测井“静态”探测与微震“动态”监测技术在矿井突水综合预警中的应用

谢兴楠，叶根喜

(1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；2.有色金属华东地质勘查局，江苏 南京 210007)

1 概 述

煤矿水害[1-9]是与瓦斯、火灾、粉尘、动力地质灾害并列的矿山建设与生产过程中的五大安全灾害之一。长期以来，因为煤矿水害而给国家和人民带来的经济损失和人事伤亡极为惨重，尤其近年来，随着开采强度加大，煤矿水害事故已经到了触目惊心的地步。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》已将“国家公共安全应急平台建设和重大生产事故预警与救援”确立为优先主题，“矿井瓦斯、突水、动力性灾害预警与防控技术”作为重点研究内容。国家重点基础研究发展计划(973)项目——“煤矿突水机理与防治基础理论研究项目”已将煤矿突水灾害的研究推向一个新的高峰。

水源、水量和突水通道是煤矿突水的三大基本要素水源，作为对水源和水量起决定作用的含水层，其补给和排泄条件具有区域性和面状分布的特点，也是研究较为成熟的领域，本文不作探讨；在煤层开采前，对潜在突水通道(如隔水关键层的薄弱带、软弱岩体区域、裂隙体区域)的探测研究的比较少，尤其是对突水通道的“静态”原位研究更少涉足；在煤层开采期间，对突水通道(包括构造体)的“动态”破裂失稳过程和活化规律的实时监测和研究则更少。岩体“静态”存在特征和“动态”破坏过程研究的不足，贯穿了煤矿防治水工程的全过程，是突水事故频发不断的主要原因。

地球物理测井和高分辨率三维地震勘探技术及耦合分析技术，是开展原位岩体性质定量描述与研究的可靠手段，笔者将其称为“煤矿工程师的眼睛”，用于“探测”岩体性质的原位情况，具有“原位”研究和超前预测的优势；高精度微震监测技术在矿山岩体的小尺度空间条件下，可以实时、动态地进行隔水关键层破裂与失稳过程、岩体裂隙导升过程及范围、构造体活化规律及失稳程度的监测工作，笔者将其称为“煤矿工程师的耳朵”，具有“原位”研究和“临场”突水预警的优势。

采用“将岩体性质‘静态’存在特征和岩体‘动态’破裂过程作为一个整体”，对突水进行预测预警研究，以期为煤矿突水领域的研究迈出探索的一步。

2 综合预警的理论和技术基础

2.1 岩层性质的“静态”原位研究的基础

对同一种地球物理测井方式，不同性质的岩体有着不同的测井响应。不同的测井类型可以描述岩体不同的物理性质。利用对测井响应来定量描述岩体物理性质方面，国内外学者经过多年的研究[11-17]，形成了较为完善的经验表述公式，基本上能够满足各类工程的需要。

GSR[13-16](Geophysical Strata Rating)是由Peter Hatherly教授首次提出的利用地球物理测井分析技术，来定量评价岩体性质的一种方法。它是采用地球物理测井方法直接原位获取沉积岩体的强度(strength)、孔隙率(porosity)、含水量(moisture)、黏结力(bedding contact/cohesion)等参数，进而反演分析岩体的性质，是整合岩体力学、工程地质学和地球物理学的一种跨学科综合分析方法。笔者所在课题组有幸参与了Peter Hatherly教授的课题[17]，并在澳大利亚开展了大量研究工作，为本研究提供了研究基础。其基本思路如图1所示。

图1 岩层性质的“静态”原位研究思路

通过测井探测，获得的是孔壁处岩体的性质，但无法准确获取钻孔之间岩体的变化情况。尽管钻孔间距可以达到500m以内，但从防治水的角度来说，我们依然有必要弄清楚钻孔之间岩体性质的变化情况，以探测局部分布的潜在突水通道。高精度三维地震勘探技术提供了一种非常有效的耦合途径，通过对比相邻钻孔的测井响应，可以分析空间岩层性质的变化趋势或规律。目前，地震勘探的精度可达5～10m，可为识别构造型突水通道(断层、陷落柱等)提供很好的帮助。

2.2 岩体破裂过程和破裂场的原位研究的基础

微震[21-29]波蕴含着震源的丰富信息，通过对能量、频率、功率谱密度等信息的反演分析，可以进一步推测震源机制类型。这是微震监测技术用于岩体动力学领域研究的理论基础。

突水前的一个基本征兆是发生震耳的声响，这是突水通道的最终贯通失稳的前兆信息。岩石破裂[30-32]过程的试验表明，岩体破裂过程是一个能量逐渐释放的过程，而对失稳前破裂信号的采集，是我们获得失稳前兆信息并进行预测预报的物理基础。微震监测通过对采动岩体进行大范围的监测、高精度震源定位和时空序列的描述，可以实现对岩体破裂失稳过程的反演分析。

