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第 48 卷 第 4 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.4 2020 年 8 月 COAL GEOLOGY microseismic monitoring; apparent resistivity monitoring; Gequan coal mine 华北型煤田普遍存在岩溶水侵袭的问题,近年 来,随着煤矿开采深度的不断增加,岩溶水对矿井 的威胁日益突出[1]。常规的底板水害防治方法主要 集中在采区或者工作面致灾因素探查和底板注浆改 造,这些工作一般在工作面回采前已经完成,但是, 根据大量统计结果,底板水害往往是在工作面回采 过程中发生的[2]。工作面回采过程中发生的底板水 害,实际上是地下采矿活动使得围岩在采动应力诱 发作用下处于峰后应力状态或者破碎状态极大地改 变了围岩的孔隙结构和渗透性,导致隔水层的隔水 能力降低,在承压水水压的作用下发生突水[3-6],其 作用机理复杂[7],加之地质条件复杂,突水影响因 素较多,常规的物探和钻探手段很难客观地反映底 板突水通道的形成和演化过程以及工作面回采过程 中底板承压水的导升变化特征。 武强[8]提出在采动条件下,矿井水害的形成和 发生都有一个从孕育、发展到发生的演变过程,在 这一过程的不同阶段,应力应变、水压水位、水 温、涌水量等方面均会释放出对应的突透水征兆, 及时、准确、有效地监测这些征兆信息,建立一个 集矿井水害监测、判识和预警技术于一体的完整体 系,对于预防重特大水害事故的发生具有重要的理 论意义和实用价值。杨天鸿等[9]提出“突水三要素 为① 水源含水层、② 导水通道断层、陷落柱、 破碎带、③ 采矿扰动因素,3 个要素缺一不可”的 观点。煤矿底板突水本质上就是以含水层为突水水 源,以破碎裂隙带为导水通道,采矿扰动为影响因 素,3 个要素共同作用的结果[9]。水源即为含水层的 赋水性以及不同含水层水温、水质的不同,是煤矿 水害形成最关键的要素之一[10],对水源的监测手段 主要有并行电法[11]、电阻率法[12]、水温或水压[13-14] 监测等,在孔中或者孔巷测试,一般采用视电阻率 断面图或电阻率反演成像,对矿井电法监测数据进 行处理解释,解释结果多数局限于二维[15],鲁晶津 [12]研究了三维电阻率反演成像技术,并且取得了不 错的效果。虎维岳等[10]提出导水通道的过水能力与 断面尺寸是影响水害严重程度的主要因素。断层、 陷落柱等一般采用常规物探手段基本可以探查清楚 [16], 但是破碎带往往是在采动应力作用引起的二次 或多次破碎下不断调整形成的[9],因此,需要对其 进行长期监测。对底板破碎带监测的主要手段有微 震监测技术[17]、 网络并行电法[18]、 应力应变监测[19], 网络并行电法、应力应变监测都是通过视电阻率、 应变等物理量的变化间接推断破碎带的位置,而微 震监测技术则是直接测量破裂带的空间位置。 鉴于此,本文根据“下三带”理论[20-22]和导升递 进理论[23-25],以葛泉矿东井 11916 工作面为背景, 采用“井-地-孔”微震监测技术和视电阻率监测技 术,构建底板水害综合监测系统,于 2019 年在工作 面回采过程中开展水害监测。 1 “井-地-孔”微震监测技术 微震监测技术是利用布置在测区周围的传感器 接收微地震信号,根据传感器坐标求取震源位置、 震源机制等参数,近实时地获得裂缝空间展布特征 的地球物理监测方法[26]。在矿山开采领域,微震监 测最早被用于研究冲击地压和矿震等问题,随着仪 器制造技术的进步和定位精度的提高,逐步被用于 监测煤矿导水通道形成和活化,为煤矿水害防治服 务[27]。姜福兴等[28]、程文关等[29]等利用微震监测技 术开展了底板和顶板导水裂隙监测的研究,效果良 好。该技术具有实时、连续监测的优点,是描述 导水通道孕育、发展到最终失稳过程的有效技术 手段[28]。