李鵬

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054)

近幾十年隨著煤炭資源的大規(guī)模開發(fā)，我國淺部及條件簡單區(qū)的煤炭儲量漸趨匱乏，華北型煤田逐漸進(jìn)入到深部開采及下組煤開采階段。深部采掘煤層圍巖處于高地壓、高地溫、高巖溶水壓和強(qiáng)烈采動(dòng)影響的“三高一擾動(dòng)”復(fù)雜地質(zhì)力學(xué)環(huán)境中，尤其是石炭系下部煤層（下組煤）其下伏太灰或奧灰含水層富水性強(qiáng)、水壓高，煤系地層受構(gòu)造作用影響強(qiáng)烈，極易造成嚴(yán)重的突水事故。

1 底板突水監(jiān)測預(yù)警技術(shù)

20 世紀(jì)90 年代以來，國內(nèi)很多專家學(xué)者進(jìn)行了水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究。煤炭科學(xué)研究總院研究開發(fā)的MTS-1 型煤礦突水前兆檢測儀可對底板突水前的位移、鉆孔中水壓等變化進(jìn)行監(jiān)測[1]；其研制的WP-Ⅰ型底板突水監(jiān)測儀實(shí)現(xiàn)了對采動(dòng)過程承壓水的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，可隨時(shí)預(yù)報(bào)底板水動(dòng)態(tài)移動(dòng)情況。太原理工大學(xué)胡耀青提出通過監(jiān)測本灰或太灰含水層水位，實(shí)現(xiàn)奧灰水上采煤區(qū)域的監(jiān)控，其實(shí)質(zhì)是針對中間指示層地下水位在采礦條件下所做的動(dòng)態(tài)監(jiān)測[2]。

由于不同礦區(qū)的地質(zhì)條件、開采工藝及施工技術(shù)手段不同，工作面回采過程中造成煤層底板突水的因素較多?？偟膩碚f，形成底板突水的充要條件有兩部分：一是突水水源，二是突水通道。當(dāng)影響突水水源與突水通道的各類要素形成一定空間組合關(guān)系，即發(fā)生底板突水。本文主要以“下三帶”理論[3]、“遞進(jìn)導(dǎo)升”理論[4]以及突水系數(shù)法[5]為監(jiān)測預(yù)警的理論基礎(chǔ)，通過監(jiān)測煤層開采過程中表征突水水源與突水通道時(shí)空演化的指標(biāo)信息，對礦井底板突水進(jìn)行預(yù)警。

1.1 突水監(jiān)測點(diǎn)確定

煤層底板突水監(jiān)測點(diǎn)的確定需考慮異常區(qū)段和正常區(qū)段兩方面的控制因素，如圖1 所示。

圖1 底板水害監(jiān)測點(diǎn)確定因素

（1）地質(zhì)構(gòu)造，尤其是斷層尖滅、復(fù)合、分叉部位和斷層的影響帶、背向斜軸部往往是突水易發(fā)地點(diǎn)[6]。應(yīng)當(dāng)以采前工作面構(gòu)造探測（物探、鉆探）成果為基礎(chǔ)，以構(gòu)造分析為手段，確定受構(gòu)造影響和支配的突水監(jiān)測點(diǎn)位置。

（2）富水性異常區(qū)往往具有隨機(jī)分布的特點(diǎn)，但從地質(zhì)條件來講，煤層底板地層由于受地質(zhì)環(huán)境、地質(zhì)構(gòu)造等作用的影響，表現(xiàn)出明顯的各項(xiàng)異性特征，導(dǎo)致地層在空間上的導(dǎo)、含水能力差異較大。因此，針對富水異常區(qū)突水條件分析是確定監(jiān)測點(diǎn)的基礎(chǔ)，一般以采前工作面底板探查（物探、鉆探）成果為基礎(chǔ)，初步圈定富水異常區(qū)段，針對該區(qū)段確定突水監(jiān)測點(diǎn)位置。

（3）來壓步距、礦壓顯現(xiàn)與底板突水有重要的關(guān)系，回采過程中的初次來壓位置和周期來壓位置也應(yīng)該重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測。

（4）采動(dòng)裂縫受采動(dòng)應(yīng)力控制，采動(dòng)裂縫在平面不同位置上發(fā)育的深度不同，根據(jù)“下三帶”理論，當(dāng)采動(dòng)裂縫波及至底板巖溶含水層或遞進(jìn)導(dǎo)升帶時(shí)，巖溶水通過底板采動(dòng)裂縫進(jìn)入采空區(qū)，易造成底板突水，因此掌握采動(dòng)裂縫的發(fā)育深度，對于監(jiān)測孔平面位置以及垂向位置的確定具有重要意義。

