣化（集團）有限責任公司地質測量部山西太原030006）

隨著煤炭開采強度的不斷增大，在深部開采時，帶壓水造成的水害事故成為影響工作面安全開采的重要因素之一[1-3]。目前，龍泉礦井下開采多個煤層受到奧灰水影響，易發生工作面突水事故，進行了一系列注漿等措施進行防治水工作，為了保證工作面防治水措施能夠達到應用的作用，現采用微震檢測技術對龍泉礦防治水工作進行動態監測。

許多研究學者對微震技術進行了研究，陳歌[4]針對微震檢測技術原理進行了研究，分析了礦井水害進行微震檢測技術應用的可行性與局限性；王悅[5]建立了微震監測系統對董家河煤礦22517工作面底板突水進行了監測，確定了底板破壞深度及可能出現的出水點位置。現針對龍泉礦4301工作面底板防治水進行研究，采用微震檢測技術進行評價及改進。

1 工程概況

龍泉煤礦位于山西省太原市婁煩縣，可采煤層共有11層，其中穩定可采煤層為4、7、9號煤層。礦井采用斜-立井聯合開拓方案，兩個水平開拓，前期一水平開采4號煤層，劃分為六個采區。后期二水平開采7、9號煤層。目前主要在二、三采區進行采掘活動，采煤方法采用綜采放頂煤采煤工藝，走向長臂式采煤方法，全垮落法管理頂板。4號煤層平均厚度為6 m～7 m，夾矸1～5層，結構復雜。4301工作面位于三采區，南側為4201工作面，北側為4302工作面，東側為煤柱，西側為三條大巷。工作面偽頂為平均厚度0.23 m的砂質泥巖，直接頂為平均厚度3.53 m的K4砂巖，老頂為平均厚度7.3 m的砂質泥巖，直接底為平均厚度0.45 m的中砂巖，老底為平均厚度6.06 m的細砂巖。

龍泉礦4301工作面底板標高在100 m～1 100 m，根據地質報告可知，驚天奧灰動水位在1 080 m～1 125 m，奧灰水很大可能會破壞上部隔水層的完整性，沿著構造裂隙薄弱帶進入4301工作面，造成底板突水事故，因此4301工作面屬于帶壓開采。

根據地質鉆孔水位標高可以得到底板承受的水壓大約6 MPa，在2017年3月工作面開采過程中，回采初次來壓之后就發生了底板突水事故，涌水量最大達到了190 m3/h。根據出水點進行了鉆孔注漿防治工作，鉆設了15個鉆孔，共進尺25 547 m，總注漿量達到17 668 m3。現針對4301工作面底板注漿防治水采用微震監測技術進行效果評價。

2 微震監測技術應用

本次微震監測選用地震檢波器，傳感器的頻率監測范圍為15 Hz～1 000 Hz，根據龍泉礦4301工作面的地質條件及巷道布置、存在突水危險點，綜合考慮，在工作面兩側巷道每隔80 m打設一組傳感器，具體布置方案如圖1所示。采用微震建測系對工作面進行24 h連續監測，采用數據處理軟件Geiger對微震事件進行定位，進而得到工作面底板下方導水裂隙分布狀態。

圖1 工作面傳感器布置方案

2.1 注漿前微震監測

圖2 頂板、底板微震事件分布平面圖（5月）

圖3 工作面微震事件分布剖面圖（5月）

上圖為注漿堵水前2018年5月微震監測底板事件分布圖，圖上用不同顏色表示不同深度的微震事件點。平面圖上微震監測事件展布方向基本與頂板相同，涉及底板含水層有K3、L3含水層（綠色）、事件最多，L2、Ll灰巖含水層（桔色），事件12個，太原組底部灰巖、K1砂巖、本溪灰巖（粉紅色）事件7個，奧陶系灰巖淺部事件2個（天藍色），奧陶系灰巖50 m～130 m內監測事件10個（淺藍色），奧陶系灰巖130 m以下監測事件8個。頂底板事件具有分層及斜交展布的特性，有與含水層分布間距及節理裂隙發育方向相一致的特征。

微震監測在剖面上有分不同深度的特征，煤層頂板上主要層位在K4砂巖、K5砂巖、K6砂巖層位；煤層底板深度50 m以內，相當于K3砂巖，90 m相當于L2灰巖層位，135 m相當于K1砂巖和本灰，奧灰頂部50 m，不整合風化殼溶蝕裂隙；奧灰頂下130 m溶蝕裂隙發育，130 m以下分為一個信息區域。在工作面無采掘活動時，發生微震主要因素工作面底板出水，失去地下水的平衡狀態，高壓水流對底板巖層不斷破壞。微震事件來自不同深度地層含水層，沿著節理裂隙方向水壓劈裂，水壓能量逐步釋放，直至從出水點泄壓。