震源参数三要素之中,震源平面位置、发 震时刻和震级的计算精度较高,而震源深度的定位 误差相对较大[30-32],“井下-地面-孔中”联合微震监 测技术简称 “井-地-孔”微震监测技术是对传统 微震监测技术的创新,该技术通过在井下巷道、 地面、地面孔中或井下孔中同时布置传感器,对 破裂点进行全方位立体监测,能够大幅提高震源 深度定位精度。 “井-地-孔”联合微震监测技术定位原理如 ChaoXing 第 4 期 段建华 煤层底板突水综合监测技术及其应用 21 图 1 所示,S 和 Ti分别表示微震源和第 i 个传感器, 其中,x0,y0,z0和xi,yi,zi分别表示震源和第 i 个传感 器的坐标, t0和 ti分别表示震源发震时间和第 i 个传 感器震动波初至时,假设震动波的传播速度为 v, 可以建立由 n 个式1组成的方程组,解方程组即可 获得震源的位置x0,y0,z0和发震时间 t0。 222 0000 iiii xxyyzzv tt---- i1,2,,n 1 图 1 “井-地-孔”微震监测定位原理 Fig.1 Positioning principle of “well-ground-hole” microseis- mic monitoring 从其定位原理可以看出,只需要有 4 个传感器 接收到震动波就可以对其进行定位,“井-地-孔”微 震监测技术由于数据采集点可以对震源形成包围, 监测数据更为丰富,定位精度可以达到 5 m,能够 满足防治水的要求,可以更好地对导水裂隙带进行 实时监测和准确定位。 “井-地-孔”微震监测系统由地面监测分站、地 面传感器、地面服务器、井下监测分站、巷道传感 器、孔中传感器、通信分站、数据传输、配套的数 据采集与处理软件等组成,地面的无线传输设备与 井下的光纤环网组成数据传输网络。 其工作原理为 传感器负责采集震动信号, 并将其传输到监测分站; 监测分站将震动信号数字化,并将其传输到通信分 站;通信分站将数字信号通过数据传输网络传输到 服务器,由服务器的数据采集与处理软件进行定位 和分析。 一般监测底板破坏[33]时需要在井下巷道和孔 中布置传感器,监测顶板裂隙时需要在地面、井下 巷道、地面孔中布置传感器。 2 视电阻率监测技术 电法监测在矿山领域的应用始于岩体破裂失稳 过程的电阻率监测矿井电法[34],随着应用领域的扩 展,逐步被应用于井下探测煤层底板隔水层厚度和 底板水导升高度[35],取得了良好的效果。网络并行 电法仪等工作面采动破坏监测设备研制成功[36]和井 下监测试验的陆续开展[37-38],为井下电法监测仪器 的长远发展积累了丰富的经验。 回采工作面视电阻率监测系统是专门用于监 测煤矿顶底板裂隙带是否与含水层导通的仪器。 工作原理如图 2 所示,在工作面 2 侧巷道顶板或 者底板布置电极,一侧发射人工激发的电场,另 一侧接收,2 侧巷道全部接收和发射完成后,利用 拟高斯-牛顿法对接收的数据进行全空间三维视 电阻率反演,反演数据体为顶底板岩层中每个 5 m 5 m5 m 网格的视电阻率值,利用多次监测结果, 分析顶底板视电阻率的异常变化,并且对破坏裂 隙的导水性进行判识,实现工作面水害风险的动 态评估和预警。 图 2 采煤工作面视电阻率监测原理 Fig.2 Monitoring principle of apparent resistivity in mining face 回采工作面视电阻率监测系统由地面服务器、 通信分站、监测分站、数据传输电缆、电极、配套 的数据采集与处理软件等组成[39]。 3 葛泉矿东井概况 冀中能源股份有限公司葛泉矿东井设计生产能力为 90 万t/a,可采煤层为 9 号煤底板标高为-128 m, 工作面布置采用走向长壁以及倾向长壁方式,综合 机械化开采, 11916 工作面设计走向长度约 1 080 m, 倾向宽度约 70 m,煤层呈单斜构造,倾角 7~21, 平均厚度 5.5 m,两巷高差约 20 m,11916 运料巷西 北侧是 11915 工作面采空区,如图 3 所示,工作面 底板至本溪灰岩间距平均约 20.3 m图 4。 隔水层岩 层结构以铝土质粉砂岩、中细粒砂岩、粉砂岩为主, 阻水性能中等。