余國(guó)鋒,汪敏華,任波,魏廷雙,韓云春,鄭群,李連崇,陳建
(1.淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 淮南市 232000;2.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,安徽 淮南市 232000;3.淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司煤業(yè)分公司,安徽 淮南市 232000;4.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院,遼寧 沈陽(yáng) 110819)
微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種監(jiān)測(cè)巖體破裂響應(yīng)的三維空間監(jiān)測(cè)技術(shù)。近幾年,微震監(jiān)測(cè)技術(shù)為油氣水力壓裂裂縫擴(kuò)展范圍提供了可靠依據(jù);為礦井災(zāi)害如沖擊地壓、礦井突水等的預(yù)警提供了有力的技術(shù)支持。目前的微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)主要分為地面監(jiān)測(cè)和井中監(jiān)測(cè)兩種。地面監(jiān)測(cè)在監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域,比如壓裂井周圍的地面上布置若干接收點(diǎn)進(jìn)行微地震監(jiān)測(cè),主要監(jiān)測(cè)裂縫的擴(kuò)散范圍。井中監(jiān)測(cè)在監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域周圍臨近的井中布置接收排列,進(jìn)行微地震監(jiān)測(cè),主要監(jiān)測(cè)巖體損傷破裂范圍。對(duì)煤礦開采工程,微震監(jiān)測(cè)是在開采工作面附近空間布置傳感器,通過(guò)傳感器所拾取的波動(dòng)信息,如:震動(dòng)波監(jiān)測(cè)到的時(shí)間點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間,根據(jù)方位,結(jié)合多個(gè)拾震器的空間坐標(biāo)以及震源的均差或方差建立聯(lián)合方程組,進(jìn)而求解得到最大可能的震源位置和震動(dòng)波信息,最終給出受采動(dòng)影響的工作面圍巖基質(zhì)的破壞特征,為工作面的安全開采提供重要技術(shù)支持和決策依據(jù)。
建立微震系統(tǒng)需要大量的微震傳感器,通常傾斜長(zhǎng)度為1500 m 的工作面需要布置的傳感器數(shù)量約為30 個(gè)。根據(jù)微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)運(yùn)行規(guī)則,每6~8 個(gè)傳感器需要1 臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)主機(jī),則2000 m 的工作面需要采集儀的數(shù)量為4~5 臺(tái)。而微震系統(tǒng)中采集盒的費(fèi)用相當(dāng)大,嚴(yán)重限制了微震系統(tǒng)在礦井的應(yīng)用。同時(shí),傳感器以往采用埋設(shè)的方式進(jìn)行安裝,往往是一次性消耗品,造成嚴(yán)重浪費(fèi),也限制了微震技術(shù)的應(yīng)用。進(jìn)一步改進(jìn)微震監(jiān)測(cè)方法,推進(jìn)在煤礦中的廣泛應(yīng)用成為亟需解決的問(wèn)題,為此提出可采用井下固有錨桿的形式,配合循環(huán)利用的原則以實(shí)現(xiàn)低成本、低消耗的微震監(jiān)測(cè)。
本文以潘二礦12123 工作面為工程背景,提出并實(shí)施了固有錨桿控制下的底板破壞微震循環(huán)監(jiān)測(cè)方法,并通過(guò)典型構(gòu)造區(qū)微震信號(hào)特征與理論解析驗(yàn)證了可行性與有效性,為微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用推廣提供了一種有效的新方法。
潘二煤礦位于安徽省淮南市潘集區(qū)境內(nèi),隸屬淮南礦業(yè)集團(tuán)。礦井位于潘集背斜東段的陶王背斜北翼及其轉(zhuǎn)折端。12123 工作面位于潘二煤礦第一水平西二采區(qū),東起西二A 組煤采區(qū)上山,西以DF14斷層為界,北沿12223 上順槽掘進(jìn),南以設(shè)計(jì)標(biāo)高為準(zhǔn)。上限標(biāo)高為-435.6 m,下限標(biāo)高為-508.1 m。工作面可采走向長(zhǎng)為1003 m,傾斜長(zhǎng)為221 m。12123 工作面內(nèi)存有4 條巷道:軌道巷、運(yùn)輸巷,兩條巷道沿煤層底板布置;上底抽巷、下底抽巷,兩條巷道布置在太原組C32灰?guī)r中。煤層傾角為3°~22°,平均為10°。12123 工作面回采期間將揭露斷層27 條,其中落差大于、等于5 m 的有3 條,落差為3~5 m 的有2 條,落差小于3 m 的有22 條,地質(zhì)條件較為復(fù)雜。
