劉曉國,夏楊,牟文強(qiáng),任波,韓云春,余國鋒,李連崇

(1.淮南礦業(yè)集團(tuán)煤業(yè)分公司 張集煤礦, 安徽 淮南市 232001;2.中國能源建設(shè)集團(tuán)安徽電力建設(shè)第一工程有限公司, 安徽 合肥 230088;3.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110819;4.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)國家重點實驗室, 安徽 淮南市 232001)

0 引言

隨著地下礦產(chǎn)開采活動的日益增多,開采活動逐漸由淺部轉(zhuǎn)為深部,礦山開采的難度也越來越大。再加上礦山特殊的作業(yè)環(huán)境、復(fù)雜的地質(zhì)情況,及一些潛在的不安全因素,導(dǎo)致災(zāi)害事故頻繁發(fā)生,而地下礦山一旦發(fā)生災(zāi)害事故如垮塌、冒頂片幫、泥石流、瓦斯突涌、井下突水、地面沉陷等,將嚴(yán)重威脅到井下工人的生命安全和礦山生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益,帶來巨大的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失[1]。為了避免或者減小開采帶來的災(zāi)害,監(jiān)測礦山地壓、位移、微震等活動規(guī)律成為重點,在開采過程中可以依據(jù)這些規(guī)律來預(yù)測可能存在的安全隱患,并可提前采取相關(guān)措施。

微震監(jiān)測技術(shù)作為一種煤巖體微破裂的三維空間監(jiān)測技術(shù),在礦井安全開采方面得到了非常廣泛的應(yīng)用,如礦井突水、冒頂、沖擊地壓等災(zāi)害預(yù)警,微震監(jiān)測技術(shù)在重大地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報方面得到了迅速發(fā)展[2-3]。微震監(jiān)測技術(shù)主要采集巖體等脆性材料在外力等荷載作用下發(fā)生微破裂時釋放彈性變形能的時間、空間、強(qiáng)度,基于監(jiān)測到的信息推演微破裂的發(fā)生位置,國外許多學(xué)者針對微震監(jiān)測與突水災(zāi)害預(yù)警進(jìn)行了深入研究。水害作為礦井五大災(zāi)害之一,水害的形成和發(fā)生都有一個從孕育、發(fā)展到發(fā)生的變化過程,在這變化過程中不同階段都有其對應(yīng)的前兆[4-7]。導(dǎo)水裂隙通道是煤層頂?shù)装逶陂_挖擾動、承壓水共同作用下導(dǎo)致煤巖體失穩(wěn)形成的,根據(jù)國內(nèi)外的研究成果,微破裂是導(dǎo)水裂隙形成的前兆信息。采用微震監(jiān)測手段監(jiān)測導(dǎo)水通道的形成、發(fā)展、孕育、演變過程是可行的。

張鵬海等通過利用微震監(jiān)測技術(shù)以及數(shù)值模擬等手段研究了導(dǎo)水通道的孕育過程[8-10];孫令海等[11]將微震事件能量分布與工作面周期來壓步距進(jìn)行對比,以此來驗證微震監(jiān)測導(dǎo)水裂隙帶的合理性;李翔等[12]研究了微震震源的高精度定位方法,為微震監(jiān)測技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。

基于上述研究成果,本文從微震監(jiān)測角度出發(fā),結(jié)合張集煤礦1613A工作面水文地質(zhì)條件,研究采動影響下底板導(dǎo)水通道地質(zhì)異常體的微震監(jiān)測響應(yīng)特征,對于保證礦山安全生產(chǎn)、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要的理論與實際意義。

1 工程地質(zhì)及防治水措施

1.1 工作面概況

1613A工作面東側(cè)起于西三采區(qū)1煤系統(tǒng)巷道;西側(cè)至F22斷層上盤附近;北側(cè)為1612A工作面;南側(cè)為1615A工作面。1613A工作面煤層標(biāo)高-541.8～597.4 m,設(shè)計可采走向長1451 m,傾向長200 m,1煤層厚3.5～8.5 m(運(yùn)順里段處煤層沖刷變薄區(qū),厚度為3.5 m),平均6.5 m,煤層傾角6°～12°,平均9°,煤層發(fā)育穩(wěn)定。采用綜合機(jī)械化走向長壁分層開采。

