底板突水預警系統在受底板奧灰水威脅工作面中的應用

段元帥

（山東萬祥礦業有限公司，山東 濟南 271107）

潘西煤礦開采19 煤層時，礦井充水條件比較復雜，井下鉆孔揭露徐、草灰皆無水，但工作面回采過程中發生底板徐、草灰突水，最終水源為奧灰。隨著礦井不斷延深，奧灰水壓也隨之增加，奧灰突水一次突水量呈現不斷增大的趨勢，而且涌水不斷向下部轉移集中于深部水平，增加了深部水平排水負擔和安全帶壓開采的難度。

1 工程概況

1.1 實施內容

（1）結合潘西煤礦6199 工作面水文地質條件，建立底板水害微震監測和預警系統，實現數據采集、傳輸、處理、解釋與信息分類識別和水害水情預警預報功能以及適用于潘西煤礦6199 工作面底板水害微震監測數據的處理、解釋與信息分類識別、水害水情預警預報功能的應用系統，形成潘西煤礦6199 工作面水害微震監測預警技術體系。

（2）通過在井下強干擾環境下的微震有效信號接收與識別、微震事件空間定位及時-空演變規律，查明監測區域內的隱伏導水通道以及隱伏構造采動活化情況等，實現對潘西煤礦6199 工作面底板下灰巖水、帶壓注漿注水和采掘擾動等產生的底板破壞、裂隙等位置、方向、發展演化和充水及強度變化過程的監測預警。

（3）通過對潘西煤礦6199 工作面底板水害威脅程度的監測，研究底板有效隔水層厚度，建立從所有監測采集和處理的信息中解釋、識別出關于水害水情的信息及不同危險性等級、應急處理的預警預報標準，以形成礦井水害微震監測預警技術體系，建立水害水情分類識別方法、分級預警標準以及合理確定深部安全開采突水系數。

1.2 實施目標

結合潘西煤礦6199 工作面水文地質條件，研究和建立適用于其回采工作面底板灰巖水害微震監測和預警系統，監測和預報回采期間底板導水通道發育和水力聯系變化情況，保障礦井安全生產。

1.3 實施路線

（1）根據項目技術需求，結合潘西煤礦6199工作面水文地質條件，構建潘西煤礦6199 工作面水害微震監測預警系統，包括數據采集系統布置方式、傳感器組合模式、數據處理解釋工作站以及微震監測數據處理、解釋與信息分類識別、水害水情預警預報等。

（2）根據潘西煤礦6199 工作面微震事件時-空分布特征及4D 成像結果，結合注漿加固、放水等主動誘發事件，評價監測區域內的隱伏導水通道動態演化以及隱伏構造采動活化情況，評價突水危險性。實現對潘西煤礦6199 工作面底板下灰巖水、帶壓注漿注水和采掘擾動等產生的底板破壞、裂隙等位置、方向、發展演化和充水及強度變化過程的監測預警。

（3）通過對潘西煤礦6199 工作面底板水害威脅程度的監測，研究底板有效隔水層厚度，建立從所有監測采集和處理的信息中解釋、識別出關于水害水情的信息及不同危險性等級、應急處理的預警預報標準，以形成礦井水害微震監測預警技術體系，建立水害水情分類識別方法、分級預警標準以及合理確定深部安全開采突水系數。

2 6199 工作面底板水害微震監測方案

2.1 微震臺網設計

（1）礦井煤層工作面在回采的過程中，煤層底板受破壞影響較大，破壞垂直深度約10～20 m。潘西煤礦6199 回采工作面受煤層底板起伏變化和斷層影響，會造成工作面回采期間局部破底，有突涌水危險。

（2）根據潘西煤礦6199 工作面走向長度，本次設計使用1 套12 通道微震監測系統進行底板突涌水監測，包括：2 臺6 通道KJ648（B）-Z 微震監測分站以及20 支GZC5 微震傳感器。其中微震監測分站通過礦上環網，建立潘西煤礦水害微震監測預警系統。

（3）潘西煤礦6199 工作面底板突水動態微震監測中，分別在-740 m 后六下部集中運輸巷（包括-740 m 后六下部運輸上山）和6199 上巷（包括外延段以及部分6198 運輸巷貫通段）布設微震監測點，監測點間距約100 m。其中-740 m 后六下部集中運輸巷第一個微震監測點安置在距切眼約60 m，6199上巷第一個微震監測點安置在距切眼約120 m。臺網監測點布設如圖1（黑色圈表征微震監測點）。

2.2 系統聯調及地震波速標定

6199 工作面底板突水動態微震監測系統安裝完成后，進行系統聯調及地震波速標定。在礦井內放標定炮，記錄放炮時間和地點，以便計算、校驗地層地震波速，并在監測過程中進行日常校驗檢查。

