微地震监测在特厚煤层底板突水评价中的应用

秦九天 姜福兴 王存文 梁兴旺 师克勐

(1.北京科技大学 土木与环境工程学院;2.中煤平朔集团有限公司)

微地震监测在特厚煤层底板突水评价中的应用

秦九天1姜福兴1王存文1梁兴旺2师克勐2

(1.北京科技大学 土木与环境工程学院;2.中煤平朔集团有限公司)

特厚煤层综放开采对底板扰动大，在底板下方有承压含水层时，存在原生裂隙导水、采动裂隙导水、构造活化导水等底板突水灾害，动态监测底板裂隙的萌生、发展、贯通直至破坏过程是底板突水灾害有效预测、预警的关键。以平朔地区特厚煤层综放工作面回采过程中底板突水问题为研究背景，在工作面建立了一套自主研发的高精度微地震监测系统，实时获取采动过程中采场围岩破裂的三维特征，采用动突水系数法，对该工作面底板突水可能性进行了分析。研究表明：工作面向斜轴部以西90 m突水危险性增大，动突水系数达到峰值，但小于带压开采突水危险标准，认为工作面回采期间无突水危险。通过对比，动突水系数峰值位置与底板最大破裂深度位置具有明显的时空差异，且底板破裂深度峰值超前于动突水系数峰值，为通过底板破裂深度进行突水危险的实时预警提供了依据。

特厚煤层 微地震监测 底板突水 动突水系数

底板突水是煤矿主要灾害之一，是指当距离煤层较近的底板岩层含有高压承压水时，在采动过程中承压水沿破坏的底板或原生地质缺陷涌入到巷道和工作面形成的灾害。早期学者从底板突水机理、评价指标、预测模型等方面开展了大量研究。武强提出了主控指标体系、脆弱性指数、GIS与ANN耦合等新型实用底板突水预测方法[1-3]；彭苏萍、罗立平将岩性场、应力场与渗流耦合作用机理应用到防治水工程[4]。以上研究为揭示底板突水机理，评价和预测底板突水提供了重要科学依据。

普遍观点认为：水源、水量和突水通道是底板突水的“三要素”[5]，水源和水量可通过钻探或物探的方法确定，而突水通道不仅与煤层及底板地质赋存条件相关，还与工作面布置方式、开采强度、顶板管理方式等因素相关，在采动空间内具有动态变化的特征，很难精确探测。底板岩层受采动影响发生破裂，削弱了稳定隔水层厚度，使突水危险性增加，这是底板突水的必要条件。获取底板破裂深度随工作面回采动态变化规律，是实现底板突水实时预测预警的重要基础。常用的探测底板破裂深度的方法有声波CT探测[6]、电法[7]、地质雷达等，近年来发展起来的矿山微地震监测技术[8-11]，能够实现回采过程底板裂隙的萌生、发展、贯通直至破坏全过程地实时动态监测，是研究底板突水灾害的有效手段。

本文基于微地震监测方法提出了“动突水系数”的概念，并用其进行底板突水危险性评价，在中煤平朔集团井工一矿9煤某工作面底板突水灾害监测和预警中得到应用，取得了良好的效果。

1 工程背景

平朔井工一矿9煤首采工作面走向长3 070 m，宽300 m，煤层最大厚度为14.6 m，属特厚煤层，采用综合机械化放顶煤开采，一次采全高。工作面上部为14106采空区，底板下方约60 m有奥灰含水层，水源稳定、补给充足，水位标高为1 060 m。工作面揭露断层17条，南部有X7陷落柱，北部有X8陷落柱。本区断层、陷落柱具导水性，奥灰含水层水头压力较高，局部高于9煤层110 m。工作面位置及底板特征见图1、图2。

图1 首采工作面平面位置

图2 采动关系及底板特征

工作面回采面临的主要安全隐患:开采对底板的扰动形成贯通性裂隙，断层、陷落柱受采动影响活化，导通底板奥灰含水层，形成底板突水灾害。因此，对底板裂隙发育过程的监测和评价至关重要。

2 微地震监测系统

微地震监测技术是近年来发展起来的集地球物理、电子通讯、计算机技术等多学科综合性监测技术，广泛应用于矿山、边坡、隧道等多个工程领域的监测预警领域，能够实现远程、无损、多维、实时监测。北京科技大学微地震研究中心自主研发了国内首套高精度微地震监测系统，在多座矿山、边坡及隧道均有应用。

北京科技大学BMS微地震监测系统分为井下部分和地面部分，其中，井下部分包含检波器、监测分站、监测主机,井下有多个监测分站，每个分站具有12个监测通道，连接12个检波器。地面部分由工控机组成，地面设备包括BMS微地震监测主机、数据存储与处理主机，每个SAT分站12通道(标准),布置合理之后的定位误差在10 m以内，震源定位的最小震动能量为100 J。系统构成见图3。