3 突水临场预警的综合应用与探讨

微震监测及突水预测，是针对既定突水危险区实施临场预警的最为直接的手段之一，它具有实时监测的优势。图2描述的是突水危险区超前预测与突水危险性临场预警的研究思路。

图2 突水预测预警的研究思路图

3.1 关键层[33]静态探测与动态监测的突水预警模型

近年来，众多学者都在尝试研究关键层在防治水中的作用，但关键层在什么部位，分布形态、性质是什么，确很少有原位试验的报道。GSR是根据力学强度、裂隙分布等参数对岩层性质的一个综合评估，GSR的评估方法使得对关键层分布的综合描述成为可能。图3是某煤矿沿着工作面推进方向，通过测井资料推演的GSR岩层性质分布图，并在此基础上了建立了微震监测的临场预警模型。GSR描述的不是关键层的真实厚度，类比的讲，是该关键层能够起到隔水作用质量较高的部位。

微震监测则是针对在开采过程中，底板破裂(或导升)的深度，如果微震活动没有突破关键层，这说明开采条件是安全的；相反，如果突破了关键层部位，就要实施临场突水预警。

图3中，主采煤层下方存在一个连续、局部厚度变化的隔水关键层，微震监测反演定位的导水通道范围突破了关键层，则说明要实施临场预警，并采取必要的超强防治措施。

关键层突水模型的临场预警的科学前提是很朴素的：首先清楚原位关键层的性质、分布规律；其次是开采活动对关键层实时破坏的情况如何，综合起来，该预测模型是三维时空事件的耦合。地球物理探测和监测技术的广泛应用，是解决该类型突水预警的基础。

图3 键层静态探测(基于GSR)与动态监测的突水预警模型

3.2 构造体静态探测与动态监测的突水预警模型

定量描述构造体(断层、陷落柱等)的静态分布情况，是突水预测的一项基本任务。很多研究学者都进行了较为深入的研究，其中以高分辨率三维地震勘探领域的研究最为活跃，应用的也最为成功，但对构造体受采动影响而导致的活化情况，确因缺少监测手段而研究的不够深入。微震监测的高精度定位使得实时判断构造体活化、并实施临场突水预警成为现实。可以认为，构造体位置的静态探测和活化监测，是进行构造导水的预警的有效综合手段和方法(图4)。

图4 构造体静态探测(基于高分辨三维地震和GSR)与动态监测的突水预警模型

3.3 突水临场预警的问题探讨

矿井突水是一个地下岩体系统性失稳而导致的一个综合结果。地应力、水温、水压等影响因素可认为仅为导水通道的孕育提供了外力，其综合表现形式可认为是导水通道形成的微震活动。因此，把微震活动看作是系统性失稳的标示，是有一定的实践意义的。

4 突水预测的模糊定理预测初探

水源、水量、突水通道三大因素，仅有任意两个组合均不能造成突水灾害，因此，从对突水灾害的“贡献”而言，其影响权重是相互独立的，即缺一不可的关系。因此，赋予水源、水量、突水通道三大因素的影响权重均为1/3。

4.1 突水水源模糊分析

水源指采掘空间周围独立水文单元中所含有的水的总量R，记为R1，设构成突水灾害的水源临界值为Xm3，则有：

当水源R>Xm3时，则水源R1对于突水事故的隶属度μR为：

μR=1

当水源R=0m3时，则水源R1对于突水事故的隶属度μR为：

μR=0

当水源Xm3≥R>0m3时，则水源R1对于突水事故的隶属函数μR为：

μR=R/X

4.2 水量模糊分析

水量是指从水源由通道涌出的单位时间内的水量，设构成突水灾害的涌水量临界值为Ym3/h。

当涌水量Q>Ym3/h时，则涌水量Q对于突水事故的隶属度μQ为：

μQ=1

当涌水量Q=0m3/h时，则涌水量Q对于突水事故的隶属度μQ为：

μQ=0

当涌水量Ym3/h≥Q>0m3/h时，则涌水量Q对于突水事故的隶属函数μQ为：

μQ=Q/Y

4.3 突水通道模糊分析

突水通道在这里用突水危险区的概念代替，它涉及两个方面：一是回采前的“静态”研究，预测出潜在突水危险区；二是开采过程中监测研究，指出的潜在突水危险区。为了使突水预测的模型更具有实用性，结合突水危险区的探测和监测情况，以下做突水通道μP对于突水事故的模糊权定为：

当开采位置临近 “静态”描述指出的潜在突水危险区时，如果危险区没有受到扰动(通过动态监测判断)，则：

μP=0

当开采位置临近 “静态”定量描述指出的潜在突水危险区时，如果危险区受到扰动(通过动态监测判断)，则：

μP=1

设隔水层厚度为G，底板破裂高度为H，则μP对于突水事故的模糊权定为：

μP=H/G

当开采位置临近监测研究描述指出的潜在突水危险区时，如果危险区附近水源、水量条件达不到突水事故危险程度，则：

μP=0

当开采位置临近监测研究描述指出的潜在突水危险区时，如果危险区附近水源、水量条件达到或接近突水事故危险程度，则：

μP=1

4.4 突水可能性的定理模糊预测

在得到了上述三大因素的隶属度之后，便可以通过计算获得突水可能性的指标μ，即表1。

μ=μR/3+μR/3+μR/3

表1 突水灾害预测

5 结论

1)矿井突水预测预警是一项系统工程，必须贯穿防治水的全部过程，其应该涵盖岩体性质“静态”存在特征探测和岩体“动态”破裂过程监测两个方面。

2)综合测井的GSR定理评估及与三维地震勘探耦合分析，是岩体性质“静态”探测和定量描述的有效方法和手段。

3)高精度微震监测及定位，是动态监测岩体破裂失稳、突水临场预警的有效方法和手段。

4)建立基于测井-三维地震探测结果和高精度微震定位监测结果的矿井突水临场预警定量描述和预测模型，是防治水工程的一个重要发展方向。

[1] 何满潮，谢和平，彭苏萍，等. 深部开采岩体力学研究[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24(16)：2803-2813.

