基于微震监测的深埋煤层顶板导水裂隙带发育特征_侯恩科.pdf

第 48 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.5 2020 年 10 月 COAL GEOLOGY 2. Shaanxi Binchang Wenjiapo Mining Limited Company, Binzhou 713504, China Abstract The development height of the water conducting fractured zone is one of the important technical pa- rameters for mine water hazards prediction. In this paper, the combined well-surface microseismic monitoring technology was used to analyze the development characteristics of the water conducting fractured zone in working face 4103 in Wenjiapo coal mine. The results showed that for deep buried coal seams, the microseismic events oc- cured in the advance mining face with advanced influence angle ranging from the minimum of 28˚ to the maximum of 35˚. The stability of overburden decreased due to the faults. Thus, compared with normal bedrock, the overbur- den rock was easier to cause stress concentration and rock failure under the influence of coal mining. The distance between the microseismic event location and mining position increased affected by the fault, and the high density distribution area of the microseismic events shifted to the goaf, which aggravated the degree of overburden failure and increased the water conducting fractured zone height. In vertical direction, the high density area of microseis- mic events in the monitoring area of working face 4103 ranged from 400 m to 520 m. Combined with the number and the energy distribution characteristics of microseismic events, it could be concluded that the development height of caving zone in working face 4103 was 50 m, and the ratio of caving to mining was 13.16. The develop- ment height of water-conducting fractured zone was 117 m, and the ratio of fracturing to mining was 30.79. The 90 煤田地质与勘探 第 48 卷 results could provide an important basis for the analysis of water conducting fractured zone height of deep coal seam and the prevention of roof mine water disaster in Binchang mining area. Keywords combined well-surface microseismic monitoring; microseismic events; water-conducting fractured zone; overburden failure characteristics; Wenjiapo coal mine 导水裂隙带发育高度是矿井水害预测的重要技 术参数之一。