基于微震的底板采動裂隙擴展及導水通道識別技術研究*

靳德武 段建華 李連崇 燕 斌 牟文強 魯晶津 周麟晟

(①中煤科工集團西安研究院有限公司， 西安 710077， 中國) (②陜西省煤礦水害防治技術重點實驗室， 西安 710077， 中國) (③東北大學資源與土木工程學院， 沈陽 110819， 中國)

0 引 言

華北型煤田中多數礦井上部煤層的絕大多數區域已開采殆盡，多數礦井已經開始開采深部煤層。由于深部煤層開采面臨奧陶系石灰巖巖溶富水性強，水壓高，地質構造復雜，隔水層厚度薄，礦山壓力(施龍青等， 2015)等問題，底板水害威脅程度較大。據統計，底板水害往往是在工作面回采過程中發生的(靳德武， 2017)。煤礦突水過程是多物理場之間復雜的耦合作用。在煤層開挖擾動后，圍巖應力場會重新分布，在一些區域會造成屈服破壞，產生初始損傷，從而改變煤巖體的強度、彈性模量和滲透系數，進而加劇滲流作用的進行，兩者之間耦合作用更強烈，使應力場更易造成新的損傷，導致隔水層的隔水能力降低，在承壓水的水壓作用下發生突水(趙慶彪等， 2016， 孫琪皓等， 2019)，其突水機理復雜(原富珍等， 2019)。因此，監測底板采動潛在導水通道是預測評價底板阻水能力的前提條件，也是進行礦井突水預測預報的基礎(彭蘇萍等， 2001， 虎維岳等， 2008)。由于水文地質條件復雜，突水影響因素較多，常規監測手段難以捕捉底板突水通道的形成和演化過程(劉超等， 2014)，目前，主要有兩類方法可以解決該問題，一類方法為理論計算和數值模擬法，理論計算法一般是通過大量經驗建立公式，利用該公式對破壞深度進行估算，往往需要現場實測數據支撐，但是巖層結構及其組合特征和開采方法的不同，會導致破壞深度存在較大差異(張波等， 2018)，雖然數值模擬法的仿真性不斷提升，但是，由于存在測試方法及巖石物理力學參數的代表性問題往往導致模擬結果誤差較大。同時，該類方法存在不能隨開采活動進行動態計算的缺點(王悅等， 2018)； 另一類方法為現場實測法，主要分為鉆探和物探法，鉆探法包括鉆孔壓水試驗法(黃震等， 2014)，鉆孔觀測法(張平松等， 2017)，該方法需要對同一測點在采動前后分別觀測，再進行對比，但是底板破壞變形相對滯后于工作面的推進，因此，難以對底板變形進行實時監測，而且監測范圍有限。物探法主要包括電法(徐智敏等， 2012)、電磁法(劉盛東等， 2019)、微震法(段建華等， 2020)。鑒于其探測原理，電法和電磁法只能利用電性參數的變化，間接獲得底板破壞深度，而微震法則是直接對破裂點進行監測，通過反演計算和定位，從而實現對導水通道實時監測。然而，目前微震監測可捕獲的數據，大多是離散、孤立、無序的巖層破裂定位點，很難直接判斷表觀上成線、成面或成連通體的導水通道。但是實際上煤層底板的彎曲變形、脆性變形、松動碎裂以及塑性變形等與巖性、構造、水的滲流、時間效應、溫度和地應力因素密切相關(隋旺華等， 2019， 李西龍等， 2020)，因此，可深度挖掘微震定位數據與巖石物理力學性質的相關性，分析巖層破裂的連通性，揭示深部石灰巖承壓水突水通道形成過程，為深部煤層底板承壓水防治提供理論和技術支撐。

