微震監(jiān)測(cè)技術(shù)在煤礦底板突水預(yù)警中的應(yīng)用

王曦韡 張日宇

（中煤華晉集團(tuán)有限公司，山西 河津 043300）

為保障中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X煤礦安全生產(chǎn)，指導(dǎo)工作面底板水害防治，在王家?guī)X煤礦建立微震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并將預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及防治技術(shù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)融合應(yīng)用，形成礦井水害及頂板穩(wěn)定性微震監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)體系[1-2]。

1 煤層底板突水動(dòng)態(tài)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 靶區(qū)選取

王家?guī)X礦井下123 盤區(qū)奧灰承壓區(qū)12313 回采工作面受底板水害威脅。根據(jù)以往煤礦工作面回采監(jiān)測(cè)案例及現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果，煤層底板受破壞影響較大，破壞垂直深度約10 m 多。12313 回采工作面底板為奧灰含水層，2#煤層底板隔水層厚度58.25～113.05 m 之間，平均厚度85.65 m。考慮到回采破壞影響，以12313 回采工作面為靶區(qū)，利用微震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)工作面底板奧灰水進(jìn)行防治水監(jiān)測(cè)。

1.2 觀測(cè)系統(tǒng)

1.2.1 臺(tái)網(wǎng)布設(shè)

12313 回采工作面底板突水動(dòng)態(tài)微震監(jiān)測(cè)，一次覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域800 m，將煤層回采破壞范圍覆蓋且往聯(lián)絡(luò)巷方向延伸（600 m），通過對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行倒樁，平移整個(gè)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)12313 工作面回采煤層底板突水監(jiān)測(cè)。

布設(shè)一套24 通道微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分為2 個(gè)12通道微震監(jiān)測(cè)分站，每個(gè)微震監(jiān)測(cè)分站連接1 支三軸微震傳感器、9 支單軸微震傳感器，共安裝20 支微震傳感器。基于防治水監(jiān)測(cè)需要（微震信號(hào)弱），微震傳感器間距約90 m。

12313 工作面膠帶巷、回風(fēng)巷各布設(shè)1 臺(tái)微震監(jiān)測(cè)分站及1 支三軸微震傳感器、9 支單軸微震傳感器。基于王家?guī)X礦12313 工作面地質(zhì)條件及現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果，微震傳感器沿煤層走向方向和深度方向呈交錯(cuò)布置，布置于膠帶巷和回風(fēng)巷的非開采幫，微震傳感器間距約90 m，共覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域沿煤層走向長(zhǎng)810 m。底板突水動(dòng)態(tài)微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)如圖1。

圖1 底板突水動(dòng)態(tài)微震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)布設(shè)圖

1.2.2 傳感器安裝

（1）確定鉆孔孔口坐標(biāo)。根據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)場(chǎng)確定微震傳感器的安裝位置即鉆孔孔口坐標(biāo)，均分布于12313 工作面膠帶巷和回風(fēng)巷的非開采幫。

（2）確定鉆孔的孔徑。根據(jù)所采用的單軸微震傳感器的尺寸（直徑30 mm）、三軸微震傳感器的尺寸（直徑50 mm），確定保護(hù)套管規(guī)格選取直徑70 mm，鉆孔直徑大于80 mm。

（3）確定鉆孔與垂直方向和巷道走向的夾角。布置鉆孔與垂直方向和巷道走向有一定的夾角，分別為30°至60°之間以及-45°至45°之間，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定。

（4）確定鉆孔的孔深。煤層底板距離下伏粉砂巖約為2.91 m，根據(jù)鉆孔與垂直方向夾角，設(shè)計(jì)鉆孔深度約4.5 m，如圖2。

圖2 底板突水動(dòng)態(tài)微震監(jiān)測(cè)微震鉆孔示意圖？

（5）微震傳感器安裝。首先，將傳感器前端的螺旋孔里旋轉(zhuǎn)進(jìn)匹配的螺絲；然后，將螺絲鉆孔放入含水泥錨固劑的紙杯中；再次，利用微震傳感器安裝桿固定住傳感器尾端，連帶拼接在一起的紙杯迅速推進(jìn)到孔底，等至水泥錨固劑干硬后，拔出微震傳感器安裝桿。

