张集煤矿突水危险域微震监测系统应用_刘晓国.pdf

Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 张集煤矿突水危险域微震监测系统应用 刘晓国 1， 魏廷双1， 余国锋2， 3， 王四戌4， 韩云春2， 牟文强4， 李连崇4 （1.淮南矿业煤业分公司 张集煤矿， 安徽 淮南 232001； 2.深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室， 安徽 淮南 232000； 3.平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司， 安徽 淮南 232000； 4.东北大学 资源与土木工程学院， 辽宁 沈阳 110819） 摘要 依据张集煤矿 1612A 工作面的突水危险域及开采施工特点， 优化提出了利用锚杆作为 传导岩体破微裂信号介质， 并采用锚杆焊接、 锚固剂锚固螺栓等手段在瓦斯矿井合理安装微震 监测传感器的方法， 实现了对张集煤矿突水危险域的实时监控。利用实时波形数据及微震事件 定位结果对该方法进行了验证。结果表明 工作面推进速度与监测得到的工作面顶底板微震事 件定位结果相同， 微震定位的底抽巷巷内异常点与现场抽水泵位置基本一致， 验证了采用优化 设计方法的合理性与准确性。 关键词 矿井突水； 微震系统； 传感器； 锚杆； 监测预警 中图分类号 TD326文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 03-0111-04 Application of Micro-Seismic Monitoring System in Dangerous Area of Water Inrush in Zhangji Coal Mine LIU Xiaoguo1, WEI Tingshuang1, YU Guofeng2,3, WANG Sixu4, HAN Yunchun2, MU Wenqiang4, LI Lianchong4 （1.Zhangji Coal Mine, Huainan Mining Group Coal Industry Branch, Huainan 232001, China;2.State Key Laboratory of Deep Coal Mining and Environmental Protection, Huainan 232000, China;3.Ping’ an Coal Mining Engineering Technology Research Institute Co., Ltd., Huainan 232000, China;4.School of Resources and Civil Engineering,Northeastern University, Shenyang 110819, China） Abstract According to the dangerous area of water inrush in 1612A working face of Zhangji Coal Mine and the characteristics of mining construction, the s is proposed that the bolt is used as a signal medium for conducting rock mass fracture, and the micro-seismic monitoring sensors are reasonably installed in gas mine by means of bolt welding and bolting with anchoring agent. Based on the , the real-time monitoring for dangerous area of water inrush is realized. The is verified by the real- time wave data and the micro-seismic event location. The results show that the driving speed of the working face is the same as the monitored micro-seismic event location of the roof and floor in 1612A working face. The abnormal points of the micro- seismic location in the bottom drainage roadway are basically consistent with the position of the pumps in the field. Key words water inrush in coal mine; micro-seismic system; sensor; bolt; monitoring and early warning 微震监测技术作为一种岩体微破裂三维空间监 测技术，在矿井安全开采方面得到了广泛应用， 如 冲击地压、矿井突水灾害预警，在重大地质灾害防 治方面得到了迅速发展[1-4]。微震监测技术主要采集 岩体等脆性材料在外力等荷载作用下，发生微破裂 时释放弹性波的时间、空间、强度来推演微破裂的 发生位置，国内外很多学者针对微震监测与突水灾 害预警进行了深入研究[5-7]。