1 微震監測技術

當巖石失穩破壞或原有地質缺陷被激活錯動，巖體內微裂縫擴展發育，將出現微小量級的高頻率的聲發射。當裂紋繼續擴展到一定規模、受載至一定強度，開始出現較為發育的貫通裂隙并產生低頻的微震。由于微地震是巖石材料變形、裂紋開裂及擴展過程中的伴生現象，此時它的變化與圍巖結構的力學行為密切相關，因此，微地震信號中含有大量關于圍巖受力破壞以及地質缺陷活化過程的實時信息，基于此可以推斷巖石材料的力學行為，預測圍巖結構穩定性。微破裂發生以應力波(P波、S波)的形式向外傳播，則可利用檢波器、分站等組成的微震監測系統實現對波形的獲取，當提取4個以上微震通道的P波初至時間，則可實現在某一時刻內的微震事件的定位，如圖 1所示。同時利用波形頻譜圖下的振幅、拐角頻率以及巖層性質等可以對震源參數，如能量、矩震級、地震矩以及視應力等進行計算，據此可以得到巖石斷裂的時空信息和強度信息，進而得到巖石的微觀和宏觀破壞特征。而巖石的微破裂通過波的形式獲取之后，微破裂的進一步發展演化會形成巖石的宏觀破壞，通過解譯微震監測下的每個微破裂的震源參數可以實現對宏觀破壞的表征。如，微地震能量所反映的巖石在擾動破壞下所釋放的儲備能量，一定程度上反映了巖石的力學性能和外在擾動條件，以及破裂程度； 能量密度表示的是巖石在單位空間體積內微震事件所釋放的能量大小； 震源尺度(震源半徑)表示巖石破裂的波及范圍等。同時，各個震源參數之間存在一定關系，這也為震源分析提供了前提條件(Hanks et al.， 1979； 修濟剛等， 1998； Mukuhira et al.，2016)。所以微震事件的震源參數可以表征巖層的破裂過程、裂縫導通擴展等，該技術已成為實時、動態、立體監測煤層底板裂縫擴展導通的一個重要技術手段，尤其在定位災害性導水通道方面具備獨特的技術優勢。

圖 1 應力波獲取與微震定位Fig. 1 Stress wave acquisition and microseismic location

2 導水通道識別原理

2.1 基于能量密度的導水通道識別

底板突水包括兩個要素：充水水源和導水通道，導水通道的形成受工作面回采及陷落柱等地質構造的影響顯著(李連崇等， 2009a，2009b)。在煤層開采期間，對導水通道的“動態”破裂失穩過程和活化規律描述的實時微震事件，均代表巖體內部對應位置出現的微裂紋，而巖體微裂隙的存在是滲流通道形成的前提條件。因此，利用微震技術識別導水通道是可行的。巖石發生破裂產生能量釋放，釋放過程中存在有耗散能與可釋放應變能(謝和平等， 2005)，如圖 2所示。單元體能量的釋放在時間與空間上的變化特征，可以反映巖石裂縫的擴展過程(周志芳等， 2021)，基于此可以利用微震監測所獲取的微震事件釋放的能量在空間單位體積內的大小反映巖層單元的微缺陷發展，即能量密度反映裂縫的擴展路徑與強度。

(1)

式中：ρE為能量密度； ∑Ei為單元空間j內所有微震事件的能量總和；Vj為單元空間j的體積。

通過微震監測系統采集數據計算獲得定位信息和震源參數，根據工作面的水文地質條件，確定能量篩選范圍及其計算網格特征，繪制不同深度的能量密度云圖。通過觀測能量密度云圖最終得到底板導水通道形成概率及其可能存在的位置，最后，根據底板導水通道在平面上的位置，確定導水通道的延伸深度及擴展方向。

圖 2 巖石破裂能量密度識別Fig. 2 Identification of energy density from rock fracturing

2.2 底板巖層破裂連通度分析方法

微震信號識別得到的微震事件之間存在波及損傷區域的交叉點，則存在由微裂縫連通形成的裂縫。而微震觸發的波及區可以分為兩類，一類是由震源半徑控制的范圍，震源半徑計算公式如下(修濟剛等， 1998)：

(2)

式中：r0為微震事件的震源半徑；Kc為震源模型常數，與所應用的模型有關；β0為震源區的S波波速；fc為應力波的拐角頻率。

另一類則是由視體積控制下的視半徑范圍，無論破壞模式如何，都會在其周圍形成一個非彈性變形區，稱為視體積，計算公式如下：

(3)

式中：VA是表觀體積，表示局部非彈性變形的體積；M為地震矩，表示微震事件的震級；E是微震事件的能量；G為剪切模量；σA是表觀應力。若將視體積視為球體，其半徑可按式(4)計算：

(4)

同時，將兩個微震球體的震源波及半徑與其空間距離之比定義為連通度，由于巖石微震事件所面臨的多因素干擾，則定義連通度更能滿足實際應用需要，連通度表征了微震事件之間貫通成縫的可能性。計算公式如式(5)所示。

(5)