監(jiān)測點(diǎn)的確定主要考慮以下因素，分別為埋設(shè)水壓、水溫、應(yīng)力/應(yīng)變、微震等傳感器。

2 底板突水關(guān)鍵監(jiān)測位置分析

本文選取的示范工作面是位于某礦井的11916工作面，井田范圍內(nèi)地形比較平坦，地勢南高北低，西高東低，地面標(biāo)高介于+91～+107 m 之間，主井標(biāo)高+102.82 m，副井標(biāo)高+102.90 m。工作面位于9#煤層，底板含水層主要為本溪灰?guī)r。

2.1 異常區(qū)段監(jiān)測位置分析

本文分析的異常區(qū)段主要是指影響礦井水文地質(zhì)條件的易突水地質(zhì)構(gòu)造和富水性異常區(qū)。

2.1.1 易突水地質(zhì)構(gòu)造區(qū)監(jiān)測

以采前工作面構(gòu)造探測（物探、鉆探）成果為基礎(chǔ)，以構(gòu)造分析為手段，確定受構(gòu)造影響和支配的突水監(jiān)測點(diǎn)位置。

根據(jù)地質(zhì)資料等構(gòu)建工作面三維地質(zhì)模型進(jìn)行分析（見圖2），自西向東9#煤至大青灰?guī)r層間距逐漸變薄，可能殲滅；9#煤底板至本溪灰?guī)r間距揭露平均厚度為19 m，最薄處僅有14 m 左右。對11916 工作面掘進(jìn)有影響的斷層主要有SF1 斷層。該工作面位于三維地震奧灰富水相對異常區(qū)內(nèi)，工作面周圍鉆孔又比較少，區(qū)內(nèi)不排除小型斷裂構(gòu)造或其他構(gòu)造的存在。該范圍隱伏斷層主要以北東向高角度正斷層出現(xiàn)，頂板主裂隙方向也以北東向?yàn)橹鳌F1 斷層為已探明正斷層，11916 工作面處于SF1 斷層上盤，斷層落差為6.5 m，走向?yàn)?8°～50°，傾向?yàn)?38°～140°，傾角為73°，11916 工作面掘進(jìn)位置位于11916 工作面停采線附近，影響不大。三維地震勘探解釋陷落柱1 個(gè)，位于工作面上部。其平面形態(tài)近圓形，軸長50 m 左右推斷該陷落柱富水的可能性不大。但在奧灰頂板附近處，該陷落柱處在奧灰富水條帶內(nèi)，地下水原始平衡一旦被破壞后，不排除該陷落柱導(dǎo)水的可能性。

圖2 工作面斷層示意

本次監(jiān)測工程主要位于工作面回采的前600 m，回采工作面附近巷道布置網(wǎng)絡(luò)電法監(jiān)測系統(tǒng)和微震監(jiān)測系統(tǒng)，在SX1 陷落柱加密布置網(wǎng)絡(luò)。

2.1.2 富水性異常區(qū)監(jiān)測

電法勘探是利用巖（礦）石電性差異為基礎(chǔ)的一種地球物理勘探方法，在煤礦富水性異常區(qū)應(yīng)用廣泛且效果較好。本文采用音頻電穿透和直流電測深技術(shù)，在11916 工作面兩順槽及東翼運(yùn)輸大巷內(nèi)施工，探查工作面底板下60 m 深度范圍內(nèi)的含賦水異常區(qū)分布特征，為采前防治水工程的實(shí)施提供參考依據(jù)。其中音頻電穿透在11915 運(yùn)輸巷和東翼運(yùn)輸大巷內(nèi)施工，直流電測深法在11915 運(yùn)輸巷、11915 補(bǔ)運(yùn)輸巷和東翼運(yùn)輸大巷回24 開始到回34止400 m 巷道內(nèi)施工。

圖3 為11916 工作面底板下0～30 m 層段音頻電穿透視成果圖。該圖主要反映9#煤底板下本溪組灰?guī)r含水層的富水情況。工作面底板下0～30 m 深度范圍內(nèi)地層綜合電導(dǎo)率值為1.55～10.58 S/m，平均值為4.99 S/m，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.59 S/m，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)選定異常閾值為5.5 S/m，即綜合電導(dǎo)率值大于閾值的為異常區(qū)。11916 工作面0～30 m 范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)3 處異常區(qū)段，其中1，2 號異常區(qū)主要位于該工作面外端，3 號異常區(qū)主要位于該工作面里端。

