沖擊地壓礦井微震監測技術在防治水中的應用研究

2022-03-19 03:12:54趙森

煤炭與化工 2022年1期

趙森

（陜西彬長大佛寺礦業有限公司，陜西咸陽 713500）

0 引言

煤礦一般生產規模較大，為了有效預防礦井水害的發生，礦井涌水量的預測必不可少，針對礦井涌水量與微震監測數據之間的相關性分析，國內的許多學者進行了大量的研究。微震監測技術是近年來逐漸發展并成功應用起來的一種新的煤礦物探監測技術，通過在大型煤礦井下進行提前施工埋設的大型高靈敏度檢波器自動監測，接收煤巖體破裂可能產生的微小時空震動監測信號，采取專門編碼軟件將這些微震信息自動解碼為有效的各種微震監測信號，通過對各種微震監測事件可能發生的微小時間、位置、頻度、能量等數據分析，進行微小時空運動定位和微小震源運動機制分析研究。司雷采用大量理論數據分析、數值數據采集、現場模擬實踐等多種手段，以大量局部微震引發事件、工作區表面涌動流水量溫度數據為基礎，建立活動工作區局面微震引發事件與活動工作區表面涌動流水量溫度變化反應關系分析模型并進行分析研究，驗證了兩者之間存在一種正常的相關變化關系。楊彥廷通過分析某一煤礦涌水量的預測性及與其他相關影響因素的相關性，提出了某礦井平均涌水量與當地降雨量、產量、開采用地面積等構成密度正比例的關系。

微震監測技術對煤礦企業有著不可或缺的作用，為了更準確地預測礦井涌水量，減少煤礦突水事故，保障煤礦的安全生產，針對暫時尚未有效的預測技術與預報手段，準確預測礦井水害事故等相關問題，結合大佛寺煤礦實際情況，提出了一種利用微震監測技術進行綜放工作面涌水預測預報的方法。本文以大佛寺煤礦40119 工作面為例，結合同一時期的微震監測數據（頻次、能量），分析礦井涌水量與微震數據之間的相關性，結果表明，微震事件數與能量級皆與礦井涌水量呈正相關關系。

1 工作面概況

1.1 地質條件

40119 工作面是401 采區西翼南部第3 個綜采放頂煤工作面。工作面走向1 549 m，傾向200 m，面積309 800 m2，煤層底板標高550—585 m，煤層埋藏深度470 ~ 570 m。地理坐標范圍X：3 878 169.583 ~ 3 879 718.502，Y：36 495 303.831 ~ 36 495 503.831。40118 工作面采空區位于40119 工作面東側，其留設有寬度30 m 的隔水煤柱，西側為實體煤，南側為井田邊界，北側為4 煤西部4 條大巷。

延安組底部4 煤層作為40119 工作面開采煤層，局部區段因為受地質構造的變化影響，節理裂隙較為發育，因此造成了部分煤層相對較為松軟。根據工作面實際揭露及探煤情況，工作面煤層厚度6.2~18.9 m，平均厚度為12.5 m，整體由北向南變薄，平均煤厚12.5 m，屬特厚煤層，煤層傾角0 ～9°，局部含1~2 層夾矸，厚度平均0.2 ~0.3 m，巖性均以泥巖或炭質泥巖為主。

1.2 水文地質特征

（1）上覆巖層水文地質情況。

根據勘探資料，40119 工作面內主要含水層由上到下依次為白堊系下統洛河組砂巖孔隙—裂隙承壓含水巖組、白堊系下統宜君組裂隙承壓含水層、侏羅系中統安定直羅組裂隙承壓含水巖組、侏羅系中統延安組裂隙承壓含水巖組。

根據《大佛寺煤礦地下水對煤礦安全開采影響的研究與分析》報告及實際開采影響情況，40119 工作面回采期間導水裂隙帶會發育至工作面直接充水水源為延安組、直羅組含水層水（單位涌水量較小），對工作面回采影響較小；主要充水水源為洛河—宜君含水層水（單位涌水量較大），是工作面主要涌水，對工作面回采影響較大。

（2）相鄰采空區水文地質情況。

根據礦井實際揭露情況，40119 工作面東側為40118 采空區，在40118 采空區150、560、1 200 m 處為積水區，通過計算累計積水約183 000 m3，采空區積水較大，對工作面影響較大。

2 微震監測原理及監測方案

微震事件是由于礦山局部高應力集中巖體破壞斷裂過程伴生的一種自然現象，由于巖體內部富含眾多天然節理裂隙，具有一定的初始損傷，其在承載能量輸入過程中，不可避免會在裂隙尖端形成應力集中，進而加劇巖體內部應力場分布不均勻，在其動態平衡過程中，繼續時刻保持應力轉移，伴隨裂紋實時擴展。通過裂紋擴展過程的能量釋放，來實現巖體內部整體能量場的動態平衡，而在上述過程中，因巖石的特殊屬性，其在裂隙演化過程中，會發出彈性波，可以有效的被微震傳感器拾取到，進而主動監測巖體內部失穩現象。

2.1 微震監測技術在礦井水害中的應用原理

針對礦山水害的誘發機制，眾多學者認為其根本原因在于采動影響以及礦山壓力作用下的巖體破斷過程為礦井突水形成了天然通道，其中還包括水巖耦合作用。水能弱化巖體，降低巖體承載能力，促使采掘擾動作用下巖體破壞，進一步誘發礦井突水事故。而結合上述分析，巖體破斷是一個循序漸進的過程，裂隙演化過程中發生的彈性波可以被微震拾振器拾取，這為提前預測礦井水害提供理論依據。而微震監測系統另一個優勢在于，可以通過布置合理的監測臺網，對微震事件的發生位置進行精確定位。因此，利用微震監測技術的2 大優點，可以將其推廣到預測礦井水害事故中，對提前預測水害發生的位置以及發生水害的時間進行預測預報，為礦山安全生產做出貢獻。

