基于微震監測技術的鉆孔鉆進擾動影響范圍研究

秦貴成 程仁輝

(1.山西潞安礦業集團有限公司，山西省長治市，046000；2.西安科技大學安全科學與工程學院，陜西省西安市，710054)

隨著我國煤礦開采深度的不斷增加，礦井瓦斯災害日趨嚴重。預抽煤層瓦斯對解決瓦斯災害問題發揮了重要作用[1-2]。而鉆孔有效抽采半徑的合理確定影響著瓦斯治理效果，亦可有效減少瓦斯治理成本，避免資源浪費[3]。但在煤礦日常安全工作中，對于瓦斯抽采鉆孔間距的確定我國暫時沒有明確的標準，帶有很大的主觀經驗性。鉆孔間距過大，部分區域瓦斯無法在預定時間內抽出從而形成抽采盲區，為日后生產作業留下重大隱患[4]；鉆孔間距過小，會增加鉆孔工程量，造成資源浪費。因此，合理地確定瓦斯抽采鉆孔間距對提高抽采效率，消除煤與瓦斯突出事故有著重要的現實意義[5]。張天軍[6]等利用自行研制的煤層鉆孔瓦斯流量及濃度檢測裝置，對底抽巷穿層鉆孔單孔瓦斯流量和濃度進行監測， 分析鉆孔瓦斯流量變化衰減規律；韓承強[7]等系統評述了“壓降法”“示蹤氣體法”“瓦斯含量法”與“鉆孔抽采瓦斯量法”4種煤礦井下常用的鉆孔抽采瓦斯影響半徑的測定方法，同時研究了各方法的適用條件；徐東方與王兆豐[8]探討了“壓降法”的測定原理，通過開展現場試驗，總結介紹了測定流程。

山西潞安古城煤礦對煤層鉆孔有效抽采半徑的測定大多依據“流量法”或“壓降法”等傳統方法，測定結果存在較大誤差，設計預抽布孔方案時主要依據既往經驗，沒有具體針對鉆孔的布置方式及鉆孔參數進行設計，參數設計缺乏理論與現實依據。前人對鉆孔間距的測定都是在鉆孔周圍進行打鉆，導致了鉆孔孔周裂隙的二次發育，測定結果存在誤差。微震監測鉆孔是通過在鉆孔周圍布置傳感器來監測鉆孔周圍裂隙的發育情況，沒有在鉆孔周圍進行打鉆擾動，不會對鉆孔進行二次擾動，可以無損監測鉆進擾動對鉆孔周圍裂隙的發育情況。筆者利用微震監測系統監測井下鉆進作業對鉆孔的擾動影響范圍，從而為鉆孔的合理布置提供依據。

1 微震監測系統

1.1 微震監測原理

在煤礦生產作業時，應力較高的煤巖層內地質結構會發生相應的改變，原有的地質構造遭到破壞，促使大范圍裂隙貫通，能量以彈性波的形式發射出去[9]，其為微震。使用采集儀采集處理彈性波，即可獲知微震事件發生地點、能量大小等，并以此評判煤巖體的穩定性，對礦山巖體的內在狀況做出判斷[10]。目前，微震技術被世界各國作為一種高效的監測預警手段，為地下作業提供有效技術和安全支持。

1.2 微震定位原理

微震事件大多發生在煤巖層裂隙的斷面上，巖體聲發射與微震監測技術正是利用裂隙擴展時以彈性波形式釋放出的能量來進行監測煤巖體的穩定性。聲發射與微震現象是20世紀30年代末由美國科學家L·阿伯特發現的[11]。M Cai和P K Kaiser將微震事件按波動頻率分類，把聲發射、微震、巖爆、地震等不同的現象廣義成具有不同振動頻率的震動事件[12]，如圖1所示。

圖1 聲發射信號產生原理及其特征

利用巖體聲發射這一特點，可以對巖體的穩定性進行監測，從而預警沖擊礦壓、巖體塌方、頂板垮落、片幫等動力災害現象。在一些方面，可以用微震監測技術來監測煤巖體內部微破裂的發生過程及分布形態。筆者通過這一原理監測鉆進對鉆孔的擾動影響范圍。