C3Ⅰ組灰?guī)r為1613A工作面底板直接充水含水層(組),平均厚度32.41 m。1煤層底板距該含水層頂板17.45～19.91 m,受太原組灰?guī)r水直接威脅,含水組按深度主要為C3Ⅰ組、C3Ⅱ組、C3Ⅲ組、奧灰層。而深部奧陶系灰?guī)r含水層可能通過底板垂向?qū)畼?gòu)造與太原組灰?guī)r含水層發(fā)生水力聯(lián)系,對1煤層開采造成間接威脅。

1.2 工作面地質(zhì)情況

三維地震、地面鉆探及巷道實際揭露資料顯示,1613A工作面回采范圍內(nèi)煤巖層總體近似為單斜構(gòu)造;地層走向85°～120°,傾向175°～210°,在構(gòu)造發(fā)育附近煤巖層產(chǎn)狀可能有一定變化。

在工作面回采范圍內(nèi),地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜,軌順共揭露斷層7條;運(yùn)順共揭露斷層10條;面內(nèi)西三1煤-600 m疏水巷共揭露3條、底抽巷共揭露4條,三維地震斷層1條,總計共19條斷層;對該工作面回采有較大影響的斷層分別為:F1613A77(H=5.4 m)、面內(nèi)延伸約187 m;F1611A76(H=3.2～5.4 m),影響回采長度87 m,寬度貫穿整個工作面;F1613A78(H=2.5～6.5 m),基本貫穿整個工作面;F1613A78-1(H=4.0 m),面內(nèi)延伸約120 m。

根據(jù)工作面三維地震測量及鉆探資料,確定了1613A工作面底板存在垂向?qū)ǖ?導(dǎo)水通道位于C33下層位以下,平面上為一長約53 m、寬約35 m橢圓形區(qū)域。1613A工作面底板垂向?qū)ǖ牢?、東邊界位置對應(yīng)工作面運(yùn)順退尺343.7 m、378.9 m,軌順退尺354.1 m、389.3 m,北邊界距軌順最小距離63 m、距運(yùn)順最小距離83 m。導(dǎo)水通道分布位置如圖1所示。

圖1 導(dǎo)水通道平面位置分布

1.3 導(dǎo)水通道防治水措施

針對此區(qū)域,系統(tǒng)地進(jìn)行了導(dǎo)水通道地面注漿,物探、鉆探驗證,井下注漿補(bǔ)強(qiáng)等工程,封堵1煤底板至奧灰間主要裂隙導(dǎo)水通道。地面注漿治理施工1個主孔,3個分支,實施了多分支孔分段注漿方法,即考慮水流沖刷作用,分支孔在不同層位分別布置,實施多個層位孔的分階段注漿,以實現(xiàn)高效封堵,如圖2所示。共進(jìn)行了12次注漿,總注漿量為7696.3 m3,水泥總用量為6469.5 t。

圖2 多分支孔分段注漿

為驗證1613A工作面底板導(dǎo)水通道的治理效果,在西三1煤-600 m疏水巷開展直流電法、音頻電透視及瞬變電磁綜合物探法。通過綜合分析可知,導(dǎo)水通道注漿區(qū)范圍內(nèi)無相對低阻異常區(qū)。