导水裂隙通道是煤层顶 底板在开挖作用、承压水共同作用下导致岩体破裂 失稳而形成的，根据国内外的研究成果，微破裂是 导水裂隙形成的前兆信息，因此采用微震监测手段 监测导水通道的形成、 发展、 孕育、 演变过程是可行 的[8-10]。 张鹏海等人研究了采用微震监测结果以及数 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.03.024 刘晓国， 魏廷双， 余国锋， 等.张集煤矿突水危险域微震监测系统应用 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （3） 111-114. LIU Xiaoguo, WEI Tingshuang, YU Guofeng, et al. Application of Micro-seismic Monitoring System in Dan- gerous Area of Water Inrush in Zhangji Coal Mine ［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （3） 111-114. 基金项目 安徽省科技重大专项资助项目 （17030901023） 移动扫码阅读 111 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 值模拟等手段研究了导水通道的形成过程 [11-13]； 程 关文在煤矿突水方面研究了微震监测技术及其定位 效果可以得到很好应用，为微震监测突水灾害预测 预警提供了理论基础[14-15]。微震预测系统的监测精 度、准确性与矿井监测工作面的物联网建设-传感 器的布置方式具有重要关系，合理的设计应当根据 各个煤矿的特殊地质条件、采准巷道布置、生产成 本等而进行优化确定。 1工程概述 1） 地质概况。张集煤矿 1612A 工作面位于矿井 西风井工业广场西侧， 地面对应物有村庄、 堤坝、 公 路、农田和灌溉沟渠、地表水系以及上工作面回采 后形成的沉陷区等。根据三维地震、地面钻探及巷 道实际揭露资料显示，1612 A 工作面回采范围内 煤岩层总体近似为一单斜构造，局部地段存在波状 起伏， 地层走向 70～130， 倾向 160～220， 倾角 8～ 14， 平均 9.5， 在构造发育附近煤岩层产状可能有 一定变化。在回采范围内， 该面地质构造较复杂， 轨 道巷道揭露断层 9 条； 切眼揭露 3 条； 运输巷道揭 露断层 7 条； 疏水巷 2 条断层， 总计 21 条。对回采 有影响的断层有 4 条， 分别为 F1611A76高 0.8～3.0 m ） ， 贯穿工作面； F1612A77 （高 0.3～1.6 m ） ， 面内延伸 约 166 m； F1611A78 （高 1.2～1.5 m ） ， 面内延伸约 140 m； F1611A80 （高 0.5～2.5 m ） ， 面内延伸约 90 m。该工 作面开采煤层为 1 煤， 厚度 2.1～9.1 m， 平均 6.3 m。 煤层底板隔水层厚度平均约 17 m， 灰岩承压含 水层是工作面回采的重要充水水源。根据掘进期间 1612A 轨道巷及运输巷所揭露的多条断层均出现 滴、 淋水， 预计回采期间工作面回采至断层附近可能 有淋、 滴水现象； 工作面掘进过断层期间均无灰岩水 出水现象， 工作面穿层钻孔、 定向长钻孔等底板钻孔 均无较大出水现象，但回采期间受回采扰动明显后 仍需采取针对性的防治灰岩水措施，突水危险域分 布如图 1。 2） 巷道布置与开采情况。1612A 工作面采用的 图 1突水危险域分布 Fig.1Distribution of water inrush areas 是走向长壁、 综合机械化采煤方法、 分层开采， 煤层 自顶板进行回采。工作面净宽 199.6 m， 工作面可推 进长度 1569 m。 该工作面为本采区第 2 个回采工作 面， 工作面进、 回风巷布置与煤层走向基本一致。运 输巷通过工作面溜煤眼与采区运输下山连接，在生 产期间运输煤炭；轨道巷直接和回风下山相连实施 回风。在轨道巷道、运输巷与煤底板轨道下山之间 均布置有进料联巷， 在回采期间进料、 回风和进风。 1612A 轨道巷与运输巷均沿煤层跟顶布置，梯形断 面净规格为 5.2 m 3.5 m （宽高） 。 1613A 底抽巷为 煤层下布置，直墙半圆拱断面，断面净规格为 4.4 m 3.5 m （宽高） 。 2微震系统传感器安装优化设计 微震传感器布置设计考虑到 F1611A76 断层、 F1611A77 断层、 F1611A78 断层、 F1611A80 断层对工 作面回采造成的影响，为了有效监测断层的实际微 震情况，微震传感器尽可能分布于断层附近。基于 工作面回采进度以及传感器安装的便捷性和可行 性，同时充分利用 1612A 工作面附近的所有巷道， 可采用 2 种巷道搭配方法， 即选择 1612A 工作面轨 道巷和运输巷、 1612A 工作面轨道巷和 1613A 底抽 巷。传感器的布置方式一般选择采用打钻孔安置于 钻孔底部的方式进行，但是考虑到张集煤矿为高瓦 斯矿井、 弱电传感器遗留采空区所带来的安全隐患， 不能采用直接埋设的方式进行；同时基于减少设备 浪费、 提高设备利用率考虑， 针对 1612A 工作面的 微震监测系统采用循环式布置方式进行。微震信号 接收原理如图 2。 