[2] 彭苏萍，王金安. 承压水体上安全采煤[M]. 北京：煤炭工业出版社，2001.

[3] 张金才，张玉卓，刘天泉. 岩体渗流与煤层底板突水[M]. 北京：地质出版社，1997.

[4] 仵彦卿，张倬元. 岩体水力学导论[M]. 成都：西南交通大学出版社，1995.

[5] 钱鸣高，缪协兴，徐家林，等. 岩层控制的关键层理论[M]. 北京：中国矿业大学出版社，2000.

[6] 赵阳升，胡耀青. 承压水上采煤理论与技术[M]. 北京：煤炭工业出版社，2004.

[7] 施龙青，韩进. 底板突水机制及预测预报[M]. 北京：中国矿业大学出版社，2004.

[8] WU Q, ZHOU W F. Prediction of groundwater inrush into coal mines from aquifers underlying the coal seams in China：vulnerability index method and its construction[J/OL]. Environmental Geology，2008[2008-03-17].http: //springer.lib.tsinghua.edu.cn/content/n440 563n56098342/fulltext.pdf.

[9] 杨天鸿，唐春安，谭志宏，等. 岩体破坏突水模型研究现状及突水预测预报研究发展趋势[J]. 岩石力学与工程学报，2007，26(2)：268-277.

[10] BARTON N. Rock quality，seismic velocity，attenuation and anisotropy[M]. London and Netherlands：Taylor and Francis，2006.

[11] CALLEJA J. Rapid rating-using coal mine roof rating to provide rapid roof characterization from exploration drilling[C]// Proceedings of the 7th Conference on Underground Coal Operators. [S.l.]：[s.n.]，2006：full text.

[12] DVORKIN J，BREVIK I. Diagnosing high-porosity sandstones：strength and permeability from porosity and velocity[J]. Geophysics，1999，64(3)：795-799.

[13] HATHERLY P，SLIWA R，TURNER R，et al. Quantitative geophysical log interpretation for rock mass characterization[R]. [S.l.]：[s.n.]，2003.

[14] HATHERLY P，THOMSON S，ARMSTRONG M. Geophysical log analysis for the southern Sydney basin[C]// HUTTON A，GRIFFIN J ed. Proceedings of the 36th Sydney Basin Symposium. [S.l.]：[s.n.]，2006：59-70.

[15] HATHERLY P J，MEDHURST T，MACGREGOR S M. A rock mass rating scheme for elastic sediments based on geophysical logs[C]// Proceedings of the International Workshop on Rock Mass Classification in Underground Mining. [S.l.]：[s.n.]，2007：full text.

[16] MEDHURST T，HATHERLY P. Geotechnical strata characterization using geophysical borehole logs[C]// PENG S S，MARK C. ed. Proceedings of the 24th International Conference on Ground Control in Mining. Morgantown：West Virginia University，2005：179-186.

[17] 叶根喜，Peter Hatherly，姜福兴，等. 地球物理测井技术在煤矿岩体工程勘察中的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2009，28(7)：1342-1351.

[18] 姜福兴，叶根喜，王存文，等. 高精度微震监测技术在煤矿突水监测中的应用[J]. 岩石力学与工程学报，2008，27(9)：1932-1938.

[19] 谢和平，鞠杨，黎立云. 基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24(17)：3003-3007.

[20] 谢和平，彭瑞东，鞠杨，等. 岩石破坏的能量分析初探[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24(15)：2603-2608.

[21] 姜福兴，XUN Luo，杨淑华. 采场覆岩空间破裂与采动应力场的微震探测研究[J]. 岩土工程学报，2003，25(1)：23-25.

[22] 张银平. 岩体声发射与微震监测定位技术及其应用[J]. 工程爆破，2002，8(1)：58-61.

[23] 陆菜平，窦林名，吴兴荣，等. 岩体微震监测的频谱分析与信号识别[J]. 岩土工程学报，2005，27(7)：772-775.

[24] 潘一山，赵扬锋，官福海，等. 矿震监测定位系统的研究及应用[J]. 岩石力学与工程学报，2007，26(5)：1002-1011.

[25] 赵兴东，唐春安，李元辉，等. 基于微震监测及应力场分析的冲击地压预测方法[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24(增1)：4745-4749.

[26] 叶根喜，姜福兴，郭延华，等. 煤矿深部采场爆破地震波传播规律的微震原位试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2008，27(5)：1053-1058.