秦九天 姜福興 王存文 梁興旺 師克勐

(1.北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院;2.中煤平朔集團有限公司)

微地震監(jiān)測在特厚煤層底板突水評價中的應用

秦九天1姜福興1王存文1梁興旺2師克勐2

(1.北京科技大學 土木與環(huán)境工程學院;2.中煤平朔集團有限公司)

特厚煤層綜放開采對底板擾動大，在底板下方有承壓含水層時，存在原生裂隙導水、采動裂隙導水、構造活化導水等底板突水災害，動態(tài)監(jiān)測底板裂隙的萌生、發(fā)展、貫通直至破壞過程是底板突水災害有效預測、預警的關鍵。以平朔地區(qū)特厚煤層綜放工作面回采過程中底板突水問題為研究背景，在工作面建立了一套自主研發(fā)的高精度微地震監(jiān)測系統，實時獲取采動過程中采場圍巖破裂的三維特征，采用動突水系數法，對該工作面底板突水可能性進行了分析。研究表明：工作面向斜軸部以西90 m突水危險性增大，動突水系數達到峰值，但小于帶壓開采突水危險標準，認為工作面回采期間無突水危險。通過對比，動突水系數峰值位置與底板最大破裂深度位置具有明顯的時空差異，且底板破裂深度峰值超前于動突水系數峰值，為通過底板破裂深度進行突水危險的實時預警提供了依據。

特厚煤層 微地震監(jiān)測 底板突水 動突水系數

底板突水是煤礦主要災害之一，是指當距離煤層較近的底板巖層含有高壓承壓水時，在采動過程中承壓水沿破壞的底板或原生地質缺陷涌入到巷道和工作面形成的災害。早期學者從底板突水機理、評價指標、預測模型等方面開展了大量研究。武強提出了主控指標體系、脆弱性指數、GIS與ANN耦合等新型實用底板突水預測方法[1-3]；彭蘇萍、羅立平將巖性場、應力場與滲流耦合作用機理應用到防治水工程[4]。以上研究為揭示底板突水機理，評價和預測底板突水提供了重要科學依據。

普遍觀點認為：水源、水量和突水通道是底板突水的“三要素”[5]，水源和水量可通過鉆探或物探的方法確定，而突水通道不僅與煤層及底板地質賦存條件相關，還與工作面布置方式、開采強度、頂板管理方式等因素相關，在采動空間內具有動態(tài)變化的特征，很難精確探測。底板巖層受采動影響發(fā)生破裂，削弱了穩(wěn)定隔水層厚度，使突水危險性增加，這是底板突水的必要條件。獲取底板破裂深度隨工作面回采動態(tài)變化規(guī)律，是實現底板突水實時預測預警的重要基礎。常用的探測底板破裂深度的方法有聲波CT探測[6]、電法[7]、地質雷達等，近年來發(fā)展起來的礦山微地震監(jiān)測技術[8-11]，能夠實現回采過程底板裂隙的萌生、發(fā)展、貫通直至破壞全過程地實時動態(tài)監(jiān)測，是研究底板突水災害的有效手段。

本文基于微地震監(jiān)測方法提出了“動突水系數”的概念，并用其進行底板突水危險性評價，在中煤平朔集團井工一礦9煤某工作面底板突水災害監(jiān)測和預警中得到應用，取得了良好的效果。

1 工程背景

平朔井工一礦9煤首采工作面走向長3 070 m，寬300 m，煤層最大厚度為14.6 m，屬特厚煤層，采用綜合機械化放頂煤開采，一次采全高。工作面上部為14106采空區(qū)，底板下方約60 m有奧灰含水層，水源穩(wěn)定、補給充足，水位標高為1 060 m。工作面揭露斷層17條，南部有X7陷落柱，北部有X8陷落柱。本區(qū)斷層、陷落柱具導水性，奧灰含水層水頭壓力較高，局部高于9煤層110 m。工作面位置及底板特征見圖1、圖2。