式中：δ為巖石破裂連通度；Ri與Rj分別為任意兩個微震事件i和j的波及半徑； (xi，yi，zi)與(xj，yj，zj)分別為任意兩個微震事件i和j的空間坐標。

對于連通度計算式(5)，當連通度大于1時，可以認為兩個微裂縫連通形成裂縫。當連通度小于1時，兩個微破裂不會發生連通成縫，該值越大，微破裂穿透巖層形成導水通道的概率越大。而每個微震事件往往與其周圍的其他事件存在多個交集，但巖石破壞所形成的主流裂縫往往僅有1條。則可假設距離越近的兩個微震事件是越容易發生裂縫導通，則以連通度表征的微震事件，每個微震事件均選擇最大連通度的臨近事件連接成縫，則可以得到該條件下的裂縫分布。如圖 3所示，自某一微震事件開始對周圍微破裂所構成的連通度進行計算和篩選，每個微震事件均選擇較大的連通度進行連接而形成裂縫。

圖 3 基于連通度的微震事件相互貫通形成裂縫Fig. 3 Formed fracture with interconnected microseismic events based on the connectivity

圖 4 11916工作面底板水文地質綜合柱狀示意圖Fig. 4 Comprehensive column diagram of floor hydrogeology of panel 11916

圖 5 微震傳感器與電法電極布置Fig. 5 Layout of microseismic sensor and electrode arrangement

3 微震監測系統設計

3.1 礦井概況

河北葛泉礦東井是冀中股份有限公司主力生產礦井，設計生產能力為90×104t·a-1，主采煤層為9號煤，開采工藝為走向長壁綜合機械化開采， 11916工作面走向長度為1080m，傾向長度為70m，煤層傾角7°～21°，平均厚度5.5m，兩巷高差約20m，如圖 5 所示， 11916運料巷與11915工作面采空區僅僅相隔4m厚的煤柱，并且工作面中間有一個直徑超過50m的陷落住。工作面底板水文地質柱狀圖如圖 4，底板至本溪灰巖之間為平均厚度約20.3m的隔水層，阻水性能中等，底板至奧陶系灰巖含水層為厚度36.0～43.6m的隔水層，平均厚度為41.1m。本溪巖溶裂隙含水層(簡稱“本灰”)富水性中等、厚度較薄，巨厚的奧陶系巖溶裂隙含水層(簡稱“奧灰”)富水性強，本灰和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。根據鉆孔測量，該工作面底板隔水層奧灰水壓為1.71～2.21MPa，突水系數為0.047～0.061MPa·m-1，工作面存在底板巖溶突水危險性。

回采前已經對底板本灰含水層實施了注漿改造工程，由于11913工作面發生了突水，為了安全起見，后期對奧灰含水層進行了改造，但是底板傾角大，起伏變化大，隔水層厚度變化大，而且在相鄰11915工作面存在直徑超過50m的陷落柱，打鉆驗證陷落柱含水，出水量為60m3·h-1，經過注漿改造后，檢查孔仍出水2m3·h-1，存在突水危險性。因此，本文利用微震、視電阻率監測技術建立綜合突水監測系統，分別對導水通道、水源進行監測。

3.2 監測方案

3.2.1 微震傳感器布置

11916工作面附近的運料巷、運輸巷和東翼運輸巷都可以布置微震傳感器，其中東翼運輸巷在回采期間不會垮塌，為了保護傳感器，避免電纜被破壞，能夠更好地對采空區底板的破裂情況實施監測，在東翼運輸巷和運料巷分別布置微震傳感器。布置41個井下微震傳感器，其中28個在巷道內，道距50m； 13個在鉆孔中，道距50～100m，鉆孔的垂深25m，傾角45°； 布置4個地面微震傳感器，道距250m，具體測點布置如圖 5所示。

圖 6 底板微震事件空間分布Fig. 6 Spatial distribution of microseismic events in coal floor

3.2.2 視電阻率電極布置

采空區是底板突水的重點風險區，為了便于監測采空區底板視電阻率及其變化，在運料巷和東翼運輸巷共布置202個電極，電極間距為10m，無窮遠電極距離停采線1500m。在巷道底板靠近外邦處打鉆，孔深1.5m，傾角45°，錨桿尾部與監測電纜連接，將錨桿放入孔中，用黃泥封孔。

3.2.3 微震監測系統標定

震源定位精度對導水通道的定位至關重要，為了獲得較高的震源定位精度，需要利用標定炮方法對地震波在巖層中的傳播速度進行測量，即把炸藥起爆點視為已知點震源，進行反演計算，從而測得地震波的傳播速度，還可用此對定位精度進行檢驗。測得11916工作面底板圍巖破裂產生的縱波在底板巖層中的傳播速度為3100m·s-1。

