段建華
(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)
華北型煤田普遍存在巖溶水侵襲的問題,近年來,隨著煤礦開采深度的不斷增加,巖溶水對礦井的威脅日益突出[1]。常規(guī)的底板水害防治方法主要集中在采區(qū)或者工作面致災(zāi)因素探查和底板注漿改造,這些工作一般在工作面回采前已經(jīng)完成,但是,根據(jù)大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果,底板水害往往是在工作面回采過程中發(fā)生的[2]。工作面回采過程中發(fā)生的底板水害,實(shí)際上是地下采礦活動使得圍巖在采動應(yīng)力誘發(fā)作用下處于峰后應(yīng)力狀態(tài)或者破碎狀態(tài)極大地改變了圍巖的孔隙結(jié)構(gòu)和滲透性,導(dǎo)致隔水層的隔水能力降低,在承壓水水壓的作用下發(fā)生突水[3-6],其作用機(jī)理復(fù)雜[7],加之地質(zhì)條件復(fù)雜,突水影響因素較多,常規(guī)的物探和鉆探手段很難客觀地反映底板突水通道的形成和演化過程以及工作面回采過程中底板承壓水的導(dǎo)升變化特征。
武強(qiáng)[8]提出在采動條件下,礦井水害的形成和發(fā)生都有一個從孕育、發(fā)展到發(fā)生的演變過程,在這一過程的不同階段,應(yīng)力應(yīng)變、水壓(水位)、水溫、涌水量等方面均會釋放出對應(yīng)的突(透)水征兆,及時、準(zhǔn)確、有效地監(jiān)測這些征兆信息,建立一個集礦井水害監(jiān)測、判識和預(yù)警技術(shù)于一體的完整體系,對于預(yù)防重特大水害事故的發(fā)生具有重要的理論意義和實(shí)用價值。楊天鴻等[9]提出“突水三要素為:①水源(含水層)、② 導(dǎo)水通道(斷層、陷落柱、破碎帶)、③采礦擾動因素,3 個要素缺一不可”的觀點(diǎn)。煤礦底板突水本質(zhì)上就是以含水層為突水水源,以破碎裂隙帶為導(dǎo)水通道,采礦擾動為影響因素,3 個要素共同作用的結(jié)果[9]。水源即為含水層的賦水性以及不同含水層水溫、水質(zhì)的不同,是煤礦水害形成最關(guān)鍵的要素之一[10],對水源的監(jiān)測手段主要有并行電法[11]、電阻率法[12]、水溫或水壓[13-14]監(jiān)測等,在孔中或者孔巷測試,一般采用視電阻率斷面圖或電阻率反演成像,對礦井電法監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理解釋,解釋結(jié)果多數(shù)局限于二維[15],魯晶津[12]研究了三維電阻率反演成像技術(shù),并且取得了不錯的效果?;⒕S岳等[10]提出導(dǎo)水通道的過水能力與斷面尺寸是影響水害嚴(yán)重程度的主要因素。斷層、陷落柱等一般采用常規(guī)物探手段基本可以探查清楚[16],但是破碎帶往往是在采動應(yīng)力作用引起的二次或多次破碎下不斷調(diào)整形成的[9],因此,需要對其進(jìn)行長期監(jiān)測。對底板破碎帶監(jiān)測的主要手段有微震監(jiān)測技術(shù)[17]、網(wǎng)絡(luò)并行電法[18]、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測[19],網(wǎng)絡(luò)并行電法、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測都是通過視電阻率、應(yīng)變等物理量的變化間接推斷破碎帶的位置,而微震監(jiān)測技術(shù)則是直接測量破裂帶的空間位置。
鑒于此,本文根據(jù)“下三帶”理論[20-22]和導(dǎo)升遞進(jìn)理論[23-25],以葛泉礦東井11916 工作面為背景,采用“井-地-孔”微震監(jiān)測技術(shù)和視電阻率監(jiān)測技術(shù),構(gòu)建底板水害綜合監(jiān)測系統(tǒng),于2019 年在工作面回采過程中開展水害監(jiān)測。