圖3 音頻電穿透視成果

富水性異常區(qū)的監(jiān)測主要采用網(wǎng)絡(luò)電法監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行，本次布置的網(wǎng)絡(luò)電法監(jiān)測系統(tǒng)有效監(jiān)測距離在垂向上達(dá)到80 m，可完全覆蓋工作面底板的深度范圍。

2.2 正常區(qū)段監(jiān)測位置分析

2.2.1 礦壓顯現(xiàn)位置監(jiān)測

礦壓顯現(xiàn)位置與底板突水有密切關(guān)系，根據(jù)錢鳴高的理論公式進(jìn)行計(jì)算[7]，試驗(yàn)工作面初次來壓位置為50～70 m；根據(jù)文獻(xiàn)周期垮落步距與基本頂巖性有關(guān)，一般為6～30 m，多數(shù)為10～15 m。本次使用光纖應(yīng)力應(yīng)變系統(tǒng)在工作面初次來壓位置、工作面見方位置和周期來壓位置進(jìn)行布設(shè) 監(jiān)測。

2.2.2 底板采動(dòng)裂縫集中發(fā)育區(qū)監(jiān)測

本工作面開采方式為走向長壁工作面開采，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，底板突水點(diǎn)易出現(xiàn)在下順槽距煤壁一側(cè)3～8 m，以及上順槽對應(yīng)位置和工作面中位。在這些位置易產(chǎn)生底板突水的原因是平面上應(yīng)力分布不均勻，工作面回采時(shí)應(yīng)力比較集中，在采空區(qū)一側(cè)下順槽底板承受的應(yīng)力比實(shí)煤側(cè)和上順槽的大，剪應(yīng)力集中分布于采面底板和上、下順槽內(nèi)側(cè)，即近上、下順槽水平距離6 m 左右處的剪應(yīng)力最集中。同時(shí)，受采動(dòng)應(yīng)力控制，采動(dòng)裂縫在平面不同位置上發(fā)育的深度不同，根據(jù)“下三帶”理論，當(dāng)采動(dòng)裂縫波及至底板巖溶含水層或遞進(jìn)導(dǎo)升帶時(shí)，巖溶水通過底板采動(dòng)裂縫進(jìn)入采空區(qū)，易造成底板突水，因此掌握采動(dòng)裂縫的發(fā)育深度對于監(jiān)測孔平面位置以及垂向位置的確定具有重要意義。

微震事件可以動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)反映煤巖體受力破壞程度，因此，采用高精度微震監(jiān)測技術(shù)實(shí)時(shí)探測底板隔水層巖體的破壞狀態(tài)。

3 監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

根據(jù)礦井充水結(jié)構(gòu)三維可視化地質(zhì)模型，分析11916 示范工作面開采煤層底板的巖性組合特征與巖層厚度變化特征，識別得出工作面煤層底板隔水層薄弱區(qū)，如圖4 所示，黑色地層為煤層，紅色地層為隔水層，藍(lán)色為煤層底板下部承壓含水層。圖4 中，東翼軌道大巷一側(cè)的11916 工作面底板隔水層厚度基本均勻。圖5 為11916 工作面西北側(cè)剖面圖，工作面東北部分隔水層厚度最大，從東北部到西南部隔水層越來越薄，在隔水層相對薄弱地區(qū)需要增加監(jiān)測密度。

圖4 工作面三維模型

圖5 工作面西北剖面

結(jié)合分析11916 工作面直流電測深法和音頻電穿透法探測成果，工作面內(nèi)部主要存在3 個(gè)異常區(qū)。采用多元地學(xué)信息疊加方法，細(xì)化突水危險(xiǎn)區(qū)劃分結(jié)果，初步圈出存在突水危險(xiǎn)性的區(qū)域，將煤層底板隔水層薄弱區(qū)、隱伏構(gòu)造影響區(qū)以及物探異常區(qū)作為監(jiān)測預(yù)警重點(diǎn)區(qū)段，以監(jiān)測點(diǎn)、監(jiān)測層位、監(jiān)測范圍等為分析重點(diǎn)，形成工作面重點(diǎn)區(qū)段與正常區(qū)段分區(qū)監(jiān)測設(shè)計(jì)方案。

