秦貴成 程仁輝

(1.山西潞安礦業(yè)集團(tuán)有限公司，山西省長(zhǎng)治市，046000；2.西安科技大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西省西安市，710054)

隨著我國煤礦開采深度的不斷增加，礦井瓦斯災(zāi)害日趨嚴(yán)重。預(yù)抽煤層瓦斯對(duì)解決瓦斯災(zāi)害問題發(fā)揮了重要作用[1-2]。而鉆孔有效抽采半徑的合理確定影響著瓦斯治理效果，亦可有效減少瓦斯治理成本，避免資源浪費(fèi)[3]。但在煤礦日常安全工作中，對(duì)于瓦斯抽采鉆孔間距的確定我國暫時(shí)沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，帶有很大的主觀經(jīng)驗(yàn)性。鉆孔間距過大，部分區(qū)域瓦斯無法在預(yù)定時(shí)間內(nèi)抽出從而形成抽采盲區(qū)，為日后生產(chǎn)作業(yè)留下重大隱患[4]；鉆孔間距過小，會(huì)增加鉆孔工程量，造成資源浪費(fèi)。因此，合理地確定瓦斯抽采鉆孔間距對(duì)提高抽采效率，消除煤與瓦斯突出事故有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]。張?zhí)燔奫6]等利用自行研制的煤層鉆孔瓦斯流量及濃度檢測(cè)裝置，對(duì)底抽巷穿層鉆孔單孔瓦斯流量和濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 分析鉆孔瓦斯流量變化衰減規(guī)律；韓承強(qiáng)[7]等系統(tǒng)評(píng)述了“壓降法”“示蹤氣體法”“瓦斯含量法”與“鉆孔抽采瓦斯量法”4種煤礦井下常用的鉆孔抽采瓦斯影響半徑的測(cè)定方法，同時(shí)研究了各方法的適用條件；徐東方與王兆豐[8]探討了“壓降法”的測(cè)定原理，通過開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，總結(jié)介紹了測(cè)定流程。

山西潞安古城煤礦對(duì)煤層鉆孔有效抽采半徑的測(cè)定大多依據(jù)“流量法”或“壓降法”等傳統(tǒng)方法，測(cè)定結(jié)果存在較大誤差，設(shè)計(jì)預(yù)抽布孔方案時(shí)主要依據(jù)既往經(jīng)驗(yàn)，沒有具體針對(duì)鉆孔的布置方式及鉆孔參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，參數(shù)設(shè)計(jì)缺乏理論與現(xiàn)實(shí)依據(jù)。前人對(duì)鉆孔間距的測(cè)定都是在鉆孔周圍進(jìn)行打鉆，導(dǎo)致了鉆孔孔周裂隙的二次發(fā)育，測(cè)定結(jié)果存在誤差。微震監(jiān)測(cè)鉆孔是通過在鉆孔周圍布置傳感器來監(jiān)測(cè)鉆孔周圍裂隙的發(fā)育情況，沒有在鉆孔周圍進(jìn)行打鉆擾動(dòng)，不會(huì)對(duì)鉆孔進(jìn)行二次擾動(dòng)，可以無損監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)擾動(dòng)對(duì)鉆孔周圍裂隙的發(fā)育情況。筆者利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)井下鉆進(jìn)作業(yè)對(duì)鉆孔的擾動(dòng)影響范圍，從而為鉆孔的合理布置提供依據(jù)。

1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 微震監(jiān)測(cè)原理

在煤礦生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，應(yīng)力較高的煤巖層內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，原有的地質(zhì)構(gòu)造遭到破壞，促使大范圍裂隙貫通，能量以彈性波的形式發(fā)射出去[9]，其為微震。使用采集儀采集處理彈性波，即可獲知微震事件發(fā)生地點(diǎn)、能量大小等，并以此評(píng)判煤巖體的穩(wěn)定性，對(duì)礦山巖體的內(nèi)在狀況做出判斷[10]。目前，微震技術(shù)被世界各國作為一種高效的監(jiān)測(cè)預(yù)警手段，為地下作業(yè)提供有效技術(shù)和安全支持。