图3 高精度微地震系统构成

3 微地震监测方案

重点监测该工作面辅运巷F12～F15导线点向斜轴部区域，兼顾贯穿工作面的F26、F10断层稳定性监测，此区域走向范围约830 m，共布置23个测点，检波器间距为36 m，为循环交替安装，即同时工作的检波器数量为12个,其中顶板布置6个测点，底板布置6个测点，随工作面推进，回收距工作面较近的检波器，将其安装至前方的备用测点，以此循环交替，直至完成整个测区的监测。测区第一个测点位于F23导线点附近,综合考虑现场实际和环网接入点的位置进行布置，将主站布置在9煤主运机头变电硐室内。布置方案见图4。

图4 系统安装布置

系统安装完成后进行了标定试验，标定结果显示微地震波速平均为3.37 m/ms；定位误差为X方向12 m，Y方向1 m，Z方向6 m，平均误差6.3 m，在预计的范围内，定位精度能够满足工程应用。

4 底板裂隙与突水可能性评估

4.1 “动突水系数”的概念

突水系数法是将含水层水压和底板稳定隔水层厚度之比作为评价底板突水可能性的依据[12]。然而，在实际使用过程中，水压较易测定，底板稳定隔水层厚度较难测定。底板稳定隔水层厚度与煤层及顶底板赋存条件、采煤方法、开采强度、构造分布情况等相关，且在工作面不同开采阶段，底板破裂深度是动态变化的，底板稳定隔水层厚度也呈动态变化，因此，突水系数法很难在工作面开采期间进行准确计算。

微地震监测技术的发展为动态测定底板破裂深度，动态确定稳定隔水层厚度和突水系数提供了技术保障。基于该工作面微地震监测结果，提出“动突水系数”的概念，并应用于底板突水预测预警。

“动突水系数”是基于微地震监测动态测定的底板破裂深度，实时计算底板稳定隔水层厚度，进而得到的突水系数。采用下式表示：

(1)

式中，TS为动突水系数，MPa/m；P为含水层静压水头压力,MPa；M为破坏前底板隔水层厚度,m；CP为微地震监测的底板破裂导通的厚度，m。

为了研究底板破裂深度与突水可能性的关系，需对工作面开采过程中底板破裂特征进行研究。

4.2 底板破裂深度获取方法

选取煤层底板以下每米岩体作为研究对象，走向方向以左右各延伸一个回采步距为准，倾向方向以工作面斜长为准，判断该部分岩体是否破坏失稳。

根据微震监测结果，统计研究对象内所有微震事件，以2 d的推进步距为滑移步长(20 m)，获取每段滑移步长内底板岩层微震释放能量。

选取每班推进下的微震能量释放值，拟合成微震释放能量-推进班次曲线的泰勒级数形式，截取至4次项，则

(2)

式中,ai为拟合级数的第i次项的系数。

V(x)=x4+ux4+ux2+νx,

(3)

式中,

(4)

(5)

平衡曲面方程为

(6)

根据尖点分叉集理论,得到分叉集方程为

Δ=8u3+27ν2.

(7)

式(7)即为岩体能量突发失稳破坏的充要判据。当Δ>0时,能量处于稳定状态；当Δ=0时，能量处于稳定与非稳定的临界状态；当Δ<0时，岩体则发生破坏。

4.3 计算结果及分析

将底板微地震事件进行数据统计，以20 m为统计步长，走向方向4 300～5 100 m，深度距底板35 m以内，统计此范围内煤层底板以下每米发生的微地震事件的能量，部分统计数据见表1。

根据底板释放能量及提出的能量突发失稳的判断标准，确定底板隔水层厚度。根据地质资料以及现场采掘时期的探测资料，底板奥灰承压水水头在1 060 m，底板平均隔水层厚度为60 m。

根据表1统计结果，基于底板稳定隔水层厚度的确定方法，可得到动突水系数，部分结果见表2，并将底板破裂深度与动突水系数绘制在同一图上，见图5。

表1 底板每米微地震能量释放统计(以20 m为统计步长)

从图5(a)可以看出，底板破裂深度与动突水系数有一定的时空差异。其中,在A区域走向 4 400 m 附近位置，动突水系数出现微小的峰值；B区域在动突水系数最大值出现在走向4 850 m，而底板破裂最大值出现在走向 4 750 m位置。形成这种结果的原因如下：

(1)如图5(b)所示，此区域是多种应力耦合作用区域，工作面辅运巷、中间巷与F26断层形成的三角区域受到三方面应力的作用，其一为工作面超前支承压力，其二为F26、DF10形成的构造应力以及中间巷产生的次生应力，其三为向斜轴部的局部构造应力。2013年5月底到2013年7月初，工作面累计进尺标段在1 488～ 1 668 m,开采受腰巷的影响较大，腰巷的前后分别揭露了2条与辅运巷斜交的大断层DF10(落差14 m)和F26(落差5.2 m)，工作面超前支承压力、构造应力及中间巷侧向支承压力相互叠加，致使该区域应力集中，顶底板破裂范围增大，且该区域已进入带压开采区，突水可能性增大。根据微地震监测结果，这个区域内当工作面累计进尺至1 488 m前后处底板破裂深度最大为13 m，此处位于F26断层与工作面辅运巷斜交处。而此区域内动突水系数最大的区域位于工作面累计进尺标段1 568～1 608 m处,即腰巷与辅运巷交汇处后方60 m前后，为0.003 6 MPa/m。

