基于采場(chǎng)固有錨桿的煤層底板微震循環(huán)監(jiān)測(cè)方法*

余國(guó)鋒，汪敏華，任波，魏廷雙，韓云春，鄭群，李連崇，陳建

(1.淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 深部煤炭開采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南市 232000；2.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南市 232000；3.淮南礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司煤業(yè)分公司，安徽 淮南市 232000；4.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819)

0 引言

微震監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種監(jiān)測(cè)巖體破裂響應(yīng)的三維空間監(jiān)測(cè)技術(shù)。近幾年，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)為油氣水力壓裂裂縫擴(kuò)展范圍提供了可靠依據(jù)；為礦井災(zāi)害如沖擊地壓、礦井突水等的預(yù)警提供了有力的技術(shù)支持。目前的微地震監(jiān)測(cè)技術(shù)主要分為地面監(jiān)測(cè)和井中監(jiān)測(cè)兩種。地面監(jiān)測(cè)在監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域，比如壓裂井周圍的地面上布置若干接收點(diǎn)進(jìn)行微地震監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)裂縫的擴(kuò)散范圍。井中監(jiān)測(cè)在監(jiān)測(cè)目標(biāo)區(qū)域周圍臨近的井中布置接收排列，進(jìn)行微地震監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)巖體損傷破裂范圍。對(duì)煤礦開采工程，微震監(jiān)測(cè)是在開采工作面附近空間布置傳感器，通過傳感器所拾取的波動(dòng)信息，如：震動(dòng)波監(jiān)測(cè)到的時(shí)間點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間，根據(jù)方位，結(jié)合多個(gè)拾震器的空間坐標(biāo)以及震源的均差或方差建立聯(lián)合方程組，進(jìn)而求解得到最大可能的震源位置和震動(dòng)波信息，最終給出受采動(dòng)影響的工作面圍巖基質(zhì)的破壞特征，為工作面的安全開采提供重要技術(shù)支持和決策依據(jù)。

建立微震系統(tǒng)需要大量的微震傳感器，通常傾斜長(zhǎng)度為1500 m 的工作面需要布置的傳感器數(shù)量約為30 個(gè)。根據(jù)微震系統(tǒng)監(jiān)測(cè)運(yùn)行規(guī)則，每6～8 個(gè)傳感器需要1 臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)主機(jī)，則2000 m 的工作面需要采集儀的數(shù)量為4～5 臺(tái)。而微震系統(tǒng)中采集盒的費(fèi)用相當(dāng)大，嚴(yán)重限制了微震系統(tǒng)在礦井的應(yīng)用。同時(shí)，傳感器以往采用埋設(shè)的方式進(jìn)行安裝，往往是一次性消耗品，造成嚴(yán)重浪費(fèi)，也限制了微震技術(shù)的應(yīng)用。進(jìn)一步改進(jìn)微震監(jiān)測(cè)方法，推進(jìn)在煤礦中的廣泛應(yīng)用成為亟需解決的問題，為此提出可采用井下固有錨桿的形式，配合循環(huán)利用的原則以實(shí)現(xiàn)低成本、低消耗的微震監(jiān)測(cè)。

本文以潘二礦12123 工作面為工程背景，提出并實(shí)施了固有錨桿控制下的底板破壞微震循環(huán)監(jiān)測(cè)方法，并通過典型構(gòu)造區(qū)微震信號(hào)特征與理論解析驗(yàn)證了可行性與有效性，為微震監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用推廣提供了一種有效的新方法。

1 工程概況

潘二煤礦位于安徽省淮南市潘集區(qū)境內(nèi)，隸屬淮南礦業(yè)集團(tuán)。礦井位于潘集背斜東段的陶王背斜北翼及其轉(zhuǎn)折端。12123 工作面位于潘二煤礦第一水平西二采區(qū)，東起西二A 組煤采區(qū)上山，西以DF14斷層為界，北沿12223 上順槽掘進(jìn)，南以設(shè)計(jì)標(biāo)高為準(zhǔn)。上限標(biāo)高為-435.6 m，下限標(biāo)高為-508.1 m。工作面可采走向長(zhǎng)為1003 m，傾斜長(zhǎng)為221 m。12123 工作面內(nèi)存有4 條巷道：軌道巷、運(yùn)輸巷，兩條巷道沿煤層底板布置；上底抽巷、下底抽巷，兩條巷道布置在太原組C32灰?guī)r中。煤層傾角為3°～22°，平均為10°。12123 工作面回采期間將揭露斷層27 條，其中落差大于、等于5 m 的有3 條，落差為3～5 m 的有2 條，落差小于3 m 的有22 條，地質(zhì)條件較為復(fù)雜。