1.2 微震定位原理

微震事件大多發(fā)生在煤巖層裂隙的斷面上，巖體聲發(fā)射與微震監(jiān)測(cè)技術(shù)正是利用裂隙擴(kuò)展時(shí)以彈性波形式釋放出的能量來進(jìn)行監(jiān)測(cè)煤巖體的穩(wěn)定性。聲發(fā)射與微震現(xiàn)象是20世紀(jì)30年代末由美國科學(xué)家L·阿伯特發(fā)現(xiàn)的[11]。M Cai和P K Kaiser將微震事件按波動(dòng)頻率分類，把聲發(fā)射、微震、巖爆、地震等不同的現(xiàn)象廣義成具有不同振動(dòng)頻率的震動(dòng)事件[12]，如圖1所示。

圖1 聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生原理及其特征

利用巖體聲發(fā)射這一特點(diǎn)，可以對(duì)巖體的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而預(yù)警沖擊礦壓、巖體塌方、頂板垮落、片幫等動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象。在一些方面，可以用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)來監(jiān)測(cè)煤巖體內(nèi)部微破裂的發(fā)生過程及分布形態(tài)。筆者通過這一原理監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)對(duì)鉆孔的擾動(dòng)影響范圍。

煤體在圍巖應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生微破裂，產(chǎn)生的能量以彈性波的形式釋放，通過安裝傳感器及采集儀對(duì)監(jiān)測(cè)空間的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，即可確定微破裂發(fā)生的位置，如圖2所示。

圖2 微震事件定位原理

1.3 微震監(jiān)測(cè)設(shè)備

YTZ-3型微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由硬件與軟件兩大部分組成。系統(tǒng)的硬件由采集儀、傳感器、主機(jī)和電纜組成。傳感器用來識(shí)別并捕獲煤巖體破裂產(chǎn)生的彈性波，采集儀可對(duì)捕獲到的微震信號(hào)進(jìn)行記錄和采集，主機(jī)對(duì)微震信號(hào)進(jìn)行分析和處理[13]。該系統(tǒng)軟件由數(shù)據(jù)解編軟件、采集儀配置軟件和數(shù)據(jù)處理軟件組成。

考慮到井下現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件，安裝過程中需準(zhǔn)備記號(hào)筆、標(biāo)簽、手套、鉗子、膠帶、真空脂、連接軋帶等物品。

圖3 YTZ-3型微震監(jiān)測(cè)設(shè)備

2 測(cè)點(diǎn)布置及實(shí)施方案

2.1 微震監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置

由微震定位原理可知，3個(gè)傳感器才能定位1個(gè)微震事件，定位方法也是多種多樣，本項(xiàng)目在定位原理理論基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了微震傳感器布置方式。根據(jù)井下實(shí)地考察，確定傳感器測(cè)點(diǎn)位置，如圖4所示，確定在每個(gè)鉆孔周圍布置4個(gè)傳感器，以監(jiān)測(cè)鉆孔為中心，垂直方向上兩傳感器間距為3 m，水平方向上兩傳感器間距為4 m。選取兩側(cè)巷道煤幫上相對(duì)穩(wěn)定的位置安裝采集儀，確保監(jiān)測(cè)期間的設(shè)備能正常工作，對(duì)產(chǎn)生的微震事件實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)在回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷各布置1組，監(jiān)測(cè)鉆孔從鉆孔打鉆開始至結(jié)束的全過程。

圖4 傳感器布設(shè)

2.2 實(shí)施方案

(1)及時(shí)獲得順層瓦斯抽采鉆孔的施工時(shí)間，在鉆孔施工開始前，按預(yù)定方案安裝好傳感器、采集儀，完成微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的搭建。

(2)順層瓦斯抽采鉆孔的監(jiān)測(cè)時(shí)間段一般是從打鉆前開始，到被打鉆結(jié)束后持續(xù)一周時(shí)間，在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)需每天下井更換采集儀，保證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常供電。

(3)由于井下特殊的作業(yè)環(huán)境所限，鉆孔周圍錨桿的實(shí)際布置方式可能與設(shè)計(jì)存在一定偏差，在傳感器安裝時(shí)需要手動(dòng)測(cè)量各傳感器與鉆孔間的距離，并及時(shí)輸入至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的坐標(biāo)模型中。

(4)監(jiān)測(cè)過程中，需記錄好監(jiān)測(cè)時(shí)間段、相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)編號(hào)和采集儀編號(hào)，以便后期數(shù)據(jù)處理。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