经验公式、数值模拟、物理模拟、钻 探等方法被广泛应用于导水裂隙带高度确定[1-2]。但 由于开采强度、深度、厚度及工作面尺寸、煤层倾 角、地质构造等因素的影响，现有经验公式往往不 能给出符合实际的导水裂隙带高度，如在大采高、 大埋深条件下，经验公式预计的导水裂隙带高度与 实际相差较远[3]；钻探虽能直接探测出导水裂隙带 的发育高度，但终究只是“一孔之见”，无法给出导 水裂隙带随工作面推进的变化过程；数值模拟、相 似材料模拟作为一种室内模拟手段，模拟的覆岩破 坏过程具有一定参考价值，但往往不能给出符合实 际的导水裂隙带发育高度[4]。 相较于以往导水裂隙带发育高度研究方法，近 年来新出现的微震监测技术具有部署灵活、四维监 测等优点[5-6]。微震监测技术主要通过接收岩体破裂 时产生的声、能信号，对产生的微震事件进行定位， 据此来研究煤层开采导水裂隙的空间形态[7-9]。汪华 君等[10]分析微震事件在监测区域三视图上的密度和 空间分布，结合实践经验确定导水裂隙带高度；孙 令海等[11]将微震事件能量分布与工作面周期来压步 距进行对比，以此来验证微震监测导水裂隙带结果 的合理性；刘超等[12]通过微震监测和数值模拟结果 综合分析后认为，高精度微震监测技术是监测底板 导水通道形成过程的有效方法；丛森等[13]对微震监 测和数值模拟结果进行对比分析后得出，微震监测 技术在顶板导水裂隙带研究中具有较高的准确性； 孙运江等[14]、原富珍等[15]通过微震监测技术分析了 含水层底板导水裂隙带的形成过程和空间形态。以 往研究虽在不同程度上揭示导水裂隙带的发育特 征，但目前利用微震监测技术针对顶板导水裂隙带 高度的研究还较少，且对微震监测结果的解释研究 相对缺乏，导致应用微震监测技术确定导水裂隙带 发育高度和覆岩破坏过程仍处于探讨阶段，还需进 一步深入研究。 陕西彬长矿区洛河组砂岩含水层是矿井安全生 产的主要威胁之一，确定导水裂隙带高度，判断洛 河组含水层的突水危险性是矿井生产中需解决的重 要问题。 本文以陕西彬长矿区文家坡煤矿 4103 工作 面为例，采用 YTZ-3 微震监测系统，利用井–地联 合微震监测技术，从微震事件的能量和密度角度探 讨深埋煤层开采顶板覆岩破坏过程及导水裂隙带发 育高度，为矿井防治水提供参考。 1 工作面概况 文家坡煤矿 4103 工作面走向长 1 895 m，倾向宽 240 m，开采侏罗系延安组J2y4 号煤层，采高 3.8 m， 煤层倾角小于 1， 平均埋深约 700 m， 切眼至停采线间 煤层顶板高程为385440 m，平均高程400 m，赋存 稳定。煤层顶板覆岩破碎，岩性以砂泥岩组合为主， 直接顶厚度 0.76.25 m，平均 3.47 m，基本顶厚度 0.236.10 m，平均 3.16 m，因此，其顶板为软弱覆岩。 工作面内发育 2 条断层，分别为 F26和 F21正断层。F26 正断层距切眼 313438 m，落差 1.22.3 m；F21正断层 距切眼 792822 m，落差 4.66 m。监测区地层分布情 况如图 1 所示。 图 1 文家坡煤矿 4103 工作面地层剖面 Fig.1 Stratigraphic section of working face 4103 in Wenjiapo coal mine 煤层上覆延安组、 直罗组裂隙含水层为 4 号煤层开 采的直接充水水源， 由于富水性微弱， 对矿井影响有限。 安定组地层以泥岩为主，是含煤地层与白垩纪地层间的 稳定隔水层。宜君组地层富水性不均，且厚度较薄，不 会对矿井产生较大影响。白垩系洛河组是工作面上覆主 要含水层，平均厚度 284.30 m，平均埋深339.48 m，与 4 号煤层间距 209 m，岩性以紫红色暗紫色的中、粗 粒砂岩为主，富水性中等。4103 工作面地表沟、塬、梁 交错分布，地表黄土盖层较厚，土质松散，对地震波有 较强吸收衰减作用，不利于地震波的传播和接收。在沟 谷底部有基岩出露，大部分为洛河组粗砾岩和粗粒砂 岩。区内以往钻孔资料显示，本区煤层与围岩波阻抗差 异明显，煤层顶、底板主要为泥岩、砂岩，与煤层的物 性差异较大，中深部地震地质条件相对较好。 2 微震监测方案 根据 4103 工作面的地形地质条件和开采情况， 第 5 期 侯恩科等 基于微震监测的深埋煤层顶板导水裂隙带发育特征 91 确定微震监测范围为 4103 工作面距切眼 328698 m， 监测长度 370 m，监测期间工作面日平均进尺约 7.5 m；监测内容为监测区 4 号煤层开采顶板覆岩发 生的微震事件。为准确定位微震事件，检波器采用 井–地联合的布置方式[16]。为减少地表黄土对地震波 的吸收衰减作用， 本次将检波器连接在 1.5 m 长的钢筋 上，埋入地表 2 m 以下土层中图 2。 图 2 地表测点检波器安装 Fig.2 Installation diagram of geophone at ground measuring point 针对 4103 工作面地质、交通条件，以高低相间、 均匀分布为原则布置测点，围绕 4103 工作面监测区， 在地表布设A1A8共8个固定监测点， 接续工作面4104 回风巷道布设 M1M3共 3 个移动监测点，4103 工作 面回风巷和运输巷各布置 3 个监测点，分别为 L1L3、 W1W3。