楊光躍，高 剛

（1.河南平禹煤電有限責(zé)任公司，河南 禹州 461670；2.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引 言

微震監(jiān)測技術(shù)已在煤炭行業(yè)防治水領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用，基于微震評價礦井的突水危險性，開展了微震監(jiān)測技術(shù)在底板水害防治中的研究與應(yīng)用。余國鋒[1]以開采前靜態(tài)預(yù)測評價、回采中底板破壞微震實時監(jiān)測與動態(tài)預(yù)測相結(jié)合的工作面突水危險性多源信息監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，初步實現(xiàn)了淮南礦區(qū)深部A 組煤開采底板水害的智能預(yù)警；靳德武[2]結(jié)合微破裂定位三維呈像結(jié)果，建立基于巖層破裂程度與微震能量密度計算反演導(dǎo)水通道的判別方法，通過連通路徑反演得到工作面內(nèi)存在多條主導(dǎo)裂隙，并以視電阻率監(jiān)測驗證了導(dǎo)水通道的存在；程關(guān)文[3]基于微破裂前兆是突水等礦山動力災(zāi)害的共性特征理念，通過通過擬合現(xiàn)場微震監(jiān)測的頂板破壞高度數(shù)據(jù)，確定了導(dǎo)水裂隙帶高度和工作面的超前影響范圍，超前識別隱性斷層的存在；查華勝[4]通過微地震的時空分布，確定底板破壞帶的時空分布，進一步對水流震蕩信號進行波形分析和定位，得到灰?guī)r含水層上覆巖體裂隙擴展進水的時空分布，進而確定煤層底板破壞帶和承壓水導(dǎo)高帶的空間分布及互聯(lián)情況。

本文以平禹一礦二1-15010 工作面回采期間，底板采動破壞帶對灰?guī)r含水層的影響為研究對象，通過對微震信號的采集、分析，反演圍巖微破裂的破壞位置，分析現(xiàn)場微震監(jiān)測的底板斷層活化破壞深度數(shù)據(jù)，反映底板隔水層在采動過程中破裂情況，實現(xiàn)水害實時監(jiān)測預(yù)警，為指導(dǎo)工作面底板灰?guī)r水害防治工作提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

平禹煤電公司一礦位于禹州市北10 km，礦井采用混合開拓，開采二疊系山西組二1 煤層、二3煤層。二1 煤結(jié)構(gòu)簡單，煤厚一般為4～6 m，二3煤一般為2 m。二1-15010 采面位于五采區(qū)東翼上部，工作面井下標(biāo)高-142—-228 m，地面標(biāo)高+128—+138 m，埋深270～366 m，走向長750 m，采寬161 m，平均煤層傾角28°，煤厚6 m，可采儲量97.44 萬t。工作面采煤方法為走向長壁后退式，綜采放頂煤工藝回采，風(fēng)巷、機巷均采用U型鋼支護，以全部垮落法管理頂板。

二1-15010 工作面上方二3 煤厚度1.6 m，已回采，二1、二3 煤間隔層2.6 m。石炭系下段灰?guī)r水和寒灰水為二1 煤層底板間接充水含水層，工作面最低點底板隔水層承受寒灰水壓為1.68 MPa。平禹一礦二1 煤開采底板突水的主要充水通道為導(dǎo)水?dāng)鄬雍透邏旱叵滤黄贫? 煤底板而形成的通道。當(dāng)導(dǎo)水?dāng)鄬訉?dǎo)通L1～3 灰含水層與寒灰含水層時，將會使礦井涌水量急劇增大，造成嚴重的突水事故。

2 采煤工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 微震監(jiān)測原理

煤礦采掘活動引起巖體應(yīng)力集中發(fā)生突水的過程屬于漸進損傷范疇，采動影響了非均質(zhì)性巖體內(nèi)部天然缺陷及采礦活動對原巖造成了的破壞，應(yīng)力與應(yīng)變準連續(xù)演化，當(dāng)巖體受力超過巖體的強度則巖體傾向于破壞，而缺陷巖體所能承受的強度更小，連續(xù)演化過程中首先表現(xiàn)在采場巖體構(gòu)造薄弱部位的破壞或擴張，漸進式破壞導(dǎo)通含水層則誘發(fā)突水。因此，在礦井開采中，利用微震監(jiān)測技術(shù)，探查圍巖及底板關(guān)鍵巖層的損傷規(guī)律和損傷量，尤為重要。

由于井工礦井作業(yè)環(huán)境嘈雜、振動源眾多，因而對煤層采動中下伏隔水層與含水層微破裂信號的有效捕捉，是水害監(jiān)測的關(guān)鍵。此次研究采用KJ1073 微震監(jiān)測系統(tǒng)，具有高精度、寬頻、廣域的特點，采集巖石破裂和錯動時發(fā)出的微地震波信息，多算法自動P 處理后，獲得每一次微震動的準確位置及震源參數(shù)，用微震“時空簇”理論的方法描述突水通道形成的空間位置及其形狀，分析其與煤層底板破壞范圍之間的相互關(guān)系，為底板水害防控提供參考。

