閆文超，崔偉雄，段建華，叢 琳，藺兌波

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安 710077）

一次能源消費(fèi)中煤炭依然作為主要的能源。隨著淺部可開采的煤炭資源枯竭，煤炭開采逐漸向深部推進(jìn)，然而開采深部煤炭資源將伴隨著更復(fù)雜、更嚴(yán)峻的地質(zhì)情況，面臨更多的地質(zhì)災(zāi)害的威脅[1-4]。華北地區(qū)是我國產(chǎn)煤的主要地區(qū)之一，水害是該地區(qū)的主要威脅之一，當(dāng)開采深部煤炭資源時(shí)，會(huì)改變巖層的應(yīng)力狀態(tài)，造成底板隔水層的損壞，一旦到達(dá)臨界應(yīng)力狀態(tài)就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的水害事故。掌握開采過程中巖石的破壞特征以及煤層底板的破壞情況，對安全高效開采深部煤炭資源有重要的意義[5-9]。

當(dāng)前，評價(jià)采煤過程中底板突水的方法主要有2 類，一類為靜態(tài)評價(jià)方法，例如利用數(shù)值模擬進(jìn)行分析、地質(zhì)評價(jià)法，該方法的最大不足之處是非直接性驗(yàn)證、缺乏準(zhǔn)確性、不能實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)報(bào)；另一類為現(xiàn)場測量方法，利用鉆探方法去直接進(jìn)行驗(yàn)證、利用電法和電磁法進(jìn)行驗(yàn)證等；鉆探驗(yàn)證的方法相對滯后并且增加工程成本、效率低下；電法和電磁法不能直接獲取底板的破壞深度。以上方法不能直接對導(dǎo)水通道進(jìn)行探測，也不能實(shí)時(shí)監(jiān)測巖層的破裂失穩(wěn)過程和活化規(guī)律[10-12]。

微震監(jiān)測技術(shù)作為一種巖石破裂微地震監(jiān)測技術(shù)，相對于以上方法，解決此類問題是比較成熟的，微震監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測開采過程中巖石應(yīng)力的變化情況，反應(yīng)比較直接，能直接對破裂點(diǎn)進(jìn)行定位，測量精度高，可對導(dǎo)水通道的“動(dòng)態(tài)”破裂過程和活化規(guī)律進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[13-17]。

1 礦井概況

冀中能源葛泉東井礦核定生產(chǎn)能力90 萬t/a。礦井開拓方式為一對立井開拓，采用走向長壁工作面布置方式，綜合機(jī)械化開采，頂板管理為全部垮落法。葛泉東井開采下組煤（即：7#、9#煤），井下主要大巷標(biāo)高為-150 m。9#煤位于太原組下部，全井田穩(wěn)定可采，在井田大部分區(qū)域與8#煤合并，總厚度6.78 m 左右。9#煤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含3-6 層厚度不等的夾矸，煤層的上方有2.77 m 厚的隔水層，下方有20.89 m 的隔水層，9#煤層至奧灰頂面的隔水層厚達(dá)35～55 m，一般在40 m 以上。11916 工作面位于一采區(qū)軌道上山右側(cè)，11915 工作面采空區(qū)與東翼運(yùn)輸大巷之間，走向長度1 024 m、傾斜寬67 m。礦方對于開采過程中煤層底板隔水性能、裂隙發(fā)育程度等情況沒有實(shí)時(shí)的驗(yàn)證手段，為了實(shí)時(shí)了解上述情況，通過井-孔聯(lián)合微震技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測11916 工作面開采過程中底板的變化情況，為安全高效開采提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)

常規(guī)的微震監(jiān)測技術(shù)在煤礦的測點(diǎn)布置是要求“空間包裹”，實(shí)現(xiàn)內(nèi)場定位的，尤其是沖擊地壓礦井，參與定位通道數(shù)量要求不少于6 個(gè)，工作面巷道內(nèi)的拾震器（檢波器）與大巷（上下山）內(nèi)的拾震器（檢波器）可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位。存在定位誤差較大、監(jiān)測精度低等問題。井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)在進(jìn)行傳感器布置時(shí)，不僅在工作面巷道布置傳感器，而且在測區(qū)周圍打一定數(shù)量、一定深度的鉆孔用來布置傳感器，對整個(gè)測區(qū)形成包圍；很大程度上提高了定位精度，滿足煤礦監(jiān)測的要求。