工作面底板至奥陶系灰岩含水层的 隔水岩层厚度为 36.0~43.6 m,平均 41.1 m。隔水层 岩性组合以粉砂岩、细砂岩、中细砂岩、灰岩和铝 土质粉砂岩为主,其中,粉砂岩、细砂岩占总厚度 的 47.5左右;可塑性比较强的铝土质软岩类厚度 ChaoXing 22 煤田地质与勘探 第 48 卷 占总厚度的 32.7左右,本溪灰岩厚度约占总厚度 的 19.8。这种软硬相间且具有一定厚度的隔水层 结构在未受构造破坏的情况下,具有较好的阻水性 能。赋水性中等、厚度较薄的本溪组岩溶裂隙含水 层简称“本灰”以及赋水性好、 巨厚层状奥陶系岩溶 裂隙含水层简称“奥灰”是工作面的主要含水层, 其 中奥灰岩溶水是矿井主要水害防治对象。9 号煤底 板隔水层将承受 1.71~2.21 MPa 的奥灰水压,计算 得出该工作面突水系数为 0.047~0.061 MPa/m, 工作 面存在底板岩溶突水威胁。 图 3 微震与电阻率传感器布置 Fig.3 Layout of microseismic and resistivity sensors 图 4 9 号煤层底板水文地质综合柱状示意图 Fig.4 Hydrogeological comprehensive columnar diagram of No.9 coal seam floor 工作面前期已经实施了底板本灰含水层注浆加 固工程,由于 11913 工作面在回采过程中发生了突 水,后期又对本工作面的奥灰含水层进行了加固, 2 次加固共施工钻孔 52 000 m, 注浆用水泥 92 000 t, 整个注浆工程的直接投入为52 000 m300 元/m 92 000 t320 元/t4 320 万元,但是底板倾角大,隔 水层厚度变化大,而且在工作面运料巷西北侧存在 直径超过 50 m 的陷落柱,经打钻验证陷落柱含水, 虽然陷落柱已经过注浆改造,但是仍然存在突水风 险,因此,本文利用井-地-孔微震、视电阻率监测 技术建立综合突水监测系统,分别对导突水通道、 水源进行监测,本次综合突水监测系统投入为 260 万元,设备费为 180 万元,耗材为 80 万元,其中设 备可以重复使用,考虑到设备折旧,本工作整个监 测系统实际投入按照180 万元1/580 万元116 万 元计算,该费用为注浆工程费用的 2.6,大大降低 人员和财产损失。 4 底板水害综合监测技术方案 4.1 微震测点布置 11916 工作面附近共有 3 个巷道可以布置传感 器,本次选择将传感器布置在东翼运输巷和工作面 运料巷,东翼运输巷在工作面回采期间不会垮塌, 在回采后便于保护传感器及其电缆的完整性,可以 更好监测工作面采空区底板的破裂情况。井下共布 置拾震传感器 41 个,其中巷道内布置 28 个,道距 50 m;孔中布置 13 个,道距 50~100 m,布置传感 器的孔垂深 25 m,倾角 45;地面一共布置 4 个传 感器,道距 250 m,具体测点布置如图 3 所示。 4.2 视电阻率测点布置 为了更好监测 11916 工作面采空区底板视电 阻率及其变化,将电极布置在运料巷和东翼运输 巷, 2 个巷道各布置 101 个电极, 电极间距为 10 m, 2 个巷道的无穷远电极分别布置在距离停采线 1 500 m 的位置。电极埋置方式如图 5 所示,在 巷道底板靠近外帮处打孔, 孔深 1.5 m, 倾角 45, 把锚杆放入孔中,用黄泥封孔,锚杆尾部连接监 测电缆。 工作面监测长度为 1 000 m, 而采煤扰动对底板 破坏的范围有限,无需对整个工作面 1 000 m 范围 同时进行监测,因此,采用滚动监测方式。考虑到 底板视电阻率的强弱对比,单次监测须覆盖 200 m 范围,随着工作面的推进,监测电极逐步向推进方 向移动,电极的移动通过地面数据采集软件设置即 可,无需在井下进行人工干预。 