煤體在圍巖應力作用下會產生微破裂，產生的能量以彈性波的形式釋放，通過安裝傳感器及采集儀對監測空間的聲發射數據進行采集處理，即可確定微破裂發生的位置，如圖2所示。

圖2 微震事件定位原理

1.3 微震監測設備

YTZ-3型微震監測系統由硬件與軟件兩大部分組成。系統的硬件由采集儀、傳感器、主機和電纜組成。傳感器用來識別并捕獲煤巖體破裂產生的彈性波，采集儀可對捕獲到的微震信號進行記錄和采集，主機對微震信號進行分析和處理[13]。該系統軟件由數據解編軟件、采集儀配置軟件和數據處理軟件組成。

考慮到井下現場的環境條件，安裝過程中需準備記號筆、標簽、手套、鉗子、膠帶、真空脂、連接軋帶等物品。

圖3 YTZ-3型微震監測設備

2 測點布置及實施方案

2.1 微震監測測點布置

由微震定位原理可知，3個傳感器才能定位1個微震事件，定位方法也是多種多樣，本項目在定位原理理論基礎上，設計了微震傳感器布置方式。根據井下實地考察，確定傳感器測點位置，如圖4所示，確定在每個鉆孔周圍布置4個傳感器，以監測鉆孔為中心，垂直方向上兩傳感器間距為3 m，水平方向上兩傳感器間距為4 m。選取兩側巷道煤幫上相對穩定的位置安裝采集儀，確保監測期間的設備能正常工作，對產生的微震事件實現有效監測。設計在回風巷和運輸巷各布置1組，監測鉆孔從鉆孔打鉆開始至結束的全過程。

圖4 傳感器布設

2.2 實施方案

(1)及時獲得順層瓦斯抽采鉆孔的施工時間，在鉆孔施工開始前，按預定方案安裝好傳感器、采集儀，完成微震監測系統的搭建。

(2)順層瓦斯抽采鉆孔的監測時間段一般是從打鉆前開始，到被打鉆結束后持續一周時間，在監測時間段內需每天下井更換采集儀，保證監測系統的正常供電。

(3)由于井下特殊的作業環境所限，鉆孔周圍錨桿的實際布置方式可能與設計存在一定偏差，在傳感器安裝時需要手動測量各傳感器與鉆孔間的距離，并及時輸入至數據處理系統的坐標模型中。

(4)監測過程中，需記錄好監測時間段、相應的測點編號和采集儀編號，以便后期數據處理。

3 現場應用

選擇古城煤礦S1303運輸大巷的普通抽采鉆孔進行監測，共監測3個普通鉆孔。選取鉆孔走向相對較穩定的若干段微震事件，在軸向方向投影，對其分布范圍進行分析，總體上各個普通瓦斯抽采鉆孔的微震數據良好，在靠近每層內部的末端部分可能是由于距離原因出現了部分微震事件的缺失，整體上各個試驗普通瓦斯抽采鉆孔的微震事件較為完整，空間形態良好，本節選取3個鉆孔走向穩定的3段微震事件，統計各微震事件與鉆孔軸心處位置的距離。為了提高分析結果的準確性，在徑向選取90%微震事件發生的范圍作為邊界，對微震事件的分布狀態進行分析。

圖5 1號普通鉆孔微震數據分析

(1)1號普通鉆孔微震數據分析如圖5所示(圖中各小圖中的左邊圖為截取的穩定段的徑向投影數據，右邊圖為該段數據立體圖)。1號普通鉆孔不同位置處的微震事件分布形態規律大致呈圓形，各段的微震事件分布個數存在一定的差異。通過計算各個微震事件與徑向中點間的距離，得到1號普通鉆孔段的微震事件分布半徑分別為0.85 m、0.89 m、0.92 m。1號普通鉆孔的微震事件分布存在一定的不均勻分布現象，從圖5右側圖對應的微震事件三維分布圖中也可以看出其離散程度較大。對各位置處半徑分別為0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m內的微震事件進行統計分析，結果表明有較多微震事件分布在半徑0～0.3 m的范圍內，占總數的23.61%～27.84%。1號普通鉆孔的微震事件影響半徑分布在0.85～0.92 m之間，各個鉆孔位置處的微震事件分布形態良好，有較好的參考價值。

(2)2號普通鉆孔微震數據分析如圖6所示(圖中各小圖中的左邊圖為截取的穩定段的徑向投影數據，右邊圖為該段數據立體圖)。

圖6 2號普通鉆孔微震數據分析

2號普通鉆孔不同位置處的微震事件分布形態規律大致呈圓形，各段的微震事件分布個數存在一定的差異。通過計算各個微震事件與徑向中點間的距離，得到2號普通鉆孔段的微震事件分布半徑分別為0.95 m、0.94 m、0.91 m。2號普通鉆孔的微震事件分布存在一定的不均勻分布現象，從圖6右側圖對應的微震事件三維分布圖中也可以看出其離散程度較大。對各位置處半徑分別為0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m內的微震事件進行統計分析，結果表明有較多微震事件分布在半徑0.3～0.6 m的范圍內，占總數的26.09%～34.87%。總體上2號普通鉆孔的微震事件影響半徑分布在0.91～0.95 m之間，各鉆孔位置處的微震事件分布形態良好，有較好的參考價值。