2.2 微震監(jiān)測系統(tǒng)布置

依托平禹一礦二1-15010 工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)，在地面搭建平禹一礦微震監(jiān)測平臺，包括微震數(shù)據(jù)處理服務(wù)器、微震授時服務(wù)器、專業(yè)數(shù)據(jù)處理及微震事件三維展示軟件等，如圖1 所示。系統(tǒng)平臺將微震數(shù)據(jù)、分析結(jié)論、地質(zhì)圖形、微震圖像等多種媒體有機地結(jié)合在一起，通過系統(tǒng)累計監(jiān)測數(shù)據(jù)的深度挖掘?qū)Ρ?，提高水害信息的利用率?/p>

圖1 平禹一礦微震監(jiān)測平臺Fig.1 The microseismic monitoring platform of Pingyu No.1 Mine

在井下布設(shè)微震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖2 所示。利用現(xiàn)有巷道條件，采用兩巷道交叉非對稱布置檢波器，兩條巷道各布置8 個檢波器，相鄰間距120 m，構(gòu)成微震信號接收陣列，有效監(jiān)測檢波器陣列周圍400 m 范圍內(nèi)的巖體破裂信號，重點采集開采煤層一定范圍內(nèi)采、掘活動引發(fā)的地下水運動異常，包括裂隙沖擴、破巖形成的微震事件。以（x,y,z） 為震源坐標(biāo)，t 為不同檢波器接收震動波的初至?xí)r刻，因此需要至少要4 個檢波器同時記錄到震源振動的波形信號才能求取震源參數(shù)。

圖2 二1- 15010 工作面微震監(jiān)測陣列布置Fig.2 The arrangement of microseismic monitoring array in No.II1-15010 Face

系統(tǒng)安裝成功后，采用“人工誘震”方式進行調(diào)試，保證其監(jiān)測精度。在已知點位施放校正炮，收集到波形后，首先對檢波器接收順序進行驗證，保證通道正確，然后擬合震點坐標(biāo)與每個檢波器的距離和波形的初至?xí)r間，得到適用于二1-15010 工作面的分層波速文件，均勻波速為5 000 m/s，最后調(diào)整系統(tǒng)定位參數(shù)，確保校正后定位誤差為5 m。經(jīng)測試，二1-15010 工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)ΡO(jiān)測區(qū)域的破裂震源進行有效定位分析，滿足了工作面回采期間底板水害監(jiān)測的要求。

3 工作面微震事件分布特征

3.1 微震活動層位分布特征

平禹一礦二1-15010 工作面微震監(jiān)測周期為2021 年4 月5 日～2023 年1 月1 日。回采監(jiān)測期間微震事件共計28 749 個，日均45 個，見表1。根據(jù)震源發(fā)生地層分布統(tǒng)計，頂板事件15 568 個，占總事件54.2%；底板事件13 181 個，占總事件45.8%。巖層微破裂空間集中發(fā)育在二1 煤頂0～16 m、二1 煤底- 太原組上段灰?guī)r。監(jiān)測期間無太原組下段灰?guī)r以深微震事件發(fā)生，表明煤層底板與寒武系灰?guī)r之間沒有導(dǎo)水通道形成，可安全回采。

表1 回采期各層位事件統(tǒng)計Table 1 The statistical table of each horizon event in mining period

3.2 底板破壞深度實時監(jiān)測

基于微震監(jiān)測技術(shù)，實時、連續(xù)捕捉底板下伏巖體微破裂信號時空變化，分析底板破壞帶的發(fā)育情況，判斷底板下方灰?guī)r水是否入侵以及導(dǎo)水通道是否形成。底板破壞范圍隨著回采的推進而不斷滑移，尤其是周期來壓時，巨烈的動壓造成底板擾動深度加大。根據(jù)不同深度范圍內(nèi)事件集中度，結(jié)合煤層底板微震事件剖面圖來確定底板破壞深度以及應(yīng)力擾動范圍，如圖3 所示。整個監(jiān)測周期共監(jiān)測到底板微震事件13 181 個，其中二1 煤底- 太原組上段灰?guī)r范圍內(nèi)8 032 個，占總底板事件80%，且集中在距離二1 煤底板0～20 m。

圖3 監(jiān)測期底板事件剖面示意圖Fig.3 The profile of floor event during the monitoring period