A 組可采煤層有2 層,分別為3 煤和1 煤,煤層賦存較穩(wěn)定,煤質(zhì)優(yōu)良。據(jù)西二采區(qū)鉆探資料:3 煤厚為0~6.4 m,平均厚為4.5 m;局部夾有泥巖夾矸;頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖和粉砂巖;底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖,3 煤與下伏1 煤間距1.2~1.8 m,平均為1.5 m。1 煤厚2.1~3.9 m,平均厚3.0 m。底板為海相泥巖,砂泥巖互層,薄層粉砂巖及細(xì)砂巖,距太原組灰?guī)r10.3~21.83 m,平均為15.90 m。根據(jù)采掘資料、地面鉆孔及三維地震資料,影響工作面的充水因素主要有太原組灰?guī)r巖溶水、頂板砂巖裂隙水、斷層水、鉆孔水及老空區(qū)積水。太原組灰?guī)r自上而下可分為三組,即C3Ⅰ組、C3Ⅱ組、C3Ⅲ組,每組含灰?guī)r3~6 層,均為弱富水性。3 煤底板距C3Ⅰ組灰?guī)r平均距離為21 m,12123 工作面直接充水水源為底板C3Ⅰ組灰?guī)r巖溶水。
微震監(jiān)測(cè)是通過(guò)檢波設(shè)備構(gòu)建的臺(tái)網(wǎng)來(lái)測(cè)定巖石在施工過(guò)程中的破裂信號(hào)。根據(jù)震源定位原理,微震監(jiān)測(cè)需在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布置4 個(gè)以上傳感器來(lái)接收信號(hào),同時(shí)需要在工作面具有高程差的兩條巷道內(nèi)均勻布置,以實(shí)現(xiàn)空間交錯(cuò)式全覆蓋。為保證高精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)效果,微震傳感器在每條巷道內(nèi)的間距應(yīng)維持在80~150 m 之間。根據(jù)12123 工作面地質(zhì)概況,工作面長(zhǎng)度約1003 m、底板有上下兩個(gè)底抽巷,水平間距約為130 m、高程約為40 m,因此將微震的測(cè)點(diǎn)布置在上下兩個(gè)底抽巷內(nèi),如圖1 所示。
圖1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
工作面自上下底抽巷里段(開切眼方向)開始,計(jì)算確定采場(chǎng)內(nèi)所需要的監(jiān)測(cè)點(diǎn)并安裝傳感器,上底抽巷內(nèi)的編號(hào)為1#~9#、下底抽巷編號(hào)為10#~18#?;趯?duì)微震傳感器維護(hù)、信號(hào)傳遞以及現(xiàn)場(chǎng)施工的考慮,傳統(tǒng)安裝方法存在如下問(wèn)題:第一,由于潘二礦區(qū)是高瓦斯礦井,不能使用井下焊接錨桿,只能利用錨固劑固定接觸螺栓以安裝傳感器;第二,如果傳感器利用接觸螺栓與錨桿連接,螺栓與錨桿的接觸面容易產(chǎn)生接觸不緊密、存在縫隙等問(wèn)題,極易導(dǎo)致產(chǎn)生更多的干擾信號(hào),對(duì)微震信號(hào)的接收產(chǎn)生干擾。因此,在潘二礦實(shí)施過(guò)程中,基于對(duì)傳感器接收信號(hào)以及錨桿型號(hào)的了解,設(shè)計(jì)了一種針對(duì)固有錨桿的含接觸螺栓的錨桿-探頭裝配器,如圖2 所示。首先,將接觸螺栓外殼提前相互連接,并將裝配器通過(guò)含內(nèi)部螺紋的外殼與錨桿實(shí)現(xiàn)緊密貼合;其次,在安裝時(shí),傳感器與螺栓、外殼通過(guò)預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)貼合,同時(shí)內(nèi)倉(cāng)的接觸螺栓與錨桿再次施加預(yù)緊力貼合,從而實(shí)現(xiàn)傳感器高效接收信號(hào)的目的。
圖2 固有錨桿上的傳感器安裝
具備循環(huán)特性的固有錨桿安裝傳感器方法如下:首先,在自工作面開切眼走向長(zhǎng)度約600 m 的巷道內(nèi)部?jī)蓚?cè)固有錨桿上分別固定6 個(gè)傳感器,標(biāo)號(hào)分別為1#~6#和10#~15#,其中1#~6#通過(guò)初始連接線與數(shù)據(jù)采集儀Paladin 1#進(jìn)行連接,10#~15#通過(guò)初始連接線與數(shù)據(jù)采集儀Paladin 2#進(jìn)行連接;其次,隨著工作面逐漸推進(jìn),在工作面回采過(guò)1#傳感器距離約100~150 m 左右時(shí),圖1 中的1#、10#傳感器全部位于采空區(qū)內(nèi),此時(shí)因?yàn)?#、10#傳感器所在的工作面內(nèi)的頂板巖層已基本完成垮落,該處的底板處于安全范圍內(nèi),同時(shí)因?yàn)?#、11#傳感器仍可以監(jiān)測(cè)1#傳感器所在的采空區(qū)底板。因此可以將與1#傳感器連接的采集儀Paladin1#上的通道與7#傳感器連接、將10#傳感器連接的采集儀Paladin2#上的通道與16#傳感器連接,則可以將有效監(jiān)控區(qū)沿推進(jìn)方向前推100~150 m。依次類推直至每條巷道內(nèi)的最后兩個(gè)傳感器連接形成如圖1 所示的后期監(jiān)測(cè)區(qū),完成對(duì)整個(gè)工作面回采過(guò)程中底板的有效監(jiān)測(cè)。
