王曦韡 張日宇

（中煤華晉集團有限公司，山西 河津 043300）

為保障中煤華晉集團有限公司王家?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)測系統(tǒng)，并將預(yù)測預(yù)報及防治技術(shù)進行大數(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)測預(yù)警技術(shù)體系[1-2]。

1 煤層底板突水動態(tài)微震監(jiān)測系統(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)測案例及現(xiàn)場勘查結(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?？紤]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)測系統(tǒng)對工作面底板奧灰水進行防治水監(jiān)測。

1.2 觀測系統(tǒng)

1.2.1 臺網(wǎng)布設(shè)

12313 回采工作面底板突水動態(tài)微震監(jiān)測，一次覆蓋監(jiān)測區(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），通過對監(jiān)測點進行倒樁，平移整個微震監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)12313 工作面回采煤層底板突水監(jiān)測。

布設(shè)一套24 通道微震監(jiān)測系統(tǒng)，分為2 個12通道微震監(jiān)測分站，每個微震監(jiān)測分站連接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)測需要（微震信號弱），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 臺微震監(jiān)測分站及1 支三軸微震傳感器、9 支單軸微震傳感器?；谕跫?guī)X礦12313 工作面地質(zhì)條件及現(xiàn)場勘查結(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)測區(qū)域沿煤層走向長810 m。底板突水動態(tài)微震監(jiān)測臺網(wǎng)如圖1。

圖1 底板突水動態(tài)微震監(jiān)測臺網(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)測設(shè)計方案，現(xiàn)場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)場實際情況而定。

（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)計鉆孔深度約4.5 m，如圖2。

圖2 底板突水動態(tài)微震監(jiān)測微震鉆孔示意圖？

（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)測區(qū)域選取多個敲擊實驗點，如微震監(jiān)測點附近約20 m、10 m 處的煤層壁幫和頂部；然后使用大錘結(jié)合金屬底板進行敲擊實驗，每個敲擊點錘擊10 次，記錄下敲擊時間；最后根據(jù)敲擊實驗波的到時與敲擊點到傳感器的距離，計算地震波傳播速度，綜合統(tǒng)計多個敲擊實驗點的測試結(jié)果，獲得微震處理時使用的地震波速。

2 12313 回采工作面底板水害微震監(jiān)測分析

對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行處理。

2.1 底板破壞時間域分析

對2#煤底板下伏煤巖體的微震事件處理結(jié)果進行時間域分析，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)測到微震事件4781 個。

（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，在11 月底板微震事件數(shù)達到最大，可能與回采進度有關(guān)。11 月后每月微震事件數(shù)減少，表明回采活動對2 煤底板的采動破壞處于平穩(wěn)狀態(tài)。

2.2 底板破壞能量分析

對回采期間2#煤底板下伏煤巖體的微震事件進行能量分析，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底板圍巖造成的擾動所產(chǎn)生的。

2.3 底板破壞空間域分析

對2 煤底板下伏煤巖體的微震事件進行空間分析。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也在向前進行移動。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，剛開始回采對底板的擾動較大，隨著回采的進行，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)域進行雙差層析定位與成像結(jié)果分析，共圈定出8 個異常區(qū)域。

（1）1 號區(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，其受采動影響的范圍和受破壞強度在一直增大，至高程550 m處達到最大，然后隨著高程增加，其受采動影響的范圍和受破壞強度在減小，至高程600 m 處降到最低。因此判斷出1 號區(qū)域為現(xiàn)場生產(chǎn)活動對底板三號異常區(qū)域產(chǎn)生擾動導(dǎo)致應(yīng)力集中，影響高度為450～600 m。

（2）2 號區(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，其受采動影響的范圍和受破壞強度在一直增大，至高程530 m 處達到最大，然后隨著高程的增加，其受采動影響的范圍和受破壞強度在減小，至高程600 m 處降到最低。因此，判斷出2 號區(qū)域為現(xiàn)場開采活動對頂板四號異常區(qū)域產(chǎn)生擾動導(dǎo)致應(yīng)力消散。

（3）3 號區(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號區(qū)域為斷層活化導(dǎo)致產(chǎn)生的影響，影響高度為400～700 m。

（4）4 號區(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，受采動影響范圍和受破壞強度在增大，至530 m 處達最大，然后隨著高程的增加，受采動影響范圍和受破壞強度在減小，至550 m 處消失。判斷4 號區(qū)域為現(xiàn)場開采活動對底板五號異常區(qū)域產(chǎn)生擾動導(dǎo)致應(yīng)力消散。

（5）5 號區(qū)域從400～530 m 速度逐漸增大，至530 m 處達到最大后逐漸減小，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 號區(qū)域為低速異常區(qū)，通過分析該區(qū)域為四號底板和五號頂板異常產(chǎn)生擾動導(dǎo)致應(yīng)力消散。

（7）7 號區(qū)域為高速異常區(qū)，從550 m 開始發(fā)育，為回采擾動引起的工作面前方頂板應(yīng)力集中。

（8）8 號區(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，導(dǎo)致8 號異常范圍減小。

綜上所述，12313 工作面8 個異常區(qū)主要為三類異常區(qū)，一是地質(zhì)異常區(qū)：三號底板異常區(qū)、四號底板異常區(qū)、五號底板異常區(qū)、四號頂板異常區(qū)、五號頂板異常區(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12313 工作面進行微震預(yù)警監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，主要結(jié)論：12313 工作面回采活動對2 煤底板的采動破壞處于一個平穩(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，同時要注意前方應(yīng)力集中區(qū)，保證生產(chǎn)的安全有序進行。