2.2 微震監測方案

由于大佛寺煤礦受煤層地質條件限制，其ARAMIS M/E 井下微震監測系統臺站均為單煤層近水平布置，40119 工作面在回采期間，微震監測系統主要由布置在順槽內的探頭T15、T16 和拾震器S13、S14 進行監測。其中，每臺拾震器布置在巷道底板水泥臺上，水泥臺用2 根錨桿與底板圍巖緊密接觸，傳感器探頭通過全錨固錨桿垂直安裝在巷道頂板。

圖1 為微震監測系統布置圖，圖中圓點為微震監測系統傳感器。

圖1 微震監測系統布置示意Fig.1 Microseismic monitoring system layout

3 工作面涌水及微震事件統計

3.1 工作面涌水情況

40119 工作面洛河組厚度相對較大（約195 m），且為中等富水性，安定組厚度相對較?。s60 m），煤層與洛河組間距相對較?。s178 m）。工作面上覆含水層較厚、隔水層較薄、煤層與含水層間距較小、煤層較厚，均為工作面涌水因素。40119 工作面回采期間工作面涌水頻次高、涌水量大，工作面共計發生涌水13 次，最大涌水量達到1 300 m3/h。

40119 工作面涌水情況見表1，40119 工作面涌水位置示意如圖2 所示，40119 工作面涌水量變化曲線圖如圖3 所示。

圖3 40119 工作面涌水量變化曲線Fig.3 Water inflow variation curve in 40119 working face

表1 40119 工作面涌水情況Table 1 Water inflow in 40119 working face

圖2 40119 工作面涌水位置示意Fig.2 Water inflow position in 40119 working face

3.2 微震事件監測情況

一般情況下，工作面的推采速度與能量釋放量和釋放頻次成正比例關系，推采速度越快，能量釋放和頻次就越多，工作面的危險程度就越高?，F對40119 工作面回采期間的月度推進距離和能量釋放頻次、釋放能量進行統計，40119 工作面回采期間微震事件頻次能量統計見表2，由于微震事件監測參數較多，為了明確其不同參數與月進尺之間的關系，本文選用2 個比較常用的參數，總頻次和總能量，為了明確兩者之間的關系，繪制出總頻次、總能量分別與月進尺之間的關系，如圖4、圖5 所示，繪制出總頻次與總能量兩者之間的關系圖，如圖6 所示。

表2 40119 工作面回采期間微震事件頻次能量統計Table 2 Statistics of microseismic events frequency and energy in 40119 working face during mining

圖4 40119 工作面月推進度與頻次釋放關系Fig.4 The relationship between monthly advance and frequency release in 40119 working face

圖5 40119 工作面月推進度與能量釋放關系Fig.5 The relationship between monthly advance and energy release in 40119 working face

圖6 40119 工作面能量釋放與頻次關系Fig.6 The relationship between energy release and frequency in 40119 working face

從統計表及40119 工作面月推進度與能量、頻次釋放關系圖可以看出：①工作面釋放能量、頻次基本和工作面推進度呈線性相關關系，即工作面釋放能量、頻次隨著推進度的增大而增大，隨推進度的減小而減??；②工作面能量釋放和頻次呈線性相關關系。

4 工作面涌水量變化與微震數據之間的關系

結合上述理論分析，為了進一步明確40119 工作面涌水量變化與微震數據之間的一致性關系，為合理確定礦井水害微震預測機制，將2020 年1 月1 日—7 月31 日工作面涌水量、微震能量、頻次及日最大能量進行統計，將回采過程中每日涌水量、微震能量、頻次、日最大能量曲線圖匯總如下，分別如圖7~圖9 所示。

圖7 工作面涌水量與微震頻次關系圖Fig.7 The relationship between working face water inflow and microseismic frequency

圖9 工作面涌水量與微震日最大能量關系圖Fig.9 The relationship between working face water inflow and microseismic daily maximum energy

從40119 工作面涌水量、微震能量、頻次、日最大能量曲線圖可以看出，工作面的涌水量的變化跟微震事件有一定關聯。

（1）當工作面涌水量增大時，前1~2 d 微震事件發生較頻繁，能量處于高位。

（2）當工作面面后發生較大能量的微震事件后，24 h 內工作面涌水量會逐步增大，并達到峰值。

（3）當工作面發生較大涌水時，工作面微震事件頻次及能量長時間處于高位，時長達10 d 以上，且工作面會頻繁來壓或持續來壓。

通過以上分析可以得出，工作面回采期間微震事件頻次、能量處于高位，說明頂板煤巖體活動頻繁形成裂隙，裂隙增多會形成導水通道，導致工作面涌水量增加；此外當工作面面后發生大能量微震事件，說明工作面老頂破斷，會直接形成導水通道，導致工作面涌水量激增。

5 結語

在大型礦井水害防治中，微震水害監測技術由于能夠實時、連續進行監測，監測對象范圍較大，具有一定的技術前瞻性，彌補了目前常規礦井突水微震監測水害預警系統技術的不足。通過建立科學、合理安全布置近場和遠場微震立體定位監測信息網絡，結合遠場微震立體定位監測算法，可實時探查采掘煤層頂板通道煤層覆巖體變化活動、導水覆巖通道、突水裂隙通道煤層擴散變化過程，確定覆巖裂隙帶和導水裂隙帶活動高度與煤層位置，連續準確監測導水裂隙帶煤層發育變化過程，識別礦礦導水裂隙通道，有助于實現煤層地下突水通道防治和地震預測災害預報。