微震監(jiān)測技術(shù)是利用布置在測區(qū)周圍的傳感器接收微地震信號,根據(jù)傳感器坐標(biāo)求取震源位置、震源機(jī)制等參數(shù),近實(shí)時地獲得裂縫空間展布特征的地球物理監(jiān)測方法[26]。在礦山開采領(lǐng)域,微震監(jiān)測最早被用于研究沖擊地壓和礦震等問題,隨著儀器制造技術(shù)的進(jìn)步和定位精度的提高,逐步被用于監(jiān)測煤礦導(dǎo)水通道形成和活化,為煤礦水害防治服務(wù)[27]。姜福興等[28]、程文關(guān)等[29]等利用微震監(jiān)測技術(shù)開展了底板和頂板導(dǎo)水裂隙監(jiān)測的研究,效果良好。該技術(shù)具有實(shí)時、連續(xù)監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn),是描述導(dǎo)水通道孕育、發(fā)展到最終失穩(wěn)過程的有效技術(shù)手段[28]。震源參數(shù)三要素之中,震源平面位置、發(fā)震時刻和震級的計(jì)算精度較高,而震源深度的定位誤差相對較大[30-32],“井下-地面-孔中”聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)(簡稱:“井-地-孔”微震監(jiān)測技術(shù))是對傳統(tǒng)微震監(jiān)測技術(shù)的創(chuàng)新,該技術(shù)通過在井下巷道、地面、地面孔中或井下孔中同時布置傳感器,對破裂點(diǎn)進(jìn)行全方位立體監(jiān)測,能夠大幅提高震源深度定位精度。
“井-地-孔”聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)定位原理如圖1 所示,S和Ti分別表示微震源和第i個傳感器,其中,(x0,y0,z0)和(xi,yi,zi)分別表示震源和第i個傳感器的坐標(biāo),t0和ti分別表示震源發(fā)震時間和第i個傳感器震動波初至?xí)r,假設(shè)震動波的傳播速度為v,可以建立由n個式(1)組成的方程組,解方程組即可獲得震源的位置(x0,y0,z0)和發(fā)震時間t0。
圖1 “井-地-孔”微震監(jiān)測定位原理Fig.1 Positioning principle of “well-ground-hole” microseismic monitoring
從其定位原理可以看出,只需要有4 個傳感器接收到震動波就可以對其進(jìn)行定位,“井-地-孔”微震監(jiān)測技術(shù)由于數(shù)據(jù)采集點(diǎn)可以對震源形成包圍,監(jiān)測數(shù)據(jù)更為豐富,定位精度可以達(dá)到5 m,能夠滿足防治水的要求,可以更好地對導(dǎo)水裂隙帶進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和準(zhǔn)確定位。
“井-地-孔”微震監(jiān)測系統(tǒng)由地面監(jiān)測分站、地面?zhèn)鞲衅?、地面服?wù)器、井下監(jiān)測分站、巷道傳感器、孔中傳感器、通信分站、數(shù)據(jù)傳輸、配套的數(shù)據(jù)采集與處理軟件等組成,地面的無線傳輸設(shè)備與井下的光纖環(huán)網(wǎng)組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。其工作原理為:傳感器負(fù)責(zé)采集震動信號,并將其傳輸?shù)奖O(jiān)測分站;監(jiān)測分站將震動信號數(shù)字化,并將其傳輸?shù)酵ㄐ欧终?;通信分站將?shù)字信號通過數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器,由服務(wù)器的數(shù)據(jù)采集與處理軟件進(jìn)行定位和分析。
一般監(jiān)測底板破壞[33]時需要在井下巷道和孔中布置傳感器,監(jiān)測頂板裂隙時需要在地面、井下巷道、地面孔中布置傳感器。