表2 工作面动突水系数计算结果

图5 工作面底板破裂深度与动突水系数的关系

(2)如图5(c)所示，2013年7月19日到2013年9月22日，工作面累计进尺标段在1 728～2 048 m,辅运巷的底板破裂深度明显增大，绝大多数在25～30 m。在此区域开采过程中，受到断层DF10、F25、F21及位于工作面中辅运巷未揭露的共8条断层的影响。受采动影响后赋存在煤岩中的原始应力会重新分布，在多条断层的侧向应力的共同作用下,在辅运巷控制点F17及F16的附近形成高应力区；此区域距离X8陷落柱很近，最小距离约为30 m。陷落柱的侧向影响范围与多条断层形成的高应力区有所重叠；同时此区域位于向斜构造带，赋存大量的构造应力，煤岩较为破碎，完整性更差。因此，此区域在多条断层的共同影响下形成的高应力、陷落柱的侧向应力及向斜的构造应力的耦合作用下，受到采动应力影响，应力会有所释放并重新分布，同时会增大原本完整性比较差的底板煤岩深度，所以此区域的底板破裂深度持续较高。此区域内动突水系数最大的位置位于工作面累计进尺至2 008 m处附近，即辅运巷控制点F15前方3 m处附近，动突水系数为0.013 2 MPa/m，属于带压开采安全阶段。

5 结 论

(1)针对平朔集团井工一矿特厚煤层综放工作面底板突水灾害，通过建立高精度微地震监测系统，实现了采场围岩三维破裂场的动态观测。

(2)提出“动态突水系数”的基本概念和计算方法，结合微地震观测结果和工作面地质条件，计算了工作面回采过程中不同阶段的突水系数，工作面向斜轴部以西90 m动突水系数达到峰值，但小于带压开采突水危险标准，该工作面回采期间无突水危险。

(3)通过动突水系数和底板破裂深度的对比研究，动突水系数峰值位置与底板最大破裂深度位置具有明显的时空差异，且底板破裂深度峰值超前于动突水系数峰值，对于矿山的防治水工作有着因地制宜的指导意义。

(4)以高精度微地震技术作为获取底板破裂深度的手段，进而获得底板的动突水系数的方法能较好地反映工作面回采过程中底板采动破坏深度的动态变化过程，为煤矿底板突水实时预测、预报提供了一种新的评价方法，对其他类似矿山具有借鉴作用。

[1] 武 强，张志龙，马积福.煤层底板突水评价的新型实用方法Ⅰ-主控指标体系的建设[J].煤炭学报,2007,32(1):42-47.

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[3] 武 强，解淑寒，裴振江，等.煤炭底板突水评价的新型实用方法Ⅲ-基于GIS的ANN型脆弱性指数法应用[J].煤炭学报，2007,32(12):1301-1306.

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Application of Microseismic Monitoring in the Water Inrush Evaluation of the Specially Thick Coal Seam Floor

Qin Jiutian1Jiang Fuxing1Wang Cunwen1Liang Xingwang2Shi Kemeng2

(1.Civil and Environmental Engineering School,University of Science and Technology Beijing;2.China Coal Pingsuo Group Co.,Ltd.)

The distrubance of the full-mechanized caving mining of special thick coal seam to the floor is great, if the confined aquifer layer belows the floor, water inrush disaters such as primary fracture conductivity, mining-induced conductivity and tectonic activation water could happan. So the key content of prediction and warning of the water inrush is conducting dynamic monitoring of slab crack initiation, development and breakthrough until failure process.Taking the floor water inrush question existing in the process of full-mechanized caving mining of special thick coal seam in the Pingshuo region, the high-precision microseismic monitoring system developed independently is established in the working face so as to obtain the three-dimensional characteristics of the stope wall rocks burst during the process of mining. The water inrush possibility is analyzed based on dynamic water inrush coefficient method. The research results show that, the water inrush of the area which is 90 m to the west of syncline axis of working face, the peak dynamic water inrush coefficient is obtained, but it is less than the water inrush risk standard of under mining pressure. So there is no water inrush danger appearing in the working face during stoping. By contrast,the time and space differences between the position of peak dynamic water inrush coefficient and the position of floor biggest failure depth are obvious, the peak of floor failure depth is ahead of the peak of dynamic peak water inrush coefficient. The above research results can provide some reference for conducting real-time warning of the water inrush danger based on the floor failure depth.

Specially coal seam, Microseismic monitoring, Floor water inrush, Dynamic water inrush coefficient

2014-10-20)

秦九天(1989—)，男，硕士研究生，100083 北京市海淀区学院路30号。