根據3100m·s-1的平均波速，結合觀測系統，標定炮定位坐標為(9507.467， 1625.886， 303.878)，放炮點實際坐標為(9514.527， 1627.926， 305.198)，誤差分別為Δx=7.06m，Δy=2.04m，Δz=1.32m，平均誤差為3.473m，工作面隔水層平均厚度為41.1m，定位誤差約為隔水層厚度的1/12，因此，能夠滿足監測需要。

4 基于震源參數的底板導水通道識別

4.1 底板微震事件能量密度分布特征

自監測系統正常運行后，在11916工作面回采過程中實時獲取頂底板巖層在采動應力擾動下所產生的破裂應力波，對波形進行定位處理后，獲取了整個工作面內微震事件的分布情況，計算得到各個微震事件的震源半徑、視體積等震源參數。同時對發生在底板巖層內的微震事件進行了細化處理。結合所構建11916工作面的三維地質模型，對微震事件在采場空間內的分布特征進行了分析，如圖 6所示。可以發現，在陷落柱影響區域內有一定數量的微震事件發生，通過陷落柱后微震事件數量也顯著增加。微震事件在陷落柱波及區內的縱向深度大于其余空間，存在涌水的可能。同時，可以看出回采煤壁附近微震事件數量相對較少，而在遠離11916工作面煤壁處的臨近區域內卻有明顯的微震事件聚集特征，造成該現象的原因是：微震監測系統的監測范圍廣，將臨近采場采掘作業擾動巖層而誘發的巖石破裂信號采集，因而在采場內微震事件出現了沿外側巷道的線性分布特征。因此，在進行底板導水通道分析時，將微震事件進行了篩選，剔除了遠場的采動擾動信號，僅對工作面及其近場區內的微震事件進行分析。

結合微震數據分布特征，將采場劃分為25×110個網格，計算得到在不同深度內的工作面能量密度云圖，如圖 7所示。在忽略其他擾動的前提下，可以發現在淺部位置的采場內高能量密度區主要分為兩個區，其中Ⅰ區為陷落柱影響區，該區內最大能量密度集中在陷落柱波及區邊緣，并向兩側延伸擴展； Ⅱ區為工作面巷道側的集中區，該區內的最大能量密度集中在巷道圍巖內。而更深部層位也可劃分為兩個區，其中Ⅳ區與淺部的Ⅱ區位置相一致，但是Ⅳ區的能量密度較小，不存在貫通趨勢，誘發涌水的可能性較小； 而深部的Ⅲ區向陷落柱核心區延伸，并存在向陷落柱波及區邊界一側擴展的趨勢。則深部陷落柱核心區內的巖石出現較大程度的損傷破壞，且與淺部的圍巖波及區內的較大損傷區極易誘發自深部層位向上發展的巖石破裂貫通，高密度Ⅰ區與高密度Ⅲ區存在自陷落柱核心區向工作面內擴展裂縫的趨勢，則受陷落柱導水影響極易引發工作面涌水。

4.2 承壓水底板破壞連通度表征

對于受底板承壓水威脅的采場，導水裂縫在縱向內的延伸反映了誘發突(涌)水的危險性，且存在地質構造的區域誘發涌水的概率較大。因此，在進行連通度分析時，首先以縱向深度為基礎參考值。以所監測得到的微震事件參數為基礎，且根據式(3)以及式(4)、式(5)，經過計算發現微震事件的視體積半徑均小于震源半徑，考慮到微震監測特性及其有效性，在取衰減系數為1(忽略衰減)條件下，選擇依據震源半徑交集情況分別計算深度方向內各個微震事件之間的連通度，其中圍繞陷落柱區域的8組典型空間的連通度分布情況如圖 8所示。可以看出，工作面內不同截面內的連通度分布趨勢與能量密度云圖分布一致。較大的連通度主要分布在陷落柱之后的采場區域內，同時，陷落柱所在區域內的3個云圖進行細化研究發現，受陷落柱導水影響，在最低連通計算狀態下陷落柱所在區域已形成了3組潛在的導水區域，且較大的連通度分布在陷落柱核心區一側，表明陷落柱核心區受回采影響較大，陷落柱的核心部位及臨近圍巖發生了較大的擾動破壞。同時采動應力造成了巖石破裂向上擴展裂縫，工作面內存在陷落柱誘發的涌水現象。

圖 7 底板能量密度云圖(回采工作面俯視圖)Fig. 7 Cloud chart of floor energy density(top view of working face) a. 淺部(-125～-100m)能量密度云圖； b. 深部(-150～-125m)能量密度云圖