2.2 注漿中微震監測

（1）注漿方案

注漿方案設計為施工鉆孔15個，其中輔運巷1號鉆場2個鉆孔，2號鉆場4個鉆孔；膠帶巷3號鉆場4個鉆孔，4號鉆場5個鉆孔，設計總進尺2 514 m，具體參數如表1所示。實體煤區域施工的鉆孔采用二徑套管結構，采空區周邊、奧灰鉆孔及過巷鉆孔采用三徑套管結構。

表1 4301工作面注漿鉆孔設計參數一覽表

考慮到工作面淺部底板破碎，巖石完整性差，注漿終壓根據實際情況來確定，一般比靜水水壓高0.5 MPa～1.5 MPa。在分段下行次注漿時，淺部得到注漿加固后，逐漸提高注漿終壓壓力。注漿結束泵量規定為5 m3/h，即當泵量為5 m3/h左右時達到上述注漿結束壓力時為視為達到注漿結束標準。最終實施鉆孔15個，累計注漿17 668 m3，總干料3 926 t，其中水泥2 212 t、粘土1 714 t。

（2）注漿中微震檢測

2018年5月前微震監測為自然監測事件，工作面內沒有采掘活動，只有底板出水后疏放排水活動，6月開始治理底板出水鉆探注漿施工活動，微震事件明顯上升，2018年6～8月微震監測事件分布如下圖所示：

圖4 注漿中頂板微震事件分布平面圖

圖5 注漿中底板微震事件分布平面圖

根據數據可知2018年1月1日至5月31日，頂板微震監測事件最低頻次103次，最高376頻次，平均204頻次，分布范圍較大，以4301工作面東南部最多；2018年6月4日開始底板注漿以來截止8月31日，頂板微震監測事件，最低頻次338次，最高頻次545頻次，平均420.67次，注漿微震頻次增加216次，是原自然頻次的2.06倍，頂部事件主要集中在4301工作面區域附近。

4301工作面底板微震事件，以煤層底板50 m內最近為例，前5個月微震發生頻次最少30頻次，最多167頻次，平均96頻次，日均0.64頻次，底板注漿微震監測頻次增加，最少242頻次，最多492頻次，平均月均371頻次，注漿期間頻次是未注漿前的3,87倍，日均微震11.87頻次，見表2。

表2 4301工作面微震分層監測事件頻次統計表（2018年1-8月）

由數據繪圖可得圖6，可知2018年6～8月，4煤底板淺部事件的增多，一方面是井下鉆探生產影響，另一方面說明底板淺部受采動影響產生了破壞，強度和完整性較差。6月至7月奧灰頂面以下微震事件明顯增多，到8月又突然減少，反應了隨著注漿堵水奧灰水壓逐漸恢復的一個過程，隨著奧灰水壓的增加，奧灰含水層內壓裂現象增多，到8月奧灰絕大部分通道得到封堵以后，奧灰含水層基本恢復自然平衡狀態，微震事件自然就少了。L3灰至奧灰頂面的微震事件應該主要與注漿有關，說明太原組砂巖、灰巖含水層也參與了底板出水，通過注漿施工出水的含水層得到了加固。

圖6 4301工作面不同層位微震事件頻次變化曲線圖（2018年1-8月）

3 4301工作面防治水效果分析

根據工作面現場鉆孔注漿防治水工作，截止到2018年8月，由注漿期間微震事件可知，通過注漿底板微震事件明顯增多，大部分裂隙得到封堵，完整性得到增強，測得工作面底板涌水量由最高時190 m3/h減小到32 m3/h，可見注漿堵水率達到了82%。工作面涌水量大大減少，截止到目前工作面底板涌水量穩定在30m3/h，底板下方奧灰水位接近正常水位。

4 結語

微震監測技術作為一種新興的礦井防治水手段，需要不斷的總結應用經驗，排除干擾因素，才能更好的服務于井下鉆探注漿工作。4301工作面底板注漿堵水工程，利用微震監測技術，指導注漿控制注漿量及壓力，實現了較好的注漿效果。通過本工程注漿過程與微震監測對比，對龍泉礦注漿工作建議：宜采用分段下行式注漿，先加固好淺部底板，再對各含水層組分層注漿，由淺部到深逐漸提高注漿壓力，注漿過程中結合微震系統實時監測分析漿液擴散范圍，發現異常情況及時停注，防止了對巷道底板造成破壞。