圖1 首采工作面平面位置

圖2 采動關系及底板特征

工作面回采面臨的主要安全隱患:開采對底板的擾動形成貫通性裂隙，斷層、陷落柱受采動影響活化，導通底板奧灰含水層，形成底板突水災害。因此，對底板裂隙發(fā)育過程的監(jiān)測和評價至關重要。

2 微地震監(jiān)測系統

微地震監(jiān)測技術是近年來發(fā)展起來的集地球物理、電子通訊、計算機技術等多學科綜合性監(jiān)測技術，廣泛應用于礦山、邊坡、隧道等多個工程領域的監(jiān)測預警領域，能夠實現遠程、無損、多維、實時監(jiān)測。北京科技大學微地震研究中心自主研發(fā)了國內首套高精度微地震監(jiān)測系統，在多座礦山、邊坡及隧道均有應用。

北京科技大學BMS微地震監(jiān)測系統分為井下部分和地面部分，其中，井下部分包含檢波器、監(jiān)測分站、監(jiān)測主機,井下有多個監(jiān)測分站，每個分站具有12個監(jiān)測通道，連接12個檢波器。地面部分由工控機組成，地面設備包括BMS微地震監(jiān)測主機、數據存儲與處理主機，每個SAT分站12通道(標準),布置合理之后的定位誤差在10 m以內，震源定位的最小震動能量為100 J。系統構成見圖3。

圖3 高精度微地震系統構成

3 微地震監(jiān)測方案

重點監(jiān)測該工作面輔運巷F12～F15導線點向斜軸部區(qū)域，兼顧貫穿工作面的F26、F10斷層穩(wěn)定性監(jiān)測，此區(qū)域走向范圍約830 m，共布置23個測點，檢波器間距為36 m，為循環(huán)交替安裝，即同時工作的檢波器數量為12個,其中頂板布置6個測點，底板布置6個測點，隨工作面推進，回收距工作面較近的檢波器，將其安裝至前方的備用測點，以此循環(huán)交替，直至完成整個測區(qū)的監(jiān)測。測區(qū)第一個測點位于F23導線點附近,綜合考慮現場實際和環(huán)網接入點的位置進行布置，將主站布置在9煤主運機頭變電硐室內。布置方案見圖4。

圖4 系統安裝布置

系統安裝完成后進行了標定試驗，標定結果顯示微地震波速平均為3.37 m/ms；定位誤差為X方向12 m，Y方向1 m，Z方向6 m，平均誤差6.3 m，在預計的范圍內，定位精度能夠滿足工程應用。

4 底板裂隙與突水可能性評估

4.1 “動突水系數”的概念

突水系數法是將含水層水壓和底板穩(wěn)定隔水層厚度之比作為評價底板突水可能性的依據[12]。然而，在實際使用過程中，水壓較易測定，底板穩(wěn)定隔水層厚度較難測定。底板穩(wěn)定隔水層厚度與煤層及頂底板賦存條件、采煤方法、開采強度、構造分布情況等相關，且在工作面不同開采階段，底板破裂深度是動態(tài)變化的，底板穩(wěn)定隔水層厚度也呈動態(tài)變化，因此，突水系數法很難在工作面開采期間進行準確計算。

微地震監(jiān)測技術的發(fā)展為動態(tài)測定底板破裂深度，動態(tài)確定穩(wěn)定隔水層厚度和突水系數提供了技術保障。基于該工作面微地震監(jiān)測結果，提出“動突水系數”的概念，并應用于底板突水預測預警。

“動突水系數”是基于微地震監(jiān)測動態(tài)測定的底板破裂深度，實時計算底板穩(wěn)定隔水層厚度，進而得到的突水系數。采用下式表示：

(1)

