井-孔聯(lián)合微震技術(shù)在工作面監(jiān)測中的應(yīng)用

閆文超，崔偉雄，段建華，叢 琳，藺兌波

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710077）

一次能源消費中煤炭依然作為主要的能源。隨著淺部可開采的煤炭資源枯竭，煤炭開采逐漸向深部推進，然而開采深部煤炭資源將伴隨著更復(fù)雜、更嚴峻的地質(zhì)情況，面臨更多的地質(zhì)災(zāi)害的威脅[1-4]。華北地區(qū)是我國產(chǎn)煤的主要地區(qū)之一，水害是該地區(qū)的主要威脅之一，當開采深部煤炭資源時，會改變巖層的應(yīng)力狀態(tài)，造成底板隔水層的損壞，一旦到達臨界應(yīng)力狀態(tài)就會導(dǎo)致嚴重的水害事故。掌握開采過程中巖石的破壞特征以及煤層底板的破壞情況，對安全高效開采深部煤炭資源有重要的意義[5-9]。

當前，評價采煤過程中底板突水的方法主要有2 類，一類為靜態(tài)評價方法，例如利用數(shù)值模擬進行分析、地質(zhì)評價法，該方法的最大不足之處是非直接性驗證、缺乏準確性、不能實時監(jiān)測預(yù)報；另一類為現(xiàn)場測量方法，利用鉆探方法去直接進行驗證、利用電法和電磁法進行驗證等；鉆探驗證的方法相對滯后并且增加工程成本、效率低下；電法和電磁法不能直接獲取底板的破壞深度。以上方法不能直接對導(dǎo)水通道進行探測，也不能實時監(jiān)測巖層的破裂失穩(wěn)過程和活化規(guī)律[10-12]。

微震監(jiān)測技術(shù)作為一種巖石破裂微地震監(jiān)測技術(shù)，相對于以上方法，解決此類問題是比較成熟的，微震監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測開采過程中巖石應(yīng)力的變化情況，反應(yīng)比較直接，能直接對破裂點進行定位，測量精度高，可對導(dǎo)水通道的“動態(tài)”破裂過程和活化規(guī)律進行實時監(jiān)測[13-17]。

1 礦井概況

冀中能源葛泉東井礦核定生產(chǎn)能力90 萬t/a。礦井開拓方式為一對立井開拓，采用走向長壁工作面布置方式，綜合機械化開采，頂板管理為全部垮落法。葛泉東井開采下組煤（即：7#、9#煤），井下主要大巷標高為-150 m。9#煤位于太原組下部，全井田穩(wěn)定可采，在井田大部分區(qū)域與8#煤合并，總厚度6.78 m 左右。9#煤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含3-6 層厚度不等的夾矸，煤層的上方有2.77 m 厚的隔水層，下方有20.89 m 的隔水層，9#煤層至奧灰頂面的隔水層厚達35～55 m，一般在40 m 以上。11916 工作面位于一采區(qū)軌道上山右側(cè)，11915 工作面采空區(qū)與東翼運輸大巷之間，走向長度1 024 m、傾斜寬67 m。礦方對于開采過程中煤層底板隔水性能、裂隙發(fā)育程度等情況沒有實時的驗證手段，為了實時了解上述情況，通過井-孔聯(lián)合微震技術(shù)實時監(jiān)測11916 工作面開采過程中底板的變化情況，為安全高效開采提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)

常規(guī)的微震監(jiān)測技術(shù)在煤礦的測點布置是要求“空間包裹”，實現(xiàn)內(nèi)場定位的，尤其是沖擊地壓礦井，參與定位通道數(shù)量要求不少于6 個，工作面巷道內(nèi)的拾震器（檢波器）與大巷（上下山）內(nèi)的拾震器（檢波器）可以實現(xiàn)聯(lián)合定位。存在定位誤差較大、監(jiān)測精度低等問題。井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)在進行傳感器布置時，不僅在工作面巷道布置傳感器，而且在測區(qū)周圍打一定數(shù)量、一定深度的鉆孔用來布置傳感器，對整個測區(qū)形成包圍；很大程度上提高了定位精度，滿足煤礦監(jiān)測的要求。

井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)相對于傳統(tǒng)微震技術(shù)在觀測方式上進行了創(chuàng)新。主要的不同之處，不僅在工作面巷道布置檢波器，而且在工作面打一定深度特定角度的鉆孔，將檢波器布置在鉆孔底部，用泥漿封孔；這種觀測方式能提取到更多的有效信號，減少巷道的干擾；井-孔聯(lián)合觀測方式能夠更加準確地采集到工作面在采掘過程中的微地震信號，從而對產(chǎn)生的地震信號進行定位，獲取異常信息。該技術(shù)監(jiān)測精度高，能夠?qū)崟r、長期、立體監(jiān)測微震事件。井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測示意圖如圖1。

圖1 井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測示意圖Fig.1 Schematic diagram of mine-hole joint micro-seismic monitoring

3 現(xiàn)場應(yīng)用

為了實現(xiàn)在采掘過程中對危險異常的實時監(jiān)測，采用中煤科工集團西安研究院有限公司生產(chǎn)的KJ959 煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)。KJ959 煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)由地面部分和井下部分組成，地面系統(tǒng)主要是主機及處理系統(tǒng)，井下部分是由采集系統(tǒng)及檢波器組成，KJ959 微震監(jiān)測系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 KJ959 微震監(jiān)測系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)Fig.2 Composition and structure of KJ959 micro-seismic monitoring system