選擇古城煤礦S1303運(yùn)輸大巷的普通抽采鉆孔進(jìn)行監(jiān)測(cè)，共監(jiān)測(cè)3個(gè)普通鉆孔。選取鉆孔走向相對(duì)較穩(wěn)定的若干段微震事件，在軸向方向投影，對(duì)其分布范圍進(jìn)行分析，總體上各個(gè)普通瓦斯抽采鉆孔的微震數(shù)據(jù)良好，在靠近每層內(nèi)部的末端部分可能是由于距離原因出現(xiàn)了部分微震事件的缺失，整體上各個(gè)試驗(yàn)普通瓦斯抽采鉆孔的微震事件較為完整，空間形態(tài)良好，本節(jié)選取3個(gè)鉆孔走向穩(wěn)定的3段微震事件，統(tǒng)計(jì)各微震事件與鉆孔軸心處位置的距離。為了提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在徑向選取90%微震事件發(fā)生的范圍作為邊界，對(duì)微震事件的分布狀態(tài)進(jìn)行分析。

圖5 1號(hào)普通鉆孔微震數(shù)據(jù)分析

(1)1號(hào)普通鉆孔微震數(shù)據(jù)分析如圖5所示(圖中各小圖中的左邊圖為截取的穩(wěn)定段的徑向投影數(shù)據(jù)，右邊圖為該段數(shù)據(jù)立體圖)。1號(hào)普通鉆孔不同位置處的微震事件分布形態(tài)規(guī)律大致呈圓形，各段的微震事件分布個(gè)數(shù)存在一定的差異。通過計(jì)算各個(gè)微震事件與徑向中點(diǎn)間的距離，得到1號(hào)普通鉆孔段的微震事件分布半徑分別為0.85 m、0.89 m、0.92 m。1號(hào)普通鉆孔的微震事件分布存在一定的不均勻分布現(xiàn)象，從圖5右側(cè)圖對(duì)應(yīng)的微震事件三維分布圖中也可以看出其離散程度較大。對(duì)各位置處半徑分別為0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m內(nèi)的微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明有較多微震事件分布在半徑0～0.3 m的范圍內(nèi)，占總數(shù)的23.61%～27.84%。1號(hào)普通鉆孔的微震事件影響半徑分布在0.85～0.92 m之間，各個(gè)鉆孔位置處的微震事件分布形態(tài)良好，有較好的參考價(jià)值。

(2)2號(hào)普通鉆孔微震數(shù)據(jù)分析如圖6所示(圖中各小圖中的左邊圖為截取的穩(wěn)定段的徑向投影數(shù)據(jù)，右邊圖為該段數(shù)據(jù)立體圖)。

圖6 2號(hào)普通鉆孔微震數(shù)據(jù)分析

2號(hào)普通鉆孔不同位置處的微震事件分布形態(tài)規(guī)律大致呈圓形，各段的微震事件分布個(gè)數(shù)存在一定的差異。通過計(jì)算各個(gè)微震事件與徑向中點(diǎn)間的距離，得到2號(hào)普通鉆孔段的微震事件分布半徑分別為0.95 m、0.94 m、0.91 m。2號(hào)普通鉆孔的微震事件分布存在一定的不均勻分布現(xiàn)象，從圖6右側(cè)圖對(duì)應(yīng)的微震事件三維分布圖中也可以看出其離散程度較大。對(duì)各位置處半徑分別為0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m內(nèi)的微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明有較多微震事件分布在半徑0.3～0.6 m的范圍內(nèi)，占總數(shù)的26.09%～34.87%?？傮w上2號(hào)普通鉆孔的微震事件影響半徑分布在0.91～0.95 m之間，各鉆孔位置處的微震事件分布形態(tài)良好，有較好的參考價(jià)值。