式中，TS為動突水系數，MPa/m；P為含水層靜壓水頭壓力,MPa；M為破壞前底板隔水層厚度,m；CP為微地震監(jiān)測的底板破裂導通的厚度，m。

為了研究底板破裂深度與突水可能性的關系，需對工作面開采過程中底板破裂特征進行研究。

4.2 底板破裂深度獲取方法

選取煤層底板以下每米巖體作為研究對象，走向方向以左右各延伸一個回采步距為準，傾向方向以工作面斜長為準，判斷該部分巖體是否破壞失穩(wěn)。

根據微震監(jiān)測結果，統計研究對象內所有微震事件，以2 d的推進步距為滑移步長(20 m)，獲取每段滑移步長內底板巖層微震釋放能量。

選取每班推進下的微震能量釋放值，擬合成微震釋放能量-推進班次曲線的泰勒級數形式，截取至4次項，則

(2)

式中,ai為擬合級數的第i次項的系數。

V(x)=x4+ux4+ux2+νx,

(3)

式中,

(4)

(5)

平衡曲面方程為

(6)

根據尖點分叉集理論,得到分叉集方程為

Δ=8u3+27ν2.

(7)

式(7)即為巖體能量突發(fā)失穩(wěn)破壞的充要判據。當Δ>0時,能量處于穩(wěn)定狀態(tài)；當Δ=0時，能量處于穩(wěn)定與非穩(wěn)定的臨界狀態(tài)；當Δ<0時，巖體則發(fā)生破壞。

4.3 計算結果及分析

將底板微地震事件進行數據統計，以20 m為統計步長，走向方向4 300～5 100 m，深度距底板35 m以內，統計此范圍內煤層底板以下每米發(fā)生的微地震事件的能量，部分統計數據見表1。

根據底板釋放能量及提出的能量突發(fā)失穩(wěn)的判斷標準，確定底板隔水層厚度。根據地質資料以及現場采掘時期的探測資料，底板奧灰承壓水水頭在1 060 m，底板平均隔水層厚度為60 m。

根據表1統計結果，基于底板穩(wěn)定隔水層厚度的確定方法，可得到動突水系數，部分結果見表2，并將底板破裂深度與動突水系數繪制在同一圖上，見圖5。

表1 底板每米微地震能量釋放統計(以20 m為統計步長)

從圖5(a)可以看出，底板破裂深度與動突水系數有一定的時空差異。其中,在A區(qū)域走向 4 400 m 附近位置，動突水系數出現微小的峰值；B區(qū)域在動突水系數最大值出現在走向4 850 m，而底板破裂最大值出現在走向 4 750 m位置。形成這種結果的原因如下：

(1)如圖5(b)所示，此區(qū)域是多種應力耦合作用區(qū)域，工作面輔運巷、中間巷與F26斷層形成的三角區(qū)域受到三方面應力的作用，其一為工作面超前支承壓力，其二為F26、DF10形成的構造應力以及中間巷產生的次生應力，其三為向斜軸部的局部構造應力。2013年5月底到2013年7月初，工作面累計進尺標段在1 488～ 1 668 m,開采受腰巷的影響較大，腰巷的前后分別揭露了2條與輔運巷斜交的大斷層DF10(落差14 m)和F26(落差5.2 m)，工作面超前支承壓力、構造應力及中間巷側向支承壓力相互疊加，致使該區(qū)域應力集中，頂底板破裂范圍增大，且該區(qū)域已進入帶壓開采區(qū)，突水可能性增大。根據微地震監(jiān)測結果，這個區(qū)域內當工作面累計進尺至1 488 m前后處底板破裂深度最大為13 m，此處位于F26斷層與工作面輔運巷斜交處。而此區(qū)域內動突水系數最大的區(qū)域位于工作面累計進尺標段1 568～1 608 m處,即腰巷與輔運巷交匯處后方60 m前后，為0.003 6 MPa/m。