井下测点随工作面回采向工作面前方移动， 首次布设的测点距工作面回采位置 50100 m，当工作 面回采位置距测点 1020 m 时，将距工作面最近的测 点向工作面前方移动，在监测期间共进行 5 次移点， 相邻测点间始终保持 5060 m 间距。固定监测点和移 动监测点共 17 个。 4103 工作面两侧巷道移动监测点采 用交错方式布置。监测范围和测点位置如图 3 所示， 图中井下监测点位置均为首次测点布置位置。 图 3 观测系统测点平面布置 Fig.3 Plane layout of the measuring points of the observation system 为检验微震事件的定位精度， 采用人工放炮的 方式对监测系统进行系统标定[17]， 共进行 2 次标定 试验。试验过后，将标定炮的定位坐标与实际坐标 对比发现， 两者综合误差 ΔS 分别为 3.6、 2.2 m表 1， 误差较小，精度较高，满足监测要求，其中 Z 表示 高程。 表 1 标定炮反演定位信息 Table 1 Inversed ination location from the calibration shots 实际坐标/m 定位坐标/m 定位误差/m 炮点 X Y Z X Y Z 能量/J ΔX ΔY ΔZ ΔS 1 36506592.305 3890785.276 401.028 36506589.6203890786.576398.928 2 014.692.6 –1.3 2.1 3.6 2 36506592.305 3890735.486 402.307 36506593.805 3890734.886400.707 3 346.30–1.5 0.6 1.6 2.2 3 微震事件空间分布特征及覆岩破裂规律 3.1 微震事件空间分布特征 微震事件的确定包括拾取和定位 2 个步骤。 初期 拾取过程中， 为过滤无用信号， 对微震数据做单道振 幅处理。 在拾取过程中， 地表和井下检波器均须接收 到微震信号， 且各道微震信号地震波初至时间前后相 差不能超过 300 ms，由此可拾取一个微震事件。理 论上， 定位一个微震事件需 4 道微震数据且定位所用 道数越多，定位精度越高。因此，在考虑定位精度、 信噪比的情况下，本次至少选取 6 道井下 2 道，地 面 4 道微震数据进行微震事件定位，除去距离工作 面较远的微震事件，在 4103 工作面上方和附近，共 定位 6 472 个微震事件。 3.1.1 数 量 将微震事件定位高程按 10 m 间隔进行统计，绘 制不同高程区间微震事件数量分布图，如图 4 所示。 4103 工作面监测区煤层顶板高程为388405 m， 92 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 4 不同高程微震事件数量分布 Fig.4 Quantitative statistics of microseismic events at different elevation 在煤层顶板以上 388670 m，微震事件垂向分布总 体呈现“单峰”形态。微震事件在 400410 m 快速增 长；在 420430 m 达到峰值约 700 个；430 m 以上 微震事件逐渐减少；大于 500 m，微震事件显著减 少；550 m 以上微震事件减少到 50 个以下。从垂向 分布看，微震事件主要发生在 380500 m，在该范围 内微震事件分布比较集中，数量累计 5 679 个，占总 数的 87.7；410450 m 微震事件数量均在 600 个以 上， 说明在此范围内， 煤层顶板覆岩受采动影响最大； 450480 m 微震事件数量随高程的上升虽有减少， 但 并不明显， 直至 500 m 以上微震事件急剧减少， 说明 在大于 500 m 时，覆岩变形破坏微弱。 3.1.2 能 量 微震事件所代表的能量单位用焦耳J表示。根据 监测结果，微震事件相对能量大小为 03 500 J。鉴于 目前对微震事件能量大小的分级尚无统一标准，故本 次针对文家坡煤矿微震监测结果，将微震事件划分为 小能量事件0100 J、中等能量事件100500 J、 大能量事件500 J， 据此绘制微震事件能量空间分布 图图 5。从图 5 可以看出，390450 m 各区间内大能 量微震事件的累计能量均占到区间总能量的60以上， 最高占 99.90，但从数量上来看，大能量事件数量的 占比很小， 最高仅为 53.13。 区间累计能量在 420 430 m达到峰值， 450 m以上大能量事件占比逐渐降低， 图 5 不同高程微震事件能量空间分布 Fig.5 Spatial distribution of the energy of the microseismic events at different elevation 小能量和中等能量的微震事件累计能量比例逐渐上 升，在 480 m 以上各区间大能量微震事件迅速降低， 520 m 以上各区间微震事件累计能量也迅速降低， 基本 可以忽略不计。 