井下鉆探驗證,驗1#孔仍有出水,在孔深251 m時水量約30 m3/h,經(jīng)井下多次注漿處理,驗1#孔水量逐漸減小,逐步穩(wěn)定在7～8 m3/h,仍具有深部灰?guī)r水特征。對比治理前11#孔最大出水量(220 m3/h),說明通過注漿控制了底板出水量、封堵了煤層底板至奧灰含水層之間的主要裂隙通道。為增強(qiáng)治理效果,后期對底板導(dǎo)水通道異常區(qū)域增補(bǔ)多個鉆孔進(jìn)行了注漿封孔,增補(bǔ)鉆孔累計注入水泥115.16 t,對導(dǎo)水通道及周邊裂隙進(jìn)行二次封堵充實,能夠起到對底板灰?guī)r含水層加固補(bǔ)強(qiáng)的效果。

通過地面注漿,封堵了A組煤層底板至奧灰間主要裂隙導(dǎo)水通道;通過綜合探查治理、治理效果驗證及補(bǔ)強(qiáng),深部奧灰導(dǎo)水通道得到有效封堵,治理效果較好。

2 工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)

采用的直流電法、音頻電透視及瞬變電磁綜合物探等方法只能勘查某一時刻的地下物理場分布情況,鉆探方法雖然精確,但其只能探查局部地區(qū)的地質(zhì)情況,傳統(tǒng)驗證方法存在局限性,并不能準(zhǔn)確把握地下水文地質(zhì)條件的變化。導(dǎo)水通道對應(yīng)工作面運(yùn)順退尺343.7,378.9 m,軌順退尺354.1,389.3 m,處于工作面“二次見方”前期,且導(dǎo)水通道前方約10 m處為1613A措施巷和F1613A78斷層,該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,當(dāng)工作面回采至導(dǎo)水通道處時,礦壓將急劇增強(qiáng),在強(qiáng)礦壓和底板承壓水的共同作用下,將無法保證注漿封堵效果。在此采用微震監(jiān)測方法,布置高精度微震監(jiān)測系統(tǒng),通過感知導(dǎo)水通道形成過程中的巖石破裂,對導(dǎo)水通道形成過程進(jìn)行監(jiān)測并精細(xì)定位,存在風(fēng)險時及時預(yù)警,為工作面安全回采提供保障。

2.1 微震監(jiān)測原理

在人為或自然因素的作用下,地下應(yīng)力場會發(fā)生改變,應(yīng)力的變化會使地下巖石發(fā)生破裂或者滑移,在這一過程中會產(chǎn)生微弱的地震波并在周邊的介質(zhì)中傳播。通過在空間的不同方位上布置微震傳感器,便會采集到這些微震波的初始到達(dá)時間、傳播方向等信息,數(shù)據(jù)采集、儲存后,然后利用各種相關(guān)的信號處理計算方法確定出巖石破裂點,即震源的位置及發(fā)震的時間[13]。微震監(jiān)測系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 微震監(jiān)測系統(tǒng)原理

2.2 微震監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建

考慮到斷層和導(dǎo)水通道等地質(zhì)異常體影響工作面回采,為了更加精確地監(jiān)測地質(zhì)異常體的實際微震情況,檢波器盡可能布設(shè)在地質(zhì)異常體附近?；诠ぷ髅婊夭蛇M(jìn)度以及檢波器安裝的可行性,同時充分利用1613A工作面附近的所有巷道,即在1613A工作面運(yùn)順布置20個單分量檢波器,在-600 m水平疏水巷布置16個單分量檢波器,在軌順布置20個單分量檢波器,同一條巷道內(nèi)的檢波器水平間隔約100 m,不同巷道交錯布置,組成全包圍式檢波器布置方式,保證監(jiān)測精度(見圖4)。檢波器均打孔安裝于煤層底板,更有利于監(jiān)測底板裂隙發(fā)育情況。探明的地質(zhì)異常體(導(dǎo)水通道)被至少7個探頭實現(xiàn)三維立體包圍,能夠?qū)Σ蓜悠陂g地質(zhì)異常體注漿加固后穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測分析。

圖4 工作面微震檢波器布置

通過在工作面內(nèi)放炮對微震監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了校驗分析,對P波速度模型進(jìn)行了不斷優(yōu)化,調(diào)整至3400 m/s,能夠滿足定位精度要求。