1.2.3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及地震波速標(biāo)定

系統(tǒng)安裝完成后，需進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)及地震波速標(biāo)定。具體施工方法：首先在監(jiān)測(cè)區(qū)域選取多個(gè)敲擊實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，如微震監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近約20 m、10 m 處的煤層壁幫和頂部；然后使用大錘結(jié)合金屬底板進(jìn)行敲擊實(shí)驗(yàn)，每個(gè)敲擊點(diǎn)錘擊10 次，記錄下敲擊時(shí)間；最后根據(jù)敲擊實(shí)驗(yàn)波的到時(shí)與敲擊點(diǎn)到傳感器的距離，計(jì)算地震波傳播速度，綜合統(tǒng)計(jì)多個(gè)敲擊實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的測(cè)試結(jié)果，獲得微震處理時(shí)使用的地震波速。

2 12313 回采工作面底板水害微震監(jiān)測(cè)分析

對(duì)12313 工作面2020 年08 月12 日至2021 年04 月09 日回采期間2#煤底板下伏煤巖體的微震事件進(jìn)行處理。

2.1 底板破壞時(shí)間域分析

對(duì)2#煤底板下伏煤巖體的微震事件處理結(jié)果進(jìn)行時(shí)間域分析，如圖3。

圖3 2#煤底板下伏煤巖體月度微震事件數(shù)量柱狀圖

（1）12313 回采工作面2 煤底板下伏煤巖體共監(jiān)測(cè)到微震事件4781 個(gè)。

（2）月度微震事件總數(shù)整體呈現(xiàn)先上升后平緩下降的趨勢(shì)，在11 月底板微震事件數(shù)達(dá)到最大，可能與回采進(jìn)度有關(guān)。11 月后每月微震事件數(shù)減少，表明回采活動(dòng)對(duì)2 煤底板的采動(dòng)破壞處于平穩(wěn)狀態(tài)。

2.2 底板破壞能量分析

對(duì)回采期間2#煤底板下伏煤巖體的微震事件進(jìn)行能量分析，底板最大微震事件能量為8 679.60 J。0～100 J、100～500 J、500～1000 J、1000～5000 J、大于5000 J 的微震事件比例分別為76.65%、15.85%、3.00%、4.15%、0.35%。有3/4 以上的微震事件其釋放的能量在0～100 J 之間，15.85%的微震事件釋放的能量在100～500 J 之間，500 J 以上的事件較少，分析微震事件主要由回采期間對(duì)底板圍巖造成的擾動(dòng)所產(chǎn)生的。

2.3 底板破壞空間域分析

對(duì)2 煤底板下伏煤巖體的微震事件進(jìn)行空間分析。從數(shù)據(jù)可知，2 煤底板下伏煤巖體的微震事件隨著煤層回采線不斷推進(jìn)也在向前進(jìn)行移動(dòng)。破壞區(qū)域主要為工作面范圍內(nèi)的回采線前方，其中斷層處出現(xiàn)了明顯的事件積聚，現(xiàn)場(chǎng)斷層處發(fā)生的微破裂明顯高于其他圍巖體處。

根據(jù)微震事件定位結(jié)果，12313 回采工作面生產(chǎn)期間底板影響深度見表1。根據(jù)底板圍巖影響變化圖可見底板影響深度逐漸降低，剛開始回采對(duì)底板的擾動(dòng)較大，隨著回采的進(jìn)行，底板趨于穩(wěn)定，影響深度總體減小，底板影響區(qū)域隨著回采接近尾聲達(dá)到最小值，如圖4。

表1 12313 回采工作面生產(chǎn)期間底板影響深度表

圖4 12313 回采工作面生產(chǎn)期間底板影響深度圖

3 雙差層析成像分析

通 過 對(duì)12313 工 作 面2020 年10 月01 日 至2021 年03 月31 日回采期間高程530 m 處的區(qū)域進(jìn)行雙差層析定位與成像結(jié)果分析，共圈定出8 個(gè)異常區(qū)域。

（1）1 號(hào)區(qū)域以X=37 470 418.123 5，Y=3 969 238.100 0 為中心，影響半徑約25 m。該區(qū)域約從高程450 m 開始發(fā)育，隨著高程增加，其受采動(dòng)影響的范圍和受破壞強(qiáng)度在一直增大，至高程550 m處達(dá)到最大，然后隨著高程增加，其受采動(dòng)影響的范圍和受破壞強(qiáng)度在減小，至高程600 m 處降到最低。因此判斷出1 號(hào)區(qū)域?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)底板三號(hào)異常區(qū)域產(chǎn)生擾動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)力集中，影響高度為450～600 m。