分析认为煤层回采过程中，工作面上方覆岩 应力重新分布，工作面前方一定范围内为覆岩应力 集中区。在地层应力作用下，工作面回采位置前方 覆岩中产生大量微小破裂；煤层回采后，采空区上 方产生微小破裂的岩石在地层应力及自身重力作用 下发生垮落及破裂。基于能量空间分布分析，认为 在 380450 m 覆岩破坏较 480520 m 严重。 3.1.3 密 度 微震事件的密度代表岩层的破坏程度，本次采 用距离平方加权法绘制 4103 工作面倾向及走向剖 面上微震事件累加密度图图 6，图 7及微震事件累 加密度俯视图图 8。图 6图 8 中监测距离均为监 测期间工作面回采距离，显示了微震事件在不同平 面上的密度变化情况，根据微震事件在垂向上密度 的下降速率，确定工作面倾向、走向及平面上的高 密度区，并以此作为覆岩裂隙发育的依据。 a. 工作面倾向方向 从图 6 可知， 监测 90 m 时， 4103 工作面西侧微震事件高密度区图中红色区域边 界与煤层底板间的夹角为 61，东侧高密度区位于工作 面间煤柱上方，整体呈现出“西高东低”的分布特征图 6a；监测 176 m 时，工作面西侧微震事件高密度区边 界与煤层底板夹角为 49，东侧为 18，工作面倾向两 侧高密度区垂直高度基本一致图 6b；监测 270 m 时， 工作面西侧高密度区边界与煤层底板的夹角为 30，东 侧为 13图 6c；监测 332 m 时，工作面西侧高密度区 边界与煤层底板的夹角为 26，东侧为 0图 6d。 随着工作面向前推进，工作面倾向微震事件高 密度区分布呈规律性变化。图 6 显示，高密度区逐 渐向 4103工作面和 4102工作面保安煤柱上方移动， 并偏向 4102 采空区，垂直发育高度不断上升，最大 发育至510 m 处。 分析认为4103 工作面东侧为 4102 工作面采空 区，2 个工作面间的保安煤柱为不稳定型煤柱[18]，且 4102 工作面采空区上方顶板覆岩已发生过移动破坏， 力学性质比正常基岩弱。在 4103 工作面回采过程中， 容易发生二次开裂甚至再次垮落，故监测的微震事件 数量比 4103 与 4104 工作面间煤柱的上方偏多，且微 震事件高密度区偏向 4102 工作面采空区。随着工作面 开采，工作面两侧煤柱受到的压力越来越大，煤柱上 发育的微小破裂越来越多，导致工作面两侧煤柱上微 震事件密度变大，高密度区边界与煤层底板的夹角变 第 5 期 侯恩科等 基于微震监测的深埋煤层顶板导水裂隙带发育特征 93 图 6 4103 工作面倾向剖面微震事件累加密度图 Fig.6 Cumulative density of microseismic events in the dip section of working face 4103 小。图 6d 中工作面东侧高密度区边界与煤层底板的夹 角为 0，这是因为回采位置靠近 F26断层，断层附近岩 层稳定性较差，受到工作面开采影响后，岩层破裂加 剧，故而出现夹角为 0的情况。 b. 工作面走向方向 由图 7 可知， 回采至不同进尺 时，微震事件密度呈现出不同的超前距和超前影响角。 监测 90 m 时，工作面超前影响角为 32，微震事件高密 度区超前距为56.1 m图 7a；监测 176 m 时，超前影响 角为 28，微震事件高密度区超前工作面80 m图 7b； 监测 270 m 时，超前影响角为 35，微震事件高密度区 超前工作面 79.6 m图 7c；监测 332 m 时，超前影响角 为 19，微震事件高密度区超前工作面 117 m图 7d，超 前距离增大 47.0。此外，在工作面推进过程中，微震 事件高密度区发育高度逐渐增大，最大 511 m。 图 7 4103 工作面走向剖面微震事件累加密度图 Fig.7 Cumulative density of the microseismic events in strike section of working face 4103 94 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 7 反映了 4103 工作面顶板覆岩存在超前回采位 置破裂的情况。造成该情况的原因主要是采空区上方覆 岩垮落、变形，使回采位置前端未采煤层段成为应力集 中区，其上覆岩层在应力作用下出现微破裂或小裂隙， 产生的微震信号被仪器接收而被拾取、解译。此种现象 表明回采位置前方覆岩发生微小破坏，有微震事件产 生，但不能说明覆岩发生断裂，或裂隙带超前发育。图 7d 中工作面超前影响角变小，超前距变大，分析认为这 是受 F26断层影响的缘故。 c. 平面微震事件密度分布特征 由图8可以看 出，监测 90 m 时，微震事件高密度区主要分布在工 作面两侧巷道和工作面回采位置前后，超前工作面 回采位置 52.3 m 左右图 8a；监测 176 m 时，微震 事件高密度区主要集中在工作面回采方向西侧巷道 前方 98.7 m 范围内图 8b；监测 270 m 时，微震事 件主要集中在工作面西侧巷道和保安煤柱上方，超 前距离为 118.7 m图 8c；监测 332 m 时，微震事件 集中在工作面回采方向西侧巷道和保安煤柱上方并 超前工作面 175.2 m图 8d。 