圖 8 底板連通度分布特征Fig. 8 Distribution characteristics of floor connectivity

圖 9 陷落柱區域導水通道分布Fig. 9 Distribution of water pathways in collapse column area

4.3 導水裂隙分布特征

根據采場內微震事件、能量密度分布特征及底板巖層的連通度分布規律，依據誘導成縫下的最大連通度原則，判識得到在陷落柱圍巖區域內的裂縫分布特征，如圖 9所示。研究發現，在選定區域內主要形成了5條貫通型潛在導水裂縫(通道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ)。其中：通道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ與陷落柱存在直接聯系，潛在通道Ⅰ自陷落柱波及區一側向巷道一側及工作面內擴展，并與工作面內的裂縫網存在連通可能性； 而潛在通道Ⅲ則自陷落柱波及其的另一側向工作面內擴展，并同時與工作面內的縫網實現了連通，形成了類環型裂縫分布； 潛在通道Ⅱ自陷落柱核心區向工作面內擴展，同時與通道Ⅰ、Ⅲ存在進一步連通可能性。而通道Ⅳ、Ⅴ與陷落柱存在間接聯系，其中通道Ⅳ分布在巷道一側，其深部破裂點與陷落柱波及區以及通道Ⅱ相近，存在進一步溝通的可能性； 通道Ⅴ貫穿工作面呈線狀分布，部分破裂點在外巷道側與通道Ⅲ相近，存在進一步溝通的可能性。因此，根據陷落柱分布特征，通道Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ是誘發工作面涌水的關鍵導水裂縫，其中水流自通道Ⅱ向巷道及工作面內流動的可能性極大。

綜上所述，通過能量密度以及連通度分析方法得到工作面陷落柱所在區域內存在導水裂縫，其誘因是回采擾動陷落柱及其圍巖發生破壞，誘發深部陷落柱核心區破裂向上擴展并偏轉至巷道及工作面所在層位。實現導水流動而發揮主導優勢的裂縫數量在1～3條之間，其余裂縫均呈間接導通特征。

4.4 現場驗證

如圖 5所示，在11916工作面部署了視電阻率監測系統，對底板富水性及其變化情況進行監測，如圖 10所示，從監測數據分析，底板以下20m范圍內視電阻率值一直較高，說明底板水導升高度變化不明顯。

圖 10 9月4日底板視電阻率水平剖面Fig. 10 Horizontal section of apparent resistivity of floor on September 4

從圖 11可知，在運料巷35號電極附近底板下，從9月9日開始低阻異常區域逐漸變大， 9月10日達到最大，同時在運料巷35號電極附近底板出水，水量不大，約2m3·h-1，隨著工作面的推進，水量逐漸減少，直到14日停止出水， 14日的電阻率數據反映該區域重新變成高阻區域。

結合圖 7、圖8、圖9、圖11、圖12發現，圖 8、圖9中底板破裂較深位置處的裂隙已經貫通，可能已經與本灰含水層導通，并且從圖 11、圖12中的低阻異常區隨時間不斷從下向上的發育過程驗證了該處裂隙已經形成導水通道，結合圖 9可以看出，底板裂隙發育較深的區域正是視電阻率異常體發育之處，推測陷落柱殘余水通過該通道進入運料巷，引起該處底板出水。

圖 11 35號電極9月8～14日底板視電阻率垂直剖面Fig. 11 Vertical profile of apparent resistivity of No.35 electrode from September 8 to 14

圖 12 9月10日底板下方20m電阻率平面分布圖Fig. 12 Plane distribution of resistivity 20m below the floor on September 10

5 結 論

(1)微震監測技術能夠有效識別采動過程中巖層破裂狀況，基于所獲取的震源參數可以實現對底板裂縫擴展及導水通道的識別，提出了以微震能量密度識別裂縫擴展區域、以連通度分析底板微破裂演化成宏觀裂縫的方法，并從理論上分析了其可行性。

(2)以葛泉礦東井11916工作面受陷落柱影響的承壓水底板突水監測為工程背景，構建了微震監測系統，得到了微震事件在采場內的分布特征，通過計算確定了陷落柱區域所存在的高能量密度分區及自深部陷落柱核心區向淺部波及區的擴展范圍。

(3)以連通度表征工作面在縱向陷落柱區域內所存在的潛在導水通道，與能量密度分布規律相吻合，并通過連通路徑反演得到11916工作面內陷落柱區域存在1～3條主導裂縫，通過連續電法監測結果驗證了本文技術方法的可行性與有效性。