電法監(jiān)測在礦山領(lǐng)域的應(yīng)用始于巖體破裂失穩(wěn)過程的電阻率監(jiān)測礦井電法[34],隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展,逐步被應(yīng)用于井下探測煤層底板隔水層厚度和底板水導(dǎo)升高度[35],取得了良好的效果。網(wǎng)絡(luò)并行電法儀等工作面采動破壞監(jiān)測設(shè)備研制成功[36]和井下監(jiān)測試驗(yàn)的陸續(xù)開展[37-38],為井下電法監(jiān)測儀器的長遠(yuǎn)發(fā)展積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
回采工作面視電阻率監(jiān)測系統(tǒng)是專門用于監(jiān)測煤礦頂?shù)装辶严稁欠衽c含水層導(dǎo)通的儀器。工作原理如圖2 所示,在工作面2 側(cè)巷道頂板或者底板布置電極,一側(cè)發(fā)射人工激發(fā)的電場,另一側(cè)接收,2 側(cè)巷道全部接收和發(fā)射完成后,利用擬高斯-牛頓法對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行全空間三維視電阻率反演,反演數(shù)據(jù)體為頂?shù)装鍘r層中每個5 m×5 m×5 m 網(wǎng)格的視電阻率值,利用多次監(jiān)測結(jié)果,分析頂?shù)装逡曤娮杪实漠惓W兓?,并且對破壞裂隙的?dǎo)水性進(jìn)行判識,實(shí)現(xiàn)工作面水害風(fēng)險的動態(tài)評估和預(yù)警。
回采工作面視電阻率監(jiān)測系統(tǒng)由地面服務(wù)器、通信分站、監(jiān)測分站、數(shù)據(jù)傳輸電纜、電極、配套的數(shù)據(jù)采集與處理軟件等組成[39]。
冀中能源股份有限公司葛泉礦東井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90 萬t/a,可采煤層為9 號煤(底板標(biāo)高為-128 m),工作面布置采用走向長壁以及傾向長壁方式,綜合機(jī)械化開采,11916 工作面設(shè)計(jì)走向長度約1 080 m,傾向?qū)挾燃s70 m,煤層呈單斜構(gòu)造,傾角7°~21°,平均厚度5.5 m,兩巷高差約20 m,11916 運(yùn)料巷西北側(cè)是11915 工作面采空區(qū),如圖3 所示,工作面底板至本溪灰?guī)r間距平均約20.3 m(圖4)。隔水層巖層結(jié)構(gòu)以鋁土質(zhì)粉砂巖、中細(xì)粒砂巖、粉砂巖為主,阻水性能中等。工作面底板至奧陶系灰?guī)r含水層的隔水巖層厚度為36.0~43.6 m,平均41.1 m。隔水層巖性組合以粉砂巖、細(xì)砂巖、中細(xì)砂巖、灰?guī)r和鋁土質(zhì)粉砂巖為主,其中,粉砂巖、細(xì)砂巖占總厚度的47.5%左右;可塑性比較強(qiáng)的鋁土質(zhì)軟巖類厚度占總厚度的32.7%左右,本溪灰?guī)r厚度約占總厚度的19.8%。這種軟硬相間且具有一定厚度的隔水層結(jié)構(gòu)在未受構(gòu)造破壞的情況下,具有較好的阻水性能。賦水性中等、厚度較薄的本溪組巖溶裂隙含水層(簡稱“本灰”)以及賦水性好、巨厚層狀奧陶系巖溶裂隙含水層(簡稱“奧灰”)是工作面的主要含水層,其中奧灰?guī)r溶水是礦井主要水害防治對象。9 號煤底板隔水層將承受1.71~2.21 MPa 的奧灰水壓,計(jì)算得出該工作面突水系數(shù)為0.047~0.061 MPa/m,工作面存在底板巖溶突水威脅。
圖3 微震與電阻率傳感器布置Fig.3 Layout of microseismic and resistivity sensors
圖4 9 號煤層底板水文地質(zhì)綜合柱狀示意圖Fig.4 Hydrogeological comprehensive columnar diagram of No.9 coal seam floor