根据微震传感器信号接收原理，受采动影响的 顶地板岩层发生破裂、 裂纹扩展， 岩体的破裂信号通 过岩体介质传导至传感器，传感器将信号转换为电 112 ChaoXing Vol.51No.3 Mar. 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 图 2微震信号接收原理 Fig. 2Receiving principle of microseismic signal 图 4微震波形及事件定位 Fig.4Microseismic wave and event location 信号形成波形数据。基于对传感器接收信号原理的 认识，通过锚杆与传感器相互连接仍然可以实现接 收信号，锚杆深入煤层底板岩体中。但是要求锚杆 采用钢制实体结构，其目的是能够传到微震动信 号。传感器的螺栓通过焊接、锚固等手段实现与锚 杆连接。 工作面微震传感器布设如图 3， 传感器布置 在轨道巷和运输巷内，锚杆选择在巷道内的帮部实 施钻打， 距离底板 50 mm， 呈 45～70倾角斜向下钻 打，单条巷道内相互间隔 100 m 均匀布置 12 根锚 杆。考虑如图 1 的 1612A 工作面突水危险域， 其轨 道巷道内第 1 个传感器距离开切眼约 240 m，为优 化传感器的布置矩阵， 1613A 底抽巷内第 1 个传感 器距离内联巷 210 m， 保证两巷道内的传感器称交 叉分布。 图 3工作面微震传感器布设 Fig.3Layout of microseismic sensors in the working face 根据地质条件，运输巷道内需要钻打长锚杆 8.5 m， 巷道断面尺寸不能满足施工要求； 且该工作 面为综采工作面，基于实际带式运输机巷道出煤， 为防止对采煤、运煤产生较大影响并考虑到后期对 传感器的维护，不选择在运输巷中安设传感器。选 择轨道巷、 1613A 底抽巷作为主要监测巷道。 轨道巷 钻打 12 根锚杆长度 4.5 m， 1613A 底抽巷利用原有 锚杆锚固连接 12 根。其中底抽巷位于工作面下部， 距离轨道巷约 220 m， 能够满足监测要求。 但是由于 底抽巷为无人施工巷道，并不适合在巷道内钻打锚 杆，基于底抽巷的围岩均为岩巷，确定选择底抽巷 帮部现有锚杆作为传输介质，利用锚固剂将螺栓锚 固于锚杆端头。 根据所优化的设计方案， 在张集煤矿 1612A 工 作面轨道巷、 1613A 底抽巷布置了微震传感器。其 中轨道巷新钻打锚杆 12 根， 倾角 70左右， 入岩深 度＞40 cm；底抽巷在帮部利用锚固剂固定传感器 螺栓 12 个， 入岩深度 2.5 m 左右。微震系统实时监 测 1612A 工作面微震事件微震波形及事件定位如 图 4。 3信号强度与波形数据验证分析 1） 工作面推进与信号验证。微震系统运行后， 随着工作面推进开采，岩体破坏波形数据可以实现 正常接收， 有效微震事件在顶底板岩层中均有发生， 每天的微震事件维持在 1 000 个左右。 以 4 月 10 号 所监测到的波形、微震能量事件为例，当日 1612A 工作面推进进尺约 420 m。 通过微震事件定位， 在该 区域内发生大量的微震事件，尤其是在工作面迎头 后方 0～200 m 的范围内， 顶板的微震事件较多且能 量较大， 这与工作面的开采情况是相互吻合的， 由于 该区域内断层较多且顶板自然垮落会产生较大的能 113 ChaoXing 第 51 卷第 3 期 2020 年 3 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.3 Mar. 2020 量释放。同时在超前工作面 100 m 左右范围内也有 较大能量的释放，这是由于顶板岩层超前应力作用 所导致的。 2） 巷内大能量事件分析。 如图 4， 在 1613A 底抽 巷底板表面产生大能量事件，即图中的绿色能量 球，该事件相比较其他的微震事件较为特殊，距离 工作面推进迎头约 400 m。因此对底抽巷内进行了 实地考察，发现在此处安装有大功率抽水泵，由于 传感器安装在外部，而底抽巷传感器并未用碎石等 材料掩埋，因此接收了水泵所产生的振动信号而造 成大能量事件，实现了很好的定位效果，也进一步 验证了利用设计方案方法实施微震系统的合理性。 4结语 张集煤矿 1612A 工作面断层较多、 地质条件复 杂、受承压含水层影响，存在突水安全隐患，利用 1612A 轨道巷、 1613A 底抽巷，结合焊接长锚杆 4.5 m、焊接传感器螺栓以及巷内现有锚杆锚固剂锚固 端头的安装传感器方法，实现了对工作面底板的微 震监测。通过对监测波形数据进行后期处理，定位 了工作面开采过程中的有效微震事件，利用工作面 推进速度与顶底板微震事件发生的位置验证了设计 方法的合理性，同时在底抽巷存在的异常微震点进 一步验证了该方法的合理性和定位准确性。 参考文献 ［1］ 张书敬， 姚建国， 鞠文君.千秋煤矿冲击地压与微震活 动关系 ［J］ .煤炭学报， 2012， 37 （S1） 7-12. ［2］ 翟明华， 姜福兴， 齐庆新， 等.冲击地压分类防治体系 研究与应用 ［J］ .煤炭学报， 2017， 42 （12） 3116-3124. ［3］ 王悦， 于水， 王苏健， 等.微震监测技术在煤矿底板突 水预警中的应用 ［J］ .煤炭科学技术， 2018， 46 （8） 68. ［4］ 陈歌， 孙亚军， 徐智敏， 等.微震监测技术在矿井水害 防治中的研究进展 ［J］ .金属矿山， 2019， 48 （1） 7-15. ［5］ Li T, Cai M F, Cai M. 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