井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)相對于傳統(tǒng)微震技術(shù)在觀測方式上進(jìn)行了創(chuàng)新。主要的不同之處，不僅在工作面巷道布置檢波器，而且在工作面打一定深度特定角度的鉆孔，將檢波器布置在鉆孔底部，用泥漿封孔；這種觀測方式能提取到更多的有效信號，減少巷道的干擾；井-孔聯(lián)合觀測方式能夠更加準(zhǔn)確地采集到工作面在采掘過程中的微地震信號，從而對產(chǎn)生的地震信號進(jìn)行定位，獲取異常信息。該技術(shù)監(jiān)測精度高，能夠?qū)崟r(shí)、長期、立體監(jiān)測微震事件。井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測示意圖如圖1。

圖1 井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測示意圖Fig.1 Schematic diagram of mine-hole joint micro-seismic monitoring

3 現(xiàn)場應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)在采掘過程中對危險(xiǎn)異常的實(shí)時(shí)監(jiān)測，采用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司生產(chǎn)的KJ959 煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)。KJ959 煤礦微震監(jiān)測系統(tǒng)由地面部分和井下部分組成，地面系統(tǒng)主要是主機(jī)及處理系統(tǒng)，井下部分是由采集系統(tǒng)及檢波器組成，KJ959 微震監(jiān)測系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 KJ959 微震監(jiān)測系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)Fig.2 Composition and structure of KJ959 micro-seismic monitoring system

3.1 監(jiān)測點(diǎn)布置方案

采用井-孔聯(lián)合的方式進(jìn)行監(jiān)測，就是在工作面巷道和鉆孔中共同布置微震檢波器，目的是讓檢波器對整個(gè)測區(qū)形成包圍。具體的井-孔微震監(jiān)測觀測系統(tǒng)圖如圖3。

圖3 井-孔微震監(jiān)測觀測系統(tǒng)圖Fig.3 Well-hole micro-seismic monitoring and observation system diagram

11916 工作面兩巷道分別為運(yùn)料巷和東翼運(yùn)輸巷，在2 個(gè)巷道分別布置檢波器，檢波器都在底板進(jìn)行布置，有深孔測點(diǎn)、底板錨桿布置測點(diǎn)；其中在11916 運(yùn)料巷布置微震檢波器20 個(gè)測點(diǎn)，點(diǎn)距50 m，深孔檢波器的點(diǎn)號為24、27、29、31、34、37，鉆孔孔深30 m；東翼運(yùn)輸巷布置微震檢波器22 個(gè)測點(diǎn)，點(diǎn)距50 m，深孔檢波器的點(diǎn)號為2、6、8、10、12、15、22，鉆孔孔深40 m。每臺(tái)分站監(jiān)測6 道，監(jiān)測站分別布置在11916 運(yùn)料巷42 號監(jiān)測點(diǎn)以外100 m 的側(cè)幫和東翼運(yùn)輸巷22 號監(jiān)測點(diǎn)以外100 m 的硐室內(nèi)，監(jiān)測工作面長度1 000 m。

3.2 精度定位

為了保證微震監(jiān)測的定位精度，在安裝完成整個(gè)系統(tǒng)之后利用放標(biāo)定炮的方式對整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行精度標(biāo)定。本次標(biāo)定炮的藥量為200 g ，標(biāo)定炮孔深在1.5 m。在11916 運(yùn)料巷的626 號測點(diǎn)（礦方的精確測點(diǎn)）向外20.4 m、622 號測點(diǎn)向前40 m，中間巷的633 測點(diǎn)退1.4 m、627 號測點(diǎn)前5.4 m 處各放1 炮，記錄放炮后采集到的波形，并分析放炮產(chǎn)生的地震波在巖層中傳播的速度。根據(jù)得到的速度對放炮的位置進(jìn)行計(jì)算，得到監(jiān)測系統(tǒng)定位位置和真實(shí)位置之間的誤差，誤差為3.6 m，此次的定位誤差包含垂直定位誤差；定位精度能夠滿足此次的工程定位誤差精度需求。