工作面前期已經(jīng)實(shí)施了底板本灰含水層注漿加固工程,由于11913 工作面在回采過程中發(fā)生了突水,后期又對本工作面的奧灰含水層進(jìn)行了加固,2 次加固共施工鉆孔52 000 m,注漿用水泥92 000 t,整個注漿工程的直接投入為:52 000 m×300 元/m+92 000 t×320 元/t=4 320 萬元,但是底板傾角大,隔水層厚度變化大,而且在工作面運(yùn)料巷西北側(cè)存在直徑超過50 m 的陷落柱,經(jīng)打鉆驗(yàn)證陷落柱含水,雖然陷落柱已經(jīng)過注漿改造,但是仍然存在突水風(fēng)險,因此,本文利用井-地-孔微震、視電阻率監(jiān)測技術(shù)建立綜合突水監(jiān)測系統(tǒng),分別對導(dǎo)(突)水通道、水源進(jìn)行監(jiān)測,本次綜合突水監(jiān)測系統(tǒng)投入為260萬元,設(shè)備費(fèi)為180 萬元,耗材為80 萬元,其中設(shè)備可以重復(fù)使用,考慮到設(shè)備折舊,本工作整個監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)際投入按照(180 萬元×1/5+80 萬元)116 萬元計(jì)算,該費(fèi)用為注漿工程費(fèi)用的2.6%,大大降低人員和財(cái)產(chǎn)損失。
11916 工作面附近共有3 個巷道可以布置傳感器,本次選擇將傳感器布置在東翼運(yùn)輸巷和工作面運(yùn)料巷,東翼運(yùn)輸巷在工作面回采期間不會垮塌,在回采后便于保護(hù)傳感器及其電纜的完整性,可以更好監(jiān)測工作面采空區(qū)底板的破裂情況。井下共布置拾震傳感器41 個,其中巷道內(nèi)布置28 個,道距50 m;孔中布置13 個,道距50~100 m,布置傳感器的孔垂深25 m,傾角45°;地面一共布置4 個傳感器,道距250 m,具體測點(diǎn)布置如圖3 所示。
為了更好監(jiān)測11916 工作面采空區(qū)底板視電阻率及其變化,將電極布置在運(yùn)料巷和東翼運(yùn)輸巷,2 個巷道各布置101 個電極,電極間距為10 m,2 個巷道的無窮遠(yuǎn)電極分別布置在距離停采線1 500 m 的位置。電極埋置方式如圖5 所示,在巷道底板靠近外幫處打孔,孔深1.5 m,傾角45°,把錨桿放入孔中,用黃泥封孔,錨桿尾部連接監(jiān)測電纜。
工作面監(jiān)測長度為1 000 m,而采煤擾動對底板破壞的范圍有限,無需對整個工作面1 000 m 范圍同時進(jìn)行監(jiān)測,因此,采用滾動監(jiān)測方式??紤]到底板視電阻率的強(qiáng)弱對比,單次監(jiān)測須覆蓋200 m范圍,隨著工作面的推進(jìn),監(jiān)測電極逐步向推進(jìn)方向移動,電極的移動通過地面數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)置即可,無需在井下進(jìn)行人工干預(yù)。
圖5 電極安裝示意Fig.5 Schematic diagram of electrode installation
數(shù)據(jù)采集過程,采用單極發(fā)射-偶極接收方式,首先,運(yùn)料巷的1 號電極發(fā)射,東翼運(yùn)輸巷的1~21號電極依次接收,每次都利用最小二乘法和小波分析技術(shù)對接收的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理;接著,運(yùn)料巷的2 號電極發(fā)射,東翼運(yùn)輸巷的1~21 號電極依次接收,直到運(yùn)料巷21 個電極全部發(fā)射完成;然后,東翼運(yùn)輸巷的1 號電極發(fā)射,運(yùn)料巷的1~21 號電極依次接收,直到東翼運(yùn)輸巷的21 個電極全部發(fā)射完成;最后,自動反演軟件采用擬高斯-牛頓法對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行全空間三維電阻率反演,并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的參數(shù)對三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行二維切片、三維異常體提取和立體成像等操作,從而實(shí)現(xiàn)了對底板巖層富水性變化過程的實(shí)時動態(tài)成像。其中電極的切換與數(shù)據(jù)的采集由數(shù)據(jù)采集軟件自動完成,不需要人工干預(yù)。