ChaoXing 第 4 期 段建华 煤层底板突水综合监测技术及其应用 23 图 5 电极安装示意 Fig.5 Schematic diagram of electrode installation 数据采集过程,采用单极发射-偶极接收方式, 首先,运料巷的 1 号电极发射,东翼运输巷的 1~21 号电极依次接收, 每次都利用最小二乘法和小波分析 技术对接收的信号进行数据预处理; 接着, 运料巷的 2 号电极发射, 东翼运输巷的 1~21 号电极依次接收, 直到运料巷 21 个电极全部发射完成;然后,东翼运 输巷的 1 号电极发射,运料巷的 1~21 号电极依次接 收,直到东翼运输巷的 21 个电极全部发射完成;最 后,自动反演软件采用拟高斯-牛顿法对预处理后的 数据进行全空间三维电阻率反演, 并根据预先设置的 参数对三维数据体进行二维切片、 三维异常体提取和 立体成像等操作, 从而实现了对底板岩层富水性变化 过程的实时动态成像。 其中电极的切换与数据的采集 由数据采集软件自动完成,不需要人工干预。 5 监测结果及分析 5.1 微震监测系统定位精度标定 为了提高震源定位精度,在实施监测前需要测 量地震波在岩层中的传播速度,本次试验利用标定 炮的方法进行测量,即把起爆位置当成一个已知的 点震源,进行反演分析,从而获得地震波的传播速 度,并且可以利用标定炮对定位精度进行检验。根 据标定炮测得葛泉矿东井 11916 工作面底板围岩破 裂产生纵波的介质传播速度为 3 100 m/s。 采用平均波速 3 100 m/s 计算,微震定位结果 为9 507.467,1 625.886,303.878,实际放炮震源坐 标为9 514.527,1 627.926,305.198, 误差分别为 Δx 7.06 m, Δy2.04 m, Δz1.32 m, 平均误差为 3.473 m, 11916 工作面隔水层平均厚度为 41.1 m,定位误差 小于隔水层厚度的 1/10,能够满足监测需要。 5.2 底板水害综合微震监测结果 开展为期 6 个月的微震监测,共监测到微震事 件 8 381 个, 其中发生在底板的事件 3 086 个。 11916 工作面煤层倾角较大,为了便于统计分析,本文利 用底板等高线,通过数据计算将煤层转换为近水平 煤层,正常情况下底板破坏深度为 20~25 m,从图 6 中可以看出, 9月6日前底板的破坏深度为20~25 m, 但是在 9 月 6 日14 日底板微震事件标高范围的分 布特点发生了变化,分布比较均匀,底板破坏深度 已经达到了 35 m,9 月 14 日该工作面底板出水,水 量 2 m3/h。 图 6 9 号煤层底板不同标高范围微震事件分布统计 Fig.6 Histogram of elevation range distribution of floor microseismic events of No.9 coal seam 图 7 为工作面煤层、底板岩层以及底板微震事 件分布图,从图 7 可以看出在红线位置底板破坏深 度明显加深,很多微震事件已经进入本溪灰岩含水 层。 图 8a 为底板微震事件在 YZ 平面的密度单位体 积内微震事件数量图、图 8b 为底板微震事件在 XY 平面的密度图,从图 8 看出在 9 月 14 日前,运料巷 附近底板破裂深度明显大于其他位置,在运料巷附 近微震事件密度明显增加,该区域底板破坏剧烈, 结合图 7图 8, 可以推断中间巷底板靠近运料巷侧 的导水通道可能已经形成。 5.3 视电阻率监测结果 开展了为期 6 个月的视电阻率监测,共采集到 完整的视电阻率数据体 2 723 个,每次监测工作面 长度为 200 m,如图 9 所示,从监测数据来看,底 板 20 m 范围内视电阻率一直都保持较高的状态, 说 明底板水的高度没有发生明显变化。 从图 10 可知,在运料巷 35 号电极附近底板下 存在一个低阻异常区域逐渐变大,该区正是 9 月 14 日的出水点。 