3 注漿地質(zhì)異常體微震響應(yīng)

導(dǎo)水通道地質(zhì)異常體發(fā)育在工作面運(yùn)輸巷道退尺343.7,378.9 m和軌道巷道退尺354.1,389.3 m范圍內(nèi),根據(jù)研究內(nèi)容,截取2020年11月9日(運(yùn)順316.9 m、軌順327.4 m)至2020年11月21日(運(yùn)順386.3 m、軌順391.6 m)的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,如圖5所示。圖中,1煤底0～17 m之間一般包含C3Ⅰ組灰?guī)r;1煤底17 m之后為C3Ⅱ組及C3Ⅲ組灰?guī)r層。

圖5 數(shù)件數(shù)量折線統(tǒng)計

由圖5可知,微震事件的總數(shù)呈波動變化,在11月13日時達(dá)到最大值,到11月20日時再次呈現(xiàn)顯著增幅。同時,11月9日至14日之間,底板巖層的C3Ⅰ組層段事件較多(1煤底0～17 m),且能發(fā)現(xiàn)C3Ⅰ組層段事件數(shù)量與事件總數(shù)量成正比關(guān)系,當(dāng)工作面來壓時(11月11日、11月13日、11月20日),底板破壞深度會顯著增加,最深事件深度統(tǒng)計如圖6所示。

圖6 最深事件的深度統(tǒng)計

進(jìn)一步對微震事件進(jìn)行分析,11月9日至14日事件分布平面圖如圖7所示,圖中陰影填充虛線所示區(qū)域為地質(zhì)異常體導(dǎo)水,藍(lán)色粗虛線包絡(luò)線所示區(qū)域為底板深部事件密集區(qū),粗實線段為當(dāng)日退尺。

圖7 微震事件分布平面圖

從圖7可以看出,當(dāng)工作面來壓時,C3Ⅰ組層段事件多且聚集,主要分布在F1613A78斷層和措施巷偏向軌順一側(cè),事件分布范圍并未與導(dǎo)水通道重合,深部事件主要由沿空巷道應(yīng)力集中、F1613A78斷層和措施巷薄弱以及工作面來壓引起,地質(zhì)異常體注漿治理效果良好,隔水性能并未在強(qiáng)礦壓及承壓水的影響下破壞,微震事件出現(xiàn)典型的繞路分布特征,采動影響下仍具有良好的阻隔水能力。在工作面回采通過導(dǎo)水通道區(qū)域的時間段,并未監(jiān)測到C3Ⅱ、C3Ⅲ組層段事件,說明C3Ⅰ組灰?guī)r并未通過隱伏斷層、地質(zhì)異常體與C3Ⅱ、C3Ⅲ組灰?guī)r發(fā)生直接水力聯(lián)系。

4 結(jié)論

(1)張集煤礦1613A工作面導(dǎo)水通道異常區(qū)附近地質(zhì)條件復(fù)雜,受斷層、強(qiáng)礦壓及底板承壓水的影響,存在突水隱患。傳統(tǒng)的物探方法只能勘查某一時刻的地下物理場分布情況,鉆探方法雖然精確,但其只能探查局部地區(qū)的地質(zhì)情況,傳統(tǒng)驗證方法存在局限性,并不能準(zhǔn)確把握地下水文地質(zhì)條件的變化情況。通過在1613A軌順、運(yùn)順和疏水巷布置微震檢波器,實現(xiàn)了對工作面底板的微震監(jiān)測。

(2)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明,在導(dǎo)水通道附近并未監(jiān)測到C3Ⅱ、C3Ⅲ組層段事件,微震事件出現(xiàn)典型的繞路分布特征,所提出的多分支孔分段注漿方法的治理效果良好,C3Ⅰ組灰?guī)r并未通過隱伏斷層、地質(zhì)異常體與C3Ⅱ、C3Ⅲ組灰?guī)r發(fā)生直接水力聯(lián)系,沒有突水風(fēng)險,實現(xiàn)了工作面的安全開采。