為了提高震源定位精度,在實(shí)施監(jiān)測前需要測量地震波在巖層中的傳播速度,本次試驗(yàn)利用標(biāo)定炮的方法進(jìn)行測量,即把起爆位置當(dāng)成一個已知的點(diǎn)震源,進(jìn)行反演分析,從而獲得地震波的傳播速度,并且可以利用標(biāo)定炮對定位精度進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)標(biāo)定炮測得葛泉礦東井11916 工作面底板圍巖破裂產(chǎn)生縱波的介質(zhì)傳播速度為3 100 m/s。
采用平均波速3 100 m/s 計(jì)算,微震定位結(jié)果為:(9 507.467,1 625.886,303.878),實(shí)際放炮震源坐標(biāo)為(9 514.527,1 627.926,305.198),誤差分別為Δx=7.06 m,Δy=2.04 m,Δz=1.32 m,平均誤差為3.473 m,11916 工作面隔水層平均厚度為41.1 m,定位誤差小于隔水層厚度的1/10,能夠滿足監(jiān)測需要。
開展為期6 個月的微震監(jiān)測,共監(jiān)測到微震事件8 381 個,其中發(fā)生在底板的事件3 086 個。11916工作面煤層傾角較大,為了便于統(tǒng)計(jì)分析,本文利用底板等高線,通過數(shù)據(jù)計(jì)算將煤層轉(zhuǎn)換為近水平煤層,正常情況下底板破壞深度為20~25 m,從圖6中可以看出,9 月6 日前底板的破壞深度為20~25 m,但是在9 月6 日—14 日底板微震事件標(biāo)高范圍的分布特點(diǎn)發(fā)生了變化,分布比較均勻,底板破壞深度已經(jīng)達(dá)到了35 m,9 月14 日該工作面底板出水,水量2 m3/h。
圖6 9 號煤層底板不同標(biāo)高范圍微震事件分布統(tǒng)計(jì)Fig.6 Histogram of elevation range distribution of floor microseismic events of No.9 coal seam
圖7 為工作面煤層、底板巖層以及底板微震事件分布圖,從圖7 可以看出在紅線位置底板破壞深度明顯加深,很多微震事件已經(jīng)進(jìn)入本溪灰?guī)r含水層。圖8a 為底板微震事件在YZ平面的密度(單位體積內(nèi)微震事件數(shù)量)圖、圖8b 為底板微震事件在XY平面的密度圖,從圖8 看出在9 月14 日前,運(yùn)料巷附近底板破裂深度明顯大于其他位置,在運(yùn)料巷附近微震事件密度明顯增加,該區(qū)域底板破壞劇烈,結(jié)合圖7—圖8,可以推斷中間巷底板靠近運(yùn)料巷側(cè)的導(dǎo)水通道可能已經(jīng)形成。
開展了為期6 個月的視電阻率監(jiān)測,共采集到完整的視電阻率數(shù)據(jù)體2 723 個,每次監(jiān)測工作面長度為200 m,如圖9 所示,從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看,底板20 m 范圍內(nèi)視電阻率一直都保持較高的狀態(tài),說明底板水的高度沒有發(fā)生明顯變化。
從圖10 可知,在運(yùn)料巷35 號電極附近底板下存在一個低阻異常區(qū)域逐漸變大,該區(qū)正是9 月14日的出水點(diǎn)。
結(jié)合圖7、8、10 發(fā)現(xiàn),圖8 中破裂較深位置處的導(dǎo)水通道已經(jīng)形成,并且從圖10 中的低阻異常,及其隨時間不斷從下到上的發(fā)育過程驗(yàn)證了有水從該通道涌出,從圖8 中看出,當(dāng)工作面推進(jìn)至中間巷時,此處發(fā)生出水,結(jié)合圖11 可以看出,底板破壞較深的位置正是視電阻率異常體發(fā)育之處,推測底板水是通過該通道進(jìn)入運(yùn)料巷,引起該處底板出水。
圖7 工作面底板巖層與微震事件分布Fig.7 Distribution of floor rock layer and microseismic events in working face