煤層采動造成礦山壓力以壓剪切作用破壞煤層底板，原生裂隙持續(xù)發(fā)生擴展、演化，平均深度為20 m。推采至退尺200～400 m 段，微震活動增強，巖層間裂隙互相貫通，底板巖體破壞深度逐漸加深至平均25 m。退尺500 m 后，微震活動平靜，底板破壞深度減小至14 m，并主要集中于工作面內(nèi)。

統(tǒng)計煤層底板不同深度微震事件頻度，如圖4所示。底板深度0～32 m 層段事件占比0.854，且底板下16～20 m 范圍內(nèi)事件數(shù)量下降明顯、低于變化均值。底板下32 m 以深微震事件零星出現(xiàn)，不具有底板破壞帶的密集發(fā)育特征。基于微震監(jiān)測技術(shù)的底板采動破壞深度微震實時獲取的一般模式，選取正常影響區(qū)范圍微震事件，確定二1-15010工作面回采底板破壞深度為14～16 m，最大應(yīng)力擾動范圍為二1 煤底板下28～32 m。

圖4 底板不同深度頻次變化Fig.4 The number variation of microseismic events at different depths of the floor

3.3 合理回采速度確定

工作面煤體采出量的速度，關(guān)系到上覆巖層斷裂周期及圍巖穩(wěn)定性，研究推進速度與微震活動特征的關(guān)系，以確定工作面合理推進速度，達到有效防控底板突水的目的。

如圖5 所示，選取2021 年10 月至2022 年10月推進速度與微震活動數(shù)據(jù)，根據(jù)推進速度將該面的推進情況分為兩個部分。

圖5 工作面推進與微震事件頻次關(guān)系Fig.5 The relationship between working face advance and number of microseismic events

第一部分2021 年10 月至2022 年5 月。該階段二1-15010 工作面的推進速度較慢，日均回采速度1.2 m，對應(yīng)的微震事件頻次較低。推進度保持小幅度變化時，煤巖體能量處于積聚狀態(tài)，達到一定程度后，能量突然釋放，產(chǎn)生大能量事件的概率增大，不利于安全生產(chǎn)。

第二部分2022 年5 月至2022 年10 月。該階段內(nèi)二1-15010 工作面推進較快，日均回采速度1.6 m，單日事件頻次較上一部分整體下降約40%。能量較大的微震事件一般是在推進度變化較大時發(fā)生的。圍巖破壞釋放的總能量隨工作面的推進有所增加，但是并沒有單次大能量發(fā)生。分析原因，對于二1 煤與二3 煤分層開采，二1 煤頂板已釋放過一部分應(yīng)力，由于回采速度較快，煤巖體應(yīng)力聚積期短，除來壓位置能量釋放急劇增加外，其他時刻能量釋放較為平穩(wěn)，有利于頂板管理。

因此，從微震活動角度考慮，二1-15010 工作面日退尺合理范圍在1.5～1.8 m。

3.4 超前應(yīng)力破壞規(guī)律

微震事件密集發(fā)育位置反映巖層破裂場及超前支撐應(yīng)力場位置。根據(jù)微震數(shù)據(jù)可知，工作面來壓往往伴隨著巖層破裂場顯著發(fā)育，如圖6 所示。采線前平均60 m 范圍內(nèi)微震事件密集程度高，表明工作面的頂、底板產(chǎn)生大量的原生裂隙，且裂隙間已有相互貫通趨勢，這些原生裂隙在超前支承應(yīng)力影響下活化運動。而采線前方60 m 以外的微震事件分布呈現(xiàn)分散趨勢，這些微震活動就屬于微破裂，尚未形成有效裂隙，屬于超前支承應(yīng)力影響范圍。

圖6 巖層破裂場與微震事件關(guān)系Fig.6 The relationship between rock fracture field and microseismic events

根據(jù)微震監(jiān)測和理論分析的結(jié)果，認為二1-15010 工作面的超前支承應(yīng)力主要集中在超前工作面0～60 m，最大影響范圍為120～150 m。

4 結(jié) 論

（1） 構(gòu)建平禹一礦微震監(jiān)測系統(tǒng)，對二1 煤工作面回采期間底板巖體微破裂變化進行實時監(jiān)測，分析得出采動誘發(fā)煤層底板產(chǎn)生具有時空聚集特征的、采場來壓顯現(xiàn)相吻合的微震活動。

（2） 微震監(jiān)測系統(tǒng)采集、處理、確定微震事件分布，形成底板連續(xù)微破裂分布規(guī)律，可分析微震頻次和圍巖累計破壞，確定二1-15010 工作面回采底板破壞深度為14～16 m。

（3） 通過分析微震活動與回采速度的關(guān)聯(lián)性，提出二1-15010 工作面日退尺合理范圍為1.5～1.8 m，且二1-15010 工作面的超前支承應(yīng)力范圍為0～60 m，為安全回采提供參考。