微震事件累加密度平面分布特征表明断层是影 响覆岩破裂的因素之一。由图 8c 和图 8d 可以看出， 工作面回采靠近断层时，微震事件高密度区超前距离 有明显变化，由 118.7 m 增加至 175.2 m，超前距增大 47.6。分析认为，断层导致其周围覆岩力学性质减 弱、应力集中，相较于正常基岩，更容易在应力作用 下破裂。因此，微震事件高密度区超前距离增大。 图 8 4103 工作面微震事件累加密度俯视图 Fig.8 Top view of the cumulative density of the microseismic events in working face 4103 3.2 导水裂隙带发育特征分析 微震事件的密度和能量均代表煤层顶板覆岩 的破坏程度。为更准确判断导水裂隙带发育高度， 绘制监测结束时 4103 工作面平面、倾向、走向剖 面的微震事件密度图图 9图 11， 采用数量–能量– 密度相结合的方式综合判定导水裂隙带发育高度。 由图 9 可知，平面上微震事件集中分布在回采 位置前方 137.4 m 至后方 393.5 m，共 530.9 m 范围 内，大于监测时间段内的回采进尺。 由图10可知， 微震事件在垂向上主要集中在4103 工作面上方 385509 m 范围内。倾向上微震事件主要 集中在工作面两侧，并分别向 4102 采空区和 4104 工 作面延伸 85、64 m，且破裂延伸的最远位置处垂向高 度分别为 64、40 m。 由图 11 可知，在走向上，微震事件主要集中在 工作面前 114 m 至后 351 m 范围内，微震事件密度在 420 m 高度达到最大，从 517 m 高度开始微震事件密 度迅速降低， 说明 517 m 以上覆岩裂隙基本不再发育。 第 5 期 侯恩科等 基于微震监测的深埋煤层顶板导水裂隙带发育特征 95 图 9 监测结束时微震事件密度俯视图 Fig.9 Top view of the density of the microseismic events at the end of monitoring 图 10 监测结束时倾向微震事件密度图 Fig.10 Density distribution of dip microseismic events 图 11 监测结束时走向微震事件密度图 Fig.11 Density distribution of strike microseismic events 对比微震事件数量–能量–密度空间分布特征可 知，微震事件的数量、密度、能量在垂向上均呈先 增大后减小的变化规律，而大能量微震事件数量百 分比在垂向上呈逐渐降低的变化特征。微震事件能 量大小代表岩层的破坏程度，顶板覆岩低位岩层发 生的微震事件虽少，但大能量微震事件占比较大， 因此，认为顶板覆岩中低位岩层发生剧烈破坏，越 往上覆岩破坏的程度越低。 微震事件能量密度特征表明，在 400450 m， 覆岩破坏以垮落为主；450520 m，覆岩破坏以裂隙 发育为主。微震事件走向和倾向密度分布特征表明 导水裂隙带高度分别为 517、509 m。结合微震事件 能量–密度分析结果可知，4103 工作面垮落带发育 高度为 50 m，垮采比为 13.16；导水裂隙带发育高 度为 117 m，裂采比为 30.79，对比 4 号煤层与洛河 组含水层的间距认为，导水裂隙带可能不会发育至 洛河组含水层。 3.3 微震监测结果验证 由于研究区缺乏“两带”观测资料，为验证微震 监测结果的准确性，将本次导水裂隙带结果与文献 [19]中的研究成果进行对比。 在文献[19]中， 采高 4 m 时， 软弱煤层顶板导水裂隙带高度预测值为 122.41 m， 与本次研究结果绝对误差为 5.41 m，相对误差为 4.6，两者研究成果基本一致。 4 结 论 a. 井–地联合微震监测技术能够有效监测采煤 覆岩移动破坏特征。深埋煤层开采，微震事件超前 工作面回采位置产生，说明回采前方覆岩会因应力 集中而发生微破裂现象。 b. 采空区、断层的存在会使覆岩力学性质和应 力场发生改变，导致其上方覆岩在回采影响下更易 发生破坏。断层将使覆岩破坏超前距加大 47.0左 右，采空区则使微震高密度区域发生偏移，加剧裂 隙发育，增大导水裂隙带发育高度。 c. 基于微震事件数量、 能量、 密度的综合分析， 判定 4103 工作面垮落带高度为 50 m， 垮采比 13.16； 导水裂隙带高度为 117 m，裂采比为 30.79，导水裂 隙带不会整体导通洛河组砂岩含水层。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 李超. 煤炭开采中导水裂隙带发育高度预测的研究[J]. 内蒙 古煤炭经济，2016，341788–89. 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