结合图 7、8、10 发现,图 8 中破裂较深位置 处的导水通道已经形成,并且从图 10 中的低阻异 常, 及其随时间不断从下到上的发育过程验证了有 水从该通道涌出,从图 8 中看出,当工作面推进至 中间巷时,此处发生出水,结合图 11 可以看出, 底板破坏较深的位置正是视电阻率异常体发育之 ChaoXing 24 煤田地质与勘探 第 48 卷 图 7 工作面底板岩层与微震事件分布 Fig.7 Distribution of floor rock layer and microseismic events in working face 图 8 9 号煤层底板微震事件平面密度图 Fig.8 Plane density diagram of microseismic events of No.9 coal seam floor 处,推测底板水是通过该通道进入运料巷,引起该 处底板出水。 6 结果与讨论 从微震与视电阻率监测结果来看,在 9 月 6~14 日确实存在一次底板突水过程,其突水位置正好为 工作面推进位置附近,顶板覆岩垂直压力集中于工 作面前 10~15 m 范围的煤壁内[40],该范围正好与工 作面中间巷道对底板的剪切破坏作用重合,加之此 处靠近陷落柱, 使得该处的底板破坏深度明显增加, 而且从图 7 中可以看出, 在底板下 35 m 深的范围内 微震事件的分布比较均匀,使得底板裂隙具有很好 ChaoXing 第 4 期 段建华 煤层底板突水综合监测技术及其应用 25 图 9 9 月 4 日 9 号煤层底板视电阻率水平剖面 Fig.9 Horizontal section of apparent resistivity of floor on September 4 的连通性,形成了导水通道,从图 10 中 4 d 的电阻 率异常区域的变化情况也说明了底板水正通过该通 道逐步进入巷道,导致出水。 微震与视电阻率监测技术分别从导水通道与水 源 2 个突水要素进行监测是解决底板突水监测的有 效途径。微震监测技术仅仅能够监测底板裂隙,由 于地质情况复杂,底板岩层的厚度、位置不清晰, 底板裂隙的深度也不尽相同,导致在不同的工作面 位置,仅仅依靠底板裂隙深度很难判断裂隙是否与 含水层建立起水力联系,即导水通道是否形成;而 视电阻率监测技术则正好可以弥补这一缺陷,如果 裂隙中的富水性增强,视电阻率会明显降低,这就 为导水通道的形成提供了科学依据,也就为突水预 警提供了科学依据。 图 10 35 号电极 9 月 814 日底板视电阻率垂直剖面 Fig.10 Vertical plane of apparent resistivity of No.35 electrode from September 8 to 14 图 11 工作面底板岩层与微震事件和电阻率异常体分布 Fig.11 Distribution of floor rock layer, microseismic events and resistivity anomalies in working face 7 结 论 a. 葛泉煤矿 11916 工作面 9 号煤层倾角较大, 底板地形较复杂,从井-地-孔微震监测结果可知 回采过程中底板破坏深度变化较大,在中间巷附近 底板破坏深度达到 30~35 m,其他区域底板破坏深 度为 20~25 m。 b. 井-地-孔微震监测技术能够实时监测 11916 ChaoXing 26 煤田地质与勘探 第 48 卷 工作面回采过程中底板的破坏情况,而且能够监测 不同位置不同时间底板的破坏情况;根据微震事件 的空间位置和平面密度图,结合视电阻率监测结果 可以推测导水通道的形成。 c. 视电阻率监测技术能够对 11916 工作面回采 过程中底板岩层的视电阻率及其变化情况进行实时 监测,根据视电阻率的变化,结合井-地-孔微震监 测结果能够对底板突水风险进行评价。 d. 井-地-孔微震监测技术和视电阻率监测技 术构建的底板水害综合监测系统能够对底板突水过 程中的导水通道和水源实施有效监测,为突水预警 提供科学依据。 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] 张文泉,张广鹏,李伟,等. 煤层底板突水危险性的 Fisher 判别分析模型[J]. 煤炭学报,2013,38101831-1836. 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