圖7 3號(hào)普通鉆孔微震數(shù)據(jù)分析

(3)3號(hào)普通鉆孔微震數(shù)據(jù)分析如圖7所示(圖中各小圖中的左邊圖為截取的穩(wěn)定段的徑向投影數(shù)據(jù)，右邊圖為該段數(shù)據(jù)立體圖)。3號(hào)普通鉆孔不同位置處的微震事件分布形態(tài)規(guī)律大致呈圓形，各段的微震事件分布個(gè)數(shù)存在一定的差異。通過計(jì)算各個(gè)微震事件與徑向中點(diǎn)間的距離，得到3號(hào)普通鉆孔段的微震事件分布半徑分別為0.95 m、0.97 m、0.89 m。3號(hào)普通鉆孔的微震事件分布存在一定的不均勻分布現(xiàn)象，從圖7右側(cè)圖對(duì)應(yīng)的微震事件三維分布圖中可以看出其離散程度較大。對(duì)各位置處半徑分別為0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m內(nèi)的微震事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明有較多微震事件分布在半徑0.3～0.6 m的范圍內(nèi)，占總數(shù)的31.29%～36.73%。總體上3號(hào)普通鉆孔的微震事件影響半徑分布在0.89～0.97 m之間，各個(gè)位置處的微震事件分布形態(tài)良好，有較好的參考價(jià)值。

綜上所述，在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)3個(gè)普通瓦斯抽采鉆孔引起的微震事件的捕獲效果良好，可以清晰地從監(jiān)測(cè)結(jié)果中觀察不同位置處微震事件發(fā)生的情況。通過對(duì)不同位置處微震事件分布情況的分段分析，可以看出1號(hào)鉆孔周圍微震事件的分布范圍為0.85～0.92 m，分布均勻，形態(tài)良好；2號(hào)鉆孔周圍微震事件的分布范圍為0.91～0.95 m，事件分布有局部集中的現(xiàn)象，可能是煤質(zhì)的不均一構(gòu)造造成的；3號(hào)鉆孔周圍微震事件的分布范圍為0.89～0.97 m，軸向投影的微震事件分布相對(duì)較均勻，鉆孔前半段微震事件分布偏多，判斷是由于鉆孔前段部分靠近巷道，煤層內(nèi)壓力得到部分釋放，且鉆孔前段靠近傳感器所致。

鉆孔微震事件半徑范圍分布如圖8所示。用網(wǎng)狀圖表示3個(gè)鉆孔的影響范圍區(qū)間，可以明顯地觀察到3號(hào)鉆孔影響范圍略大于其他試驗(yàn)鉆孔，且其影響范圍的區(qū)間寬度較大。

圖8 鉆孔微震事件半徑范圍分布

各普通鉆孔微震事件半徑范圍如圖9所示，各個(gè)鉆孔不同位置處的影響范圍存在一定的差異，但總體上都穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，用不同位置處的影響范圍區(qū)間表示各個(gè)鉆孔的影響范圍。

普通鉆孔不同位置處微震事件半徑范圍如圖10所示，對(duì)所有鉆孔不同位置處的微震事件的影響半徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)其集中分布在0.85～0.97 m范圍內(nèi)。為進(jìn)一步提高各個(gè)鉆孔影響范圍監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取所有分段位置處微震事件分布范圍有效監(jiān)測(cè)到分段個(gè)數(shù)的90%作為鉆孔有效影響半徑，考慮擾動(dòng)影響對(duì)鉆孔孔周裂隙的發(fā)育狀態(tài)隨著距離而增大導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差，剔除最高數(shù)據(jù)，得到古城煤礦S1303運(yùn)輸大巷試驗(yàn)鉆孔在鉆孔成孔時(shí)有效影響范圍為0.85～0.95 m。

圖9 3個(gè)普通鉆孔微震事件半徑范圍

圖10 普通鉆孔不同位置處微震事件半徑范圍

4 結(jié)論

為了更好地指導(dǎo)順層鉆孔的間距布置，利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)鉆孔的無損監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)擾動(dòng)對(duì)鉆孔的影響范圍。首先介紹了微震監(jiān)測(cè)原理及定位原理；其次利用YTZ-3型微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在古城煤礦S1303運(yùn)輸大巷監(jiān)測(cè)了3個(gè)鉆孔的鉆進(jìn)擾動(dòng)對(duì)鉆孔的影響范圍；然后通過選取單個(gè)鉆孔3個(gè)穩(wěn)定段進(jìn)行投影徑向分析，選取90%微震事件發(fā)生的范圍作為邊界，得到3個(gè)鉆孔的微震事件影響半徑；最后借助數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)3個(gè)鉆孔的微震數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析，確定古城煤礦S1303運(yùn)輸大巷的鉆孔受鉆進(jìn)擾動(dòng)的影響范圍在0.85～0.95 m，為古城煤礦鉆孔的合理布置提供了依據(jù)。