A 組可采煤層有2 層，分別為3 煤和1 煤，煤層賦存較穩(wěn)定，煤質(zhì)優(yōu)良。據(jù)西二采區(qū)鉆探資料：3 煤厚為0～6.4 m，平均厚為4.5 m；局部夾有泥巖夾矸；頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖和粉砂巖；底板為泥巖或砂質(zhì)泥巖，3 煤與下伏1 煤間距1.2～1.8 m，平均為1.5 m。1 煤厚2.1～3.9 m，平均厚3.0 m。底板為海相泥巖，砂泥巖互層，薄層粉砂巖及細(xì)砂巖，距太原組灰?guī)r10.3～21.83 m，平均為15.90 m。根據(jù)采掘資料、地面鉆孔及三維地震資料，影響工作面的充水因素主要有太原組灰?guī)r巖溶水、頂板砂巖裂隙水、斷層水、鉆孔水及老空區(qū)積水。太原組灰?guī)r自上而下可分為三組，即C3Ⅰ組、C3Ⅱ組、C3Ⅲ組，每組含灰?guī)r3～6 層，均為弱富水性。3 煤底板距C3Ⅰ組灰?guī)r平均距離為21 m，12123 工作面直接充水水源為底板C3Ⅰ組灰?guī)r巖溶水。

2 基于固有錨桿的微震循環(huán)監(jiān)測(cè)方法

微震監(jiān)測(cè)是通過檢波設(shè)備構(gòu)建的臺(tái)網(wǎng)來測(cè)定巖石在施工過程中的破裂信號(hào)。根據(jù)震源定位原理，微震監(jiān)測(cè)需在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布置4 個(gè)以上傳感器來接收信號(hào)，同時(shí)需要在工作面具有高程差的兩條巷道內(nèi)均勻布置，以實(shí)現(xiàn)空間交錯(cuò)式全覆蓋。為保證高精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)效果，微震傳感器在每條巷道內(nèi)的間距應(yīng)維持在80～150 m 之間。根據(jù)12123 工作面地質(zhì)概況，工作面長(zhǎng)度約1003 m、底板有上下兩個(gè)底抽巷，水平間距約為130 m、高程約為40 m，因此將微震的測(cè)點(diǎn)布置在上下兩個(gè)底抽巷內(nèi)，如圖1 所示。

圖1 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

工作面自上下底抽巷里段（開切眼方向）開始，計(jì)算確定采場(chǎng)內(nèi)所需要的監(jiān)測(cè)點(diǎn)并安裝傳感器，上底抽巷內(nèi)的編號(hào)為1#～9#、下底抽巷編號(hào)為10#～18#。基于對(duì)微震傳感器維護(hù)、信號(hào)傳遞以及現(xiàn)場(chǎng)施工的考慮，傳統(tǒng)安裝方法存在如下問題：第一，由于潘二礦區(qū)是高瓦斯礦井，不能使用井下焊接錨桿，只能利用錨固劑固定接觸螺栓以安裝傳感器；第二，如果傳感器利用接觸螺栓與錨桿連接，螺栓與錨桿的接觸面容易產(chǎn)生接觸不緊密、存在縫隙等問題，極易導(dǎo)致產(chǎn)生更多的干擾信號(hào)，對(duì)微震信號(hào)的接收產(chǎn)生干擾。因此，在潘二礦實(shí)施過程中，基于對(duì)傳感器接收信號(hào)以及錨桿型號(hào)的了解，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)固有錨桿的含接觸螺栓的錨桿-探頭裝配器，如圖2 所示。首先，將接觸螺栓外殼提前相互連接，并將裝配器通過含內(nèi)部螺紋的外殼與錨桿實(shí)現(xiàn)緊密貼合；其次，在安裝時(shí)，傳感器與螺栓、外殼通過預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)貼合，同時(shí)內(nèi)倉的接觸螺栓與錨桿再次施加預(yù)緊力貼合，從而實(shí)現(xiàn)傳感器高效接收信號(hào)的目的。