圖7 3號普通鉆孔微震數據分析

(3)3號普通鉆孔微震數據分析如圖7所示(圖中各小圖中的左邊圖為截取的穩定段的徑向投影數據，右邊圖為該段數據立體圖)。3號普通鉆孔不同位置處的微震事件分布形態規律大致呈圓形，各段的微震事件分布個數存在一定的差異。通過計算各個微震事件與徑向中點間的距離，得到3號普通鉆孔段的微震事件分布半徑分別為0.95 m、0.97 m、0.89 m。3號普通鉆孔的微震事件分布存在一定的不均勻分布現象，從圖7右側圖對應的微震事件三維分布圖中可以看出其離散程度較大。對各位置處半徑分別為0.3 m、0.6 m、0.9 m、1.2 m內的微震事件進行統計分析，結果表明有較多微震事件分布在半徑0.3～0.6 m的范圍內，占總數的31.29%～36.73%?？傮w上3號普通鉆孔的微震事件影響半徑分布在0.89～0.97 m之間，各個位置處的微震事件分布形態良好，有較好的參考價值。

綜上所述，在監測時間段內，微震監測系統對3個普通瓦斯抽采鉆孔引起的微震事件的捕獲效果良好，可以清晰地從監測結果中觀察不同位置處微震事件發生的情況。通過對不同位置處微震事件分布情況的分段分析，可以看出1號鉆孔周圍微震事件的分布范圍為0.85～0.92 m，分布均勻，形態良好；2號鉆孔周圍微震事件的分布范圍為0.91～0.95 m，事件分布有局部集中的現象，可能是煤質的不均一構造造成的；3號鉆孔周圍微震事件的分布范圍為0.89～0.97 m，軸向投影的微震事件分布相對較均勻，鉆孔前半段微震事件分布偏多，判斷是由于鉆孔前段部分靠近巷道，煤層內壓力得到部分釋放，且鉆孔前段靠近傳感器所致。

鉆孔微震事件半徑范圍分布如圖8所示。用網狀圖表示3個鉆孔的影響范圍區間，可以明顯地觀察到3號鉆孔影響范圍略大于其他試驗鉆孔，且其影響范圍的區間寬度較大。

圖8 鉆孔微震事件半徑范圍分布

各普通鉆孔微震事件半徑范圍如圖9所示，各個鉆孔不同位置處的影響范圍存在一定的差異，但總體上都穩定在一定的范圍內，用不同位置處的影響范圍區間表示各個鉆孔的影響范圍。

普通鉆孔不同位置處微震事件半徑范圍如圖10所示，對所有鉆孔不同位置處的微震事件的影響半徑進行統計分析，發現其集中分布在0.85～0.97 m范圍內。為進一步提高各個鉆孔影響范圍監測結果的準確性，選取所有分段位置處微震事件分布范圍有效監測到分段個數的90%作為鉆孔有效影響半徑，考慮擾動影響對鉆孔孔周裂隙的發育狀態隨著距離而增大導致的試驗誤差，剔除最高數據，得到古城煤礦S1303運輸大巷試驗鉆孔在鉆孔成孔時有效影響范圍為0.85～0.95 m。

圖9 3個普通鉆孔微震事件半徑范圍

圖10 普通鉆孔不同位置處微震事件半徑范圍

4 結論

為了更好地指導順層鉆孔的間距布置，利用微震監測技術對鉆孔的無損監測鉆進擾動對鉆孔的影響范圍。首先介紹了微震監測原理及定位原理；其次利用YTZ-3型微震監測系統在古城煤礦S1303運輸大巷監測了3個鉆孔的鉆進擾動對鉆孔的影響范圍；然后通過選取單個鉆孔3個穩定段進行投影徑向分析，選取90%微震事件發生的范圍作為邊界，得到3個鉆孔的微震事件影響半徑；最后借助數據處理軟件對3個鉆孔的微震數據進行統一分析，確定古城煤礦S1303運輸大巷的鉆孔受鉆進擾動的影響范圍在0.85～0.95 m，為古城煤礦鉆孔的合理布置提供了依據。