由于在工作面附近各種聲音混雜在一起,傳感器接收到的波形很多,如人工噪聲波形、機(jī)械設(shè)備噪聲波形、帶電設(shè)備電流干擾信號(hào)波形,爆破波形等。根據(jù)典型微震事件特征,準(zhǔn)確提取出微震波形圖是進(jìn)行微震事件定位的關(guān)鍵一步。典型微震事件特征如下:信號(hào)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)約500 ms,初至及結(jié)束時(shí)振幅均較小,衰減較慢,尾波發(fā)育,波形圖如圖3所示。在眾多波形信號(hào)中篩選出有效微震事件定位的過(guò)程中,必須對(duì)檢波器接收到的干擾信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾,才能準(zhǔn)確提取到微震事件信號(hào),主要利用濾波處理的方法對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾處理。經(jīng)過(guò)過(guò)濾后的微震信號(hào),利用提取P 波初至的定位方式對(duì)發(fā)生破壞的震源位置進(jìn)行定位反演。
圖3 有效波形下的微震特征
通過(guò)巖石破裂觸發(fā)微震事件,檢波器接收到的波形信號(hào),其震源參數(shù)主要包括反映微震量級(jí)的參數(shù),如地震矩、震源能量、震源半徑、地震級(jí),這些參數(shù)主要反映單個(gè)微震事件應(yīng)力釋放能量大?。环从硯r體破裂空間規(guī)模的發(fā)育參數(shù),如時(shí)間簇密度、空間簇密度、視體積、應(yīng)力降等,這些參數(shù)主要反映微震事件群體影響規(guī)模大小。
通過(guò)對(duì)潘二礦12123 工作面內(nèi)的斷層F12224-10 進(jìn)行微震監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)在采動(dòng)影響下,由工作面距斷層面的遠(yuǎn)近,采動(dòng)影響對(duì)斷層的應(yīng)力干擾具有如下3 種現(xiàn)象。
第一,當(dāng)采動(dòng)距離離斷層面較遠(yuǎn)時(shí),采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)開始對(duì)斷層附近應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響,由于受到采動(dòng)影響較小,微震事件少(見圖4)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回采進(jìn)度,2020 年11 月8 日時(shí)距離該斷層約為上順槽60 m、下順槽160 m,則在上順槽附近開始受超前應(yīng)力的影響出現(xiàn)圍巖擾動(dòng),在斷層面附近出現(xiàn)零星微震事件。
第二,隨著工作面逐漸向前推進(jìn),工作面與斷層面之間的距離縮短,采動(dòng)應(yīng)力對(duì)斷層周圍應(yīng)力場(chǎng)的影響加大,斷層面附近微震事件增多,事件能量增大。
第三,隨著工作面逐漸靠近斷層面,斷層區(qū)域受到采動(dòng)影響的應(yīng)力擾動(dòng)越來(lái)越大,在斷層面和工作面附近出現(xiàn)大量密集的微震事件,且微震能量較大,采動(dòng)應(yīng)力極易引起斷層活化,造成底板裂隙帶發(fā)育高度增大,給底板突水帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回采進(jìn)度,2020 年11 月19 日起,距離該斷層上順約25 m 至下順140 m,斷層區(qū)域受超前應(yīng)力擾動(dòng)較大,微震事件數(shù)增多,呈密集狀態(tài)(見圖4)。
圖4 斷層帶微震事件分布特征
通過(guò)對(duì)斷層活化階段的現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)基于固有錨桿的循環(huán)監(jiān)測(cè)方法可以通過(guò)移動(dòng)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)斷層附近微震事件變化,說(shuō)明這種基于固有錨桿的循環(huán)監(jiān)測(cè)方法是有效的,可以進(jìn)行斷層底板破壞監(jiān)測(cè)。
由于潘二礦底板面臨奧灰承壓水突水風(fēng)險(xiǎn),為了防止工作面在開采過(guò)程中出現(xiàn)突水,利用井下的固有錨桿安裝微震檢波器,對(duì)煤層底板破壞深度進(jìn)行微震監(jiān)測(cè),達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)底板突水風(fēng)險(xiǎn)的目的。結(jié)論如下:
(1)根據(jù)12123 工作面長(zhǎng)度約1003 m,利用研發(fā)的固有錨桿安裝傳感器,共布設(shè)了18 個(gè)探測(cè)點(diǎn)實(shí)施循環(huán)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)了傳感器高效接收信號(hào),基于典型微震事件波形實(shí)現(xiàn)了微震事件定位;
(2)利用微震循環(huán)監(jiān)測(cè)方法對(duì)斷層F12224-10進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),微震事件在斷層帶的分布特征與回采變現(xiàn)出時(shí)空一致性,與理論解析是一致的。同時(shí)在斷層及工作面附近微震事件聚集度較大,也進(jìn)一步驗(yàn)證了方法的可行性。