3.3 滾動(dòng)監(jiān)測

采用滾動(dòng)監(jiān)測的方式。每臺(tái)監(jiān)測分站同時(shí)監(jiān)測6 道測點(diǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)礦方的采掘進(jìn)度，需要人為地去換監(jiān)測點(diǎn)位，保證監(jiān)測站的監(jiān)測道數(shù)一直為6 道；第1 次監(jiān)測工作面兩巷的監(jiān)測點(diǎn)位分別為1～6 和23～28，當(dāng)采掘位置蓋過監(jiān)測點(diǎn)1 和23 時(shí)就將后面的7和29 號監(jiān)測點(diǎn)接入觀測系統(tǒng);經(jīng)過多次的滾動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)11916 工作面的全部監(jiān)測。

4 監(jiān)測結(jié)果

統(tǒng)計(jì)了2019 年7 月1 日到2019 年12 月31 日的微震監(jiān)測數(shù)據(jù)，在此期間共探測到有效微震事件4 273 個(gè)。其中最大能量為7.36 MJ，最小能量為0.1 J，由監(jiān)測數(shù)據(jù)分析計(jì)算可知1 000 J 以下的事件占比90.2%，1 000 J 以上的事件個(gè)數(shù)占9.8%。1 000 J能量以下的微震事件占大對數(shù)，且100 J 以下的能量居多，均視為危害較小的能量事件。井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測可以有效監(jiān)測到不同區(qū)間能量范圍的事件，滿足現(xiàn)場監(jiān)測要求。

由微震事件垂向分布可以看出，微震事件分布于煤層及其上下20 m 的區(qū)域，有少量分布于邊界以外的區(qū)域，在130～220 m 內(nèi)較零散的分布。

整個(gè)微震監(jiān)測期間內(nèi)，除去信噪比較差、定位誤差較大的時(shí)間后，剩余的事件底板為1 529 個(gè)，占總事件個(gè)數(shù)的36%；頂板事件為2 744 個(gè)，占總事件的64%。經(jīng)過對數(shù)據(jù)的分析處理可以得出在頂?shù)装逦⒄鹗录诓煌瑯?biāo)高的事件數(shù)量，從而為判斷整體的頂?shù)装迤茐纳疃忍峁?shù)據(jù)支撐。底板微震事件標(biāo)高柱狀圖如圖4。頂板事件標(biāo)高圖如圖5。

圖4 底板微震事件標(biāo)高柱狀圖Fig.4 Histogram of elevation of micro-seismic events on floor

圖5 頂板事件標(biāo)高圖Fig.5 Roof events elevation diagram

由圖4 可以看出，0～30 m 范圍的微震事件占大多數(shù)，主要的微震事件在標(biāo)高0～10 m 區(qū)間，可以得出底板的破壞深度在底板以下20 m 以內(nèi)。

由圖5 可以看出，0～100 m 范圍的微震事件占大多數(shù)，主要的微震事件在標(biāo)高0～50 m 區(qū)間，可以得出頂板裂隙的發(fā)育高度在頂板以上100 m 的范圍內(nèi)。

5 結(jié) 語

1）在冀中能源葛泉東井礦11916 工作面回采過程中，采用井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測的底板破壞深度為20 m，監(jiān)測的頂板裂隙發(fā)育高度在100 m的范圍內(nèi)，與礦方其他監(jiān)測手段監(jiān)測的結(jié)果基本吻合，說明井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測技術(shù)能夠監(jiān)測頂?shù)装宓那闆r，而且精度能夠滿足防治水的要求。

2）井-孔聯(lián)合微震監(jiān)測系統(tǒng)可以與其他監(jiān)測手段結(jié)合應(yīng)用，形成對工作面全方位監(jiān)測，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

3）井-孔聯(lián)合微震技術(shù)的傳感器是縱波傳感器垂直安裝時(shí)接收效果最佳，但是井下底板垂直孔的施工難度很大，后續(xù)應(yīng)在定位方法中針對該問題開展研究。