通過放炮的方法標定地震波在巖層中的傳播速度，一共需放4 炮（根據實際工況進行設計）。為了減少測量工作量，放炮的位置選擇在測點附近，炮點在測點附近的巷道側幫上，孔深4.5 m，藥量100 g，采用瞬時雷管引爆，如圖2。

圖2 標定炮炮孔裝藥示意圖（m）

3 數據處理分析

3.1 定位方法

網格法是Alder 和Wainwright 提出的一種方法，具有簡單、快速的特點，能夠快速確定真解的大概位置。基本思想是把模型空間劃分成規則的網格，其次在模型空間按較粗網格進行快速搜索，得到誤差分布，然后基于Gaussian 誤差分布假設，對全局最小區域進行加密搜索，通過多次加密得到全局最小值，即地震事件，并得到定位誤差，如圖3。

圖3 網格搜索法原理圖

3.2 背景噪聲分析

微震監測臺網附近環境噪聲對于臺站接收巖體變形產生的微震信號的能力有舉足輕重的影響。

煤層底板突水動態微震監測系統記錄到的環境噪聲波形，監測區域內臺站環境噪聲水平為E-05。據以往微震施工經驗可知，對于煤層回采擾動引起的底板隔水層巖體破裂產生的微震信號來說，E-05監測環境噪聲屬于一個相對較低的噪聲水平，能夠有效地記錄微弱的巖石破裂微震信號，如圖4。

圖4 煤層底板突水微震監測現場背景噪聲水平分布圖

3.3 地質模型建立

根據6199 回采工作面監測區域地質資料及利用爆破信號，通過傳感器進行信號接收，進行地層速度校正，并最終確定監測區域的地層速度模型如圖5。

圖5 煤層底板突水微震監測現場背景噪聲水平分布圖

4 監測數據成果

4.1 微震與電法監測關聯

微震監測通過KJ648（B）-Z 微震監測分站以及20 支GZC5 微震傳感器。將監測數據傳輸到地面數據處理中心，進行分析處理，確定能量事件點。將能量事件點與電阻率異常成果圖比對，是否重疊，從而確定是否有導水通道，實現突水預警。

4.2 電法監測數據說明

（1）電阻率監測任務為監測工作面回采期間底板巖層電阻率的變化規律，預警底板導水通道的發育。監測系統在運輸巷布置37 根傳感器，在回風巷布置31 根傳感器，傳感器間距20 m，布置位置如圖6。

（2）電阻率監測成果為工作面底板下0～100 m的視電阻率分布，一般情況下，在地層層位分布穩定、巖性相對均一的情況下，電性分布穩定，視電阻率等值線分布均勻、變化平緩，若存在含導水構造情況下的電性均勻分布規律被打破，反映在圖上為視電阻率值變小，視電阻率等值線扭曲、變形為圈閉或呈密集條帶狀等。

（3）純異常成果圖為當日監測成果與上一日監測成果的視電阻率差值，用以描述工作面電阻率的變化。純異常切片層位為底板下50 m，該層位距離底板破碎帶和奧灰層位均較遠，應力變化和靜態水的變化不大，干擾因素比較少，異常變化主要是水引起，故作為重點監測層位。

4.3 微震監測數據說明

8月9日監測到工作面微震事件1個，能量261 J，位于6199 工作面上出口以東200 m 左右，煤層底板下30 m 左右,巖性為六灰。微震事件能量較弱，未監測到工作面底板的微震事件與電阻率監測異常重疊，電阻率監測成果未發現采動過程中導水通道的發育。如圖8。

4.4 監測數據分析

（1）以8 月9 日監測數據為例，從成果圖可以看出，8月9日工作面監測區域內電阻率值較均一，沒有出現明顯的低阻異常區。如圖7。

（2）從8 月9 日純異常平面圖可以看出，相比前一日視電阻率變化幅值在±10%以內，在工作面沒有明顯的低阻異常區，在回采推進前方未發現其他明顯變化大的低阻異常區。

圖6 工作面底板下50 m 切片視電阻率平面圖

圖7 工作面底板下50 m 切片視電阻率純異常平面圖

圖8 微震事件點分布圖

5 結語

通過在6199 工作面兩順槽建立微震監測系統，對微震信號進行采集、分析，精確地計算出微裂隙的破壞位置、能量以及可能影響的區域，實時監測采動過程中工作面底板含水層破裂引起的微震信號，超前分析底板破壞帶發育情況，分析微震事件的空間展布，監測斷層活化情況，及時發布微震預警信息，實現水害實時監測預警。