根據(jù)11916 示范工作面采掘規(guī)劃與水害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)安裝、調(diào)試、判據(jù)智能學(xué)習(xí)等進(jìn)度安排，將工作面0～200 m（圖6 黃色實(shí)線部分）劃分為系統(tǒng)集成調(diào)試與智能預(yù)警判據(jù)學(xué)習(xí)段，進(jìn)行底板破壞深度現(xiàn)場測試，驗(yàn)證微震監(jiān)測精度；進(jìn)行光纖光柵應(yīng)力應(yīng)變傳感器、連續(xù)電法監(jiān)測參數(shù)校正，并設(shè)計(jì)單指標(biāo)預(yù)警方案。200 m 至停采線（圖6 紅色實(shí)線部分），劃分為水害監(jiān)測系統(tǒng)集成與智能預(yù)警示范區(qū)段：進(jìn)行光纖光柵傳感器、連續(xù)電法、井-地-孔聯(lián)合微震集成監(jiān)測，開展基于大數(shù)據(jù)的智能預(yù)警判據(jù)，形成工作面水害監(jiān)測調(diào)試學(xué)習(xí)與單指標(biāo)預(yù)警段、三大系統(tǒng)集成監(jiān)測與智能預(yù)警示范段的分段設(shè)計(jì)方案。

圖6 監(jiān)測預(yù)警區(qū)段劃分

根據(jù)水害監(jiān)測（光纖、微震、連續(xù)電法）裝備性能參數(shù)，針對圈出的突水危險(xiǎn)性的區(qū)域（如薄弱區(qū)、隱伏構(gòu)造等區(qū)段）；將系統(tǒng)設(shè)定為高頻（圖7 紅色框）監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與預(yù)警級別，針對周期來壓影響區(qū)段將系統(tǒng)設(shè)定為中頻（圖7 黃色框）監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與預(yù)警級別；其它正常區(qū)段設(shè)定為低頻（圖7 藍(lán)色框）監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與預(yù)警級別，形成工作面水害監(jiān)測高、中、低頻數(shù)據(jù)采集與預(yù)警的分級設(shè)計(jì)方案。

圖7 高中低頻監(jiān)測分區(qū)

3.2 監(jiān)測部署

整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)包括光柵光纖、連續(xù)電法和微震監(jiān)測系統(tǒng)，其中光柵光纖和連續(xù)電法傳感器部署于井下巷道或者巷道孔中，微震傳感器分別部署于地面、巷道和井下孔中，井下部署如圖8 所示。

圖8 光纖光柵傳感器、微震監(jiān)測系統(tǒng)布置示意

將11916 工作面分為5 個(gè)監(jiān)測段，其中第1 監(jiān)測段為設(shè)備聯(lián)調(diào)測試段，其余4 個(gè)監(jiān)測段為正式監(jiān)測段。根據(jù)監(jiān)測層位，設(shè)計(jì)光纖光柵應(yīng)力/應(yīng)變傳感器置于井下鉆孔中，沿鉆孔傾角埋設(shè)于底板有效隔水層保護(hù)帶底部位置，垂深約20 m，鉆孔主要布置在軌道巷（便于后期施工），每個(gè)鉆孔埋設(shè)應(yīng)力應(yīng)變、水溫和水壓傳感器各1 個(gè)，埋設(shè)應(yīng)力應(yīng)變傳感器間隔40 m。連續(xù)電法監(jiān)測系統(tǒng)的電極主要部署在工作面巷道外側(cè)底板的淺孔中，孔深2 m，電極之間的距離為20 m。本次主要利用地面、井下巷道和井下鉆孔聯(lián)合監(jiān)測，其中地面?zhèn)鞲衅鏖g距為120 m，井下傳感器間距為40 m，地面?zhèn)鞲衅鳛闇\孔埋置，孔深2 m，井下傳感器分為巷道和深孔兩種，淺孔的孔深為2 m，孔深的垂深為20 m，微震傳感器全部安裝在孔底。部署完成后在工作面進(jìn)行了9 個(gè)月的連續(xù)監(jiān)測，并取得了良好的監(jiān)測預(yù)警效果。

4 結(jié)論

本文主要以“下三帶”理論、“遞進(jìn)導(dǎo)升”理論、“關(guān)鍵層”理論以及突水系數(shù)法為監(jiān)測預(yù)警的理論基礎(chǔ)，構(gòu)建工作面三維地質(zhì)模型，結(jié)合電法勘探異常區(qū)對影響礦井水文地質(zhì)條件的易突水地質(zhì)構(gòu)造和富水性異常區(qū)進(jìn)行分析，依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行底板突水監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)，通過監(jiān)測煤層開采過程中表征突水水源與突水通道時(shí)空演化的指標(biāo)信息，對礦井底板突水進(jìn)行預(yù)警。