圖8 9 號煤層底板微震事件平面密度圖Fig.8 Plane density diagram of microseismic events of No.9 coal seam floor
從微震與視電阻率監(jiān)測結(jié)果來看,在9 月6~14日確實(shí)存在一次底板突水過程,其突水位置正好為工作面推進(jìn)位置附近,頂板覆巖垂直壓力集中于工作面前10~15 m 范圍的煤壁內(nèi)[40],該范圍正好與工作面中間巷道對底板的剪切破壞作用重合,加之此處靠近陷落柱,使得該處的底板破壞深度明顯增加,而且從圖7 中可以看出,在底板下35 m 深的范圍內(nèi)微震事件的分布比較均勻,使得底板裂隙具有很好的連通性,形成了導(dǎo)水通道,從圖10 中4 d 的電阻率異常區(qū)域的變化情況也說明了底板水正通過該通道逐步進(jìn)入巷道,導(dǎo)致出水。
圖9 9 月4 日9 號煤層底板視電阻率水平剖面Fig.9 Horizontal section of apparent resistivity of floor on September 4
微震與視電阻率監(jiān)測技術(shù)分別從導(dǎo)水通道與水源2 個突水要素進(jìn)行監(jiān)測是解決底板突水監(jiān)測的有效途徑。微震監(jiān)測技術(shù)僅僅能夠監(jiān)測底板裂隙,由于地質(zhì)情況復(fù)雜,底板巖層的厚度、位置不清晰,底板裂隙的深度也不盡相同,導(dǎo)致在不同的工作面位置,僅僅依靠底板裂隙深度很難判斷裂隙是否與含水層建立起水力聯(lián)系,即導(dǎo)水通道是否形成;而視電阻率監(jiān)測技術(shù)則正好可以彌補(bǔ)這一缺陷,如果裂隙中的富水性增強(qiáng),視電阻率會明顯降低,這就為導(dǎo)水通道的形成提供了科學(xué)依據(jù),也就為突水預(yù)警提供了科學(xué)依據(jù)。
圖10 35 號電極9 月8—14 日底板視電阻率垂直剖面Fig.10 Vertical plane of apparent resistivity of No.35 electrode from September 8 to 14
圖11 工作面底板巖層與微震事件和電阻率異常體分布Fig.11 Distribution of floor rock layer,microseismic events and resistivity anomalies in working face
a.葛泉煤礦11916 工作面9 號煤層傾角較大,底板地形較復(fù)雜,從井-地-孔微震監(jiān)測結(jié)果可知:回采過程中底板破壞深度變化較大,在中間巷附近底板破壞深度達(dá)到30~35 m,其他區(qū)域底板破壞深度為20~25 m。
b.井-地-孔微震監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測11916工作面回采過程中底板的破壞情況,而且能夠監(jiān)測不同位置不同時間底板的破壞情況;根據(jù)微震事件的空間位置和平面密度圖,結(jié)合視電阻率監(jiān)測結(jié)果可以推測導(dǎo)水通道的形成。
c.視電阻率監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)?1916 工作面回采過程中底板巖層的視電阻率及其變化情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,根據(jù)視電阻率的變化,結(jié)合井-地-孔微震監(jiān)測結(jié)果能夠?qū)Φ装逋凰L(fēng)險進(jìn)行評價。
d.井-地-孔微震監(jiān)測技術(shù)和視電阻率監(jiān)測技術(shù)構(gòu)建的底板水害綜合監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)Φ装逋凰^程中的導(dǎo)水通道和水源實(shí)施有效監(jiān)測,為突水預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。
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