（2）2 號(hào)區(qū)域以X=37 470 488.935 4，Y=3 969 500.000 0 為中心，影響半徑約為90 m。該區(qū)域約從高程450 m 開始發(fā)育，隨著高程增加，其受采動(dòng)影響的范圍和受破壞強(qiáng)度在一直增大，至高程530 m 處達(dá)到最大，然后隨著高程的增加，其受采動(dòng)影響的范圍和受破壞強(qiáng)度在減小，至高程600 m 處降到最低。因此，判斷出2 號(hào)區(qū)域?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)開采活動(dòng)對(duì)頂板四號(hào)異常區(qū)域產(chǎn)生擾動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)力消散。

（3）3 號(hào)區(qū)域以X=37 470 384.234 8，Y=3 969 320.332 9 為中心，左右影響半徑約為300 m，上下影響半徑約為10 m。該區(qū)域約從高程400 m 開始發(fā)育，至高程700 m 發(fā)育完結(jié)。通過分析：3號(hào)區(qū)域?yàn)閿鄬踊罨瘜?dǎo)致產(chǎn)生的影響，影響高度為400～700 m。

（4）4 號(hào)區(qū)域以X=37 470 710.801 1，Y=3 969 496.494 3 為中心，水平影響范圍約為98 m。該區(qū)域約從高程500 m 開始發(fā)育，隨著高程增加，受采動(dòng)影響范圍和受破壞強(qiáng)度在增大，至530 m 處達(dá)最大，然后隨著高程的增加，受采動(dòng)影響范圍和受破壞強(qiáng)度在減小，至550 m 處消失。判斷4 號(hào)區(qū)域?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)開采活動(dòng)對(duì)底板五號(hào)異常區(qū)域產(chǎn)生擾動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)力消散。

（5）5 號(hào)區(qū)域從400～530 m 速度逐漸增大，至530 m 處達(dá)到最大后逐漸減小，表明該區(qū)域巷道所在高程應(yīng)力主要集中在膠巷一側(cè)。

（6）6 號(hào)區(qū)域?yàn)榈退佼惓^(qū)，通過分析該區(qū)域?yàn)樗奶?hào)底板和五號(hào)頂板異常產(chǎn)生擾動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)力消散。

（7）7 號(hào)區(qū)域?yàn)楦咚佼惓^(qū)，從550 m 開始發(fā)育，為回采擾動(dòng)引起的工作面前方頂板應(yīng)力集中。

（8）8 號(hào)區(qū)域從400～700 m 面積逐漸縮小后又逐漸增大，主要是受斷層和回采共同影響，深度上在巷道附近受頂?shù)装瀹惓^(qū)域擾動(dòng)，導(dǎo)致8 號(hào)異常范圍減小。

綜上所述，12313 工作面8 個(gè)異常區(qū)主要為三類異常區(qū)，一是地質(zhì)異常區(qū)：三號(hào)底板異常區(qū)、四號(hào)底板異常區(qū)、五號(hào)底板異常區(qū)、四號(hào)頂板異常區(qū)、五號(hào)頂板異常區(qū)；二是斷層異常區(qū)；三是工作面前方應(yīng)力集中區(qū)。

4 結(jié)語

對(duì)12313 工作面進(jìn)行微震預(yù)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，主要結(jié)論：12313 工作面回采活動(dòng)對(duì)2 煤底板的采動(dòng)破壞處于一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài)；破壞區(qū)域主要為工作面范圍內(nèi)的回采線前方，其中斷層處出現(xiàn)了明顯的事件積聚，表征現(xiàn)場(chǎng)斷層處發(fā)生的微破裂明顯高于其他圍巖體處；有地質(zhì)異常區(qū)、斷層異常區(qū)和工作面前方應(yīng)力集中區(qū)共8 個(gè)異常區(qū)。因此，在12312 回采過程中，要注意過地質(zhì)異常區(qū)和斷層處的應(yīng)力變化防水害的發(fā)生，同時(shí)要注意前方應(yīng)力集中區(qū)，保證生產(chǎn)的安全有序進(jìn)行。