3.1 監(jiān)測點布置方案

采用井-孔聯(lián)合的方式進行監(jiān)測，就是在工作面巷道和鉆孔中共同布置微震檢波器，目的是讓檢波器對整個測區(qū)形成包圍。具體的井-孔微震監(jiān)測觀測系統(tǒng)圖如圖3。

圖3 井-孔微震監(jiān)測觀測系統(tǒng)圖Fig.3 Well-hole micro-seismic monitoring and observation system diagram

11916 工作面兩巷道分別為運料巷和東翼運輸巷，在2 個巷道分別布置檢波器，檢波器都在底板進行布置，有深孔測點、底板錨桿布置測點；其中在11916 運料巷布置微震檢波器20 個測點，點距50 m，深孔檢波器的點號為24、27、29、31、34、37，鉆孔孔深30 m；東翼運輸巷布置微震檢波器22 個測點，點距50 m，深孔檢波器的點號為2、6、8、10、12、15、22，鉆孔孔深40 m。每臺分站監(jiān)測6 道，監(jiān)測站分別布置在11916 運料巷42 號監(jiān)測點以外100 m 的側(cè)幫和東翼運輸巷22 號監(jiān)測點以外100 m 的硐室內(nèi)，監(jiān)測工作面長度1 000 m。

3.2 精度定位

為了保證微震監(jiān)測的定位精度，在安裝完成整個系統(tǒng)之后利用放標定炮的方式對整個監(jiān)測系統(tǒng)進行精度標定。本次標定炮的藥量為200 g ，標定炮孔深在1.5 m。在11916 運料巷的626 號測點（礦方的精確測點）向外20.4 m、622 號測點向前40 m，中間巷的633 測點退1.4 m、627 號測點前5.4 m 處各放1 炮，記錄放炮后采集到的波形，并分析放炮產(chǎn)生的地震波在巖層中傳播的速度。根據(jù)得到的速度對放炮的位置進行計算，得到監(jiān)測系統(tǒng)定位位置和真實位置之間的誤差，誤差為3.6 m，此次的定位誤差包含垂直定位誤差；定位精度能夠滿足此次的工程定位誤差精度需求。

3.3 滾動監(jiān)測

采用滾動監(jiān)測的方式。每臺監(jiān)測分站同時監(jiān)測6 道測點數(shù)據(jù)，根據(jù)礦方的采掘進度，需要人為地去換監(jiān)測點位，保證監(jiān)測站的監(jiān)測道數(shù)一直為6 道；第1 次監(jiān)測工作面兩巷的監(jiān)測點位分別為1～6 和23～28，當采掘位置蓋過監(jiān)測點1 和23 時就將后面的7和29 號監(jiān)測點接入觀測系統(tǒng);經(jīng)過多次的滾動就可以實現(xiàn)對整個11916 工作面的全部監(jiān)測。

4 監(jiān)測結(jié)果

統(tǒng)計了2019 年7 月1 日到2019 年12 月31 日的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，在此期間共探測到有效微震事件4 273 個。其中最大能量為7.36 MJ，最小能量為0.1 J，由監(jiān)測數(shù)據(jù)分析計算可知1 000 J 以下的事件占比90.2%，1 000 J 以上的事件個數(shù)占9.8%。1 000 J能量以下的微震事件占大對數(shù)，且100 J 以下的能量居多，均視為危害較小的能量事件。井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測可以有效監(jiān)測到不同區(qū)間能量范圍的事件，滿足現(xiàn)場監(jiān)測要求。

由微震事件垂向分布可以看出，微震事件分布于煤層及其上下20 m 的區(qū)域，有少量分布于邊界以外的區(qū)域，在130～220 m 內(nèi)較零散的分布。

整個微震監(jiān)測期間內(nèi)，除去信噪比較差、定位誤差較大的時間后，剩余的事件底板為1 529 個，占總事件個數(shù)的36%；頂板事件為2 744 個，占總事件的64%。經(jīng)過對數(shù)據(jù)的分析處理可以得出在頂?shù)装逦⒄鹗录诓煌瑯烁叩氖录?shù)量，從而為判斷整體的頂?shù)装迤茐纳疃忍峁?shù)據(jù)支撐。底板微震事件標高柱狀圖如圖4。頂板事件標高圖如圖5。

圖4 底板微震事件標高柱狀圖Fig.4 Histogram of elevation of micro-seismic events on floor

圖5 頂板事件標高圖Fig.5 Roof events elevation diagram

由圖4 可以看出，0～30 m 范圍的微震事件占大多數(shù)，主要的微震事件在標高0～10 m 區(qū)間，可以得出底板的破壞深度在底板以下20 m 以內(nèi)。

由圖5 可以看出，0～100 m 范圍的微震事件占大多數(shù)，主要的微震事件在標高0～50 m 區(qū)間，可以得出頂板裂隙的發(fā)育高度在頂板以上100 m 的范圍內(nèi)。

5 結(jié) 語

1）在冀中能源葛泉東井礦11916 工作面回采過程中，采用井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測的底板破壞深度為20 m，監(jiān)測的頂板裂隙發(fā)育高度在100 m的范圍內(nèi)，與礦方其他監(jiān)測手段監(jiān)測的結(jié)果基本吻合，說明井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)能夠監(jiān)測頂?shù)装宓那闆r，而且精度能夠滿足防治水的要求。

2）井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測系統(tǒng)可以與其他監(jiān)測手段結(jié)合應(yīng)用，形成對工作面全方位監(jiān)測，擴大其應(yīng)用范圍。

3）井-孔聯(lián)合微震技術(shù)的傳感器是縱波傳感器垂直安裝時接收效果最佳，但是井下底板垂直孔的施工難度很大，后續(xù)應(yīng)在定位方法中針對該問題開展研究。