表2 工作面動突水系數計算結果

圖5 工作面底板破裂深度與動突水系數的關系

(2)如圖5(c)所示，2013年7月19日到2013年9月22日，工作面累計進尺標段在1 728～2 048 m,輔運巷的底板破裂深度明顯增大，絕大多數在25～30 m。在此區(qū)域開采過程中，受到斷層DF10、F25、F21及位于工作面中輔運巷未揭露的共8條斷層的影響。受采動影響后賦存在煤巖中的原始應力會重新分布，在多條斷層的側向應力的共同作用下,在輔運巷控制點F17及F16的附近形成高應力區(qū)；此區(qū)域距離X8陷落柱很近，最小距離約為30 m。陷落柱的側向影響范圍與多條斷層形成的高應力區(qū)有所重疊；同時此區(qū)域位于向斜構造帶，賦存大量的構造應力，煤巖較為破碎，完整性更差。因此，此區(qū)域在多條斷層的共同影響下形成的高應力、陷落柱的側向應力及向斜的構造應力的耦合作用下，受到采動應力影響，應力會有所釋放并重新分布，同時會增大原本完整性比較差的底板煤巖深度，所以此區(qū)域的底板破裂深度持續(xù)較高。此區(qū)域內動突水系數最大的位置位于工作面累計進尺至2 008 m處附近，即輔運巷控制點F15前方3 m處附近，動突水系數為0.013 2 MPa/m，屬于帶壓開采安全階段。

5 結 論

(1)針對平朔集團井工一礦特厚煤層綜放工作面底板突水災害，通過建立高精度微地震監(jiān)測系統，實現了采場圍巖三維破裂場的動態(tài)觀測。

(2)提出“動態(tài)突水系數”的基本概念和計算方法，結合微地震觀測結果和工作面地質條件，計算了工作面回采過程中不同階段的突水系數，工作面向斜軸部以西90 m動突水系數達到峰值，但小于帶壓開采突水危險標準，該工作面回采期間無突水危險。

(3)通過動突水系數和底板破裂深度的對比研究，動突水系數峰值位置與底板最大破裂深度位置具有明顯的時空差異，且底板破裂深度峰值超前于動突水系數峰值，對于礦山的防治水工作有著因地制宜的指導意義。

(4)以高精度微地震技術作為獲取底板破裂深度的手段，進而獲得底板的動突水系數的方法能較好地反映工作面回采過程中底板采動破壞深度的動態(tài)變化過程，為煤礦底板突水實時預測、預報提供了一種新的評價方法，對其他類似礦山具有借鑒作用。

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Application of Microseismic Monitoring in the Water Inrush Evaluation of the Specially Thick Coal Seam Floor

Qin Jiutian1Jiang Fuxing1Wang Cunwen1Liang Xingwang2Shi Kemeng2

(1.Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing;2.China Coal Pingsuo Group Co.,Ltd.)

The distrubance of the full-mechanized caving mining of special thick coal seam to the floor is great, if the confined aquifer layer belows the floor, water inrush disaters such as primary fracture conductivity, mining-induced conductivity and tectonic activation water could happan. So the key content of prediction and warning of the water inrush is conducting dynamic monitoring of slab crack initiation, development and breakthrough until failure process.Taking the floor water inrush question existing in the process of full-mechanized caving mining of special thick coal seam in the Pingshuo region, the high-precision microseismic monitoring system developed independently is established in the working face so as to obtain the three-dimensional characteristics of the stope wall rocks burst during the process of mining. The water inrush possibility is analyzed based on dynamic water inrush coefficient method. The research results show that, the water inrush of the area which is 90 m to the west of syncline axis of working face, the peak dynamic water inrush coefficient is obtained, but it is less than the water inrush risk standard of under mining pressure. So there is no water inrush danger appearing in the working face during stoping. By contrast,the time and space differences between the position of peak dynamic water inrush coefficient and the position of floor biggest failure depth are obvious, the peak of floor failure depth is ahead of the peak of dynamic peak water inrush coefficient. The above research results can provide some reference for conducting real-time warning of the water inrush danger based on the floor failure depth.

Specially coal seam, Microseismic monitoring, Floor water inrush, Dynamic water inrush coefficient

2014-10-20)

秦九天(1989—)，男，碩士研究生，100083 北京市海淀區(qū)學院路30號。