圖2 固有錨桿上的傳感器安裝

具備循環(huán)特性的固有錨桿安裝傳感器方法如下：首先，在自工作面開切眼走向長(zhǎng)度約600 m 的巷道內(nèi)部?jī)蓚?cè)固有錨桿上分別固定6 個(gè)傳感器，標(biāo)號(hào)分別為1#～6#和10#～15#，其中1#～6#通過初始連接線與數(shù)據(jù)采集儀Paladin 1#進(jìn)行連接，10#～15#通過初始連接線與數(shù)據(jù)采集儀Paladin 2#進(jìn)行連接；其次，隨著工作面逐漸推進(jìn)，在工作面回采過1#傳感器距離約100～150 m 左右時(shí)，圖1 中的1#、10#傳感器全部位于采空區(qū)內(nèi)，此時(shí)因?yàn)?#、10#傳感器所在的工作面內(nèi)的頂板巖層已基本完成垮落，該處的底板處于安全范圍內(nèi)，同時(shí)因?yàn)?#、11#傳感器仍可以監(jiān)測(cè)1#傳感器所在的采空區(qū)底板。因此可以將與1#傳感器連接的采集儀Paladin1#上的通道與7#傳感器連接、將10#傳感器連接的采集儀Paladin2#上的通道與16#傳感器連接，則可以將有效監(jiān)控區(qū)沿推進(jìn)方向前推100～150 m。依次類推直至每條巷道內(nèi)的最后兩個(gè)傳感器連接形成如圖1 所示的后期監(jiān)測(cè)區(qū)，完成對(duì)整個(gè)工作面回采過程中底板的有效監(jiān)測(cè)。

3 微震事件波形處理與監(jiān)測(cè)方法可行性

3.1 工作面內(nèi)采集波形處理

由于在工作面附近各種聲音混雜在一起，傳感器接收到的波形很多，如人工噪聲波形、機(jī)械設(shè)備噪聲波形、帶電設(shè)備電流干擾信號(hào)波形，爆破波形等。根據(jù)典型微震事件特征，準(zhǔn)確提取出微震波形圖是進(jìn)行微震事件定位的關(guān)鍵一步。典型微震事件特征如下：信號(hào)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)約500 ms，初至及結(jié)束時(shí)振幅均較小，衰減較慢，尾波發(fā)育，波形圖如圖3所示。在眾多波形信號(hào)中篩選出有效微震事件定位的過程中，必須對(duì)檢波器接收到的干擾信號(hào)進(jìn)行過濾，才能準(zhǔn)確提取到微震事件信號(hào)，主要利用濾波處理的方法對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行過濾處理。經(jīng)過過濾后的微震信號(hào)，利用提取P 波初至的定位方式對(duì)發(fā)生破壞的震源位置進(jìn)行定位反演。

圖3 有效波形下的微震特征

通過巖石破裂觸發(fā)微震事件，檢波器接收到的波形信號(hào)，其震源參數(shù)主要包括反映微震量級(jí)的參數(shù)，如地震矩、震源能量、震源半徑、地震級(jí)，這些參數(shù)主要反映單個(gè)微震事件應(yīng)力釋放能量大小；反映巖體破裂空間規(guī)模的發(fā)育參數(shù)，如時(shí)間簇密度、空間簇密度、視體積、應(yīng)力降等，這些參數(shù)主要反映微震事件群體影響規(guī)模大小。

3.2 監(jiān)測(cè)方法可行性分析

通過對(duì)潘二礦12123 工作面內(nèi)的斷層F12224-10 進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在采動(dòng)影響下，由工作面距斷層面的遠(yuǎn)近，采動(dòng)影響對(duì)斷層的應(yīng)力干擾具有如下3 種現(xiàn)象。

第一，當(dāng)采動(dòng)距離離斷層面較遠(yuǎn)時(shí)，采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)開始對(duì)斷層附近應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生影響，由于受到采動(dòng)影響較小，微震事件少（見圖4）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回采進(jìn)度，2020 年11 月8 日時(shí)距離該斷層約為上順槽60 m、下順槽160 m，則在上順槽附近開始受超前應(yīng)力的影響出現(xiàn)圍巖擾動(dòng)，在斷層面附近出現(xiàn)零星微震事件。

第二，隨著工作面逐漸向前推進(jìn)，工作面與斷層面之間的距離縮短，采動(dòng)應(yīng)力對(duì)斷層周圍應(yīng)力場(chǎng)的影響加大，斷層面附近微震事件增多，事件能量增大。

第三，隨著工作面逐漸靠近斷層面，斷層區(qū)域受到采動(dòng)影響的應(yīng)力擾動(dòng)越來越大，在斷層面和工作面附近出現(xiàn)大量密集的微震事件，且微震能量較大，采動(dòng)應(yīng)力極易引起斷層活化，造成底板裂隙帶發(fā)育高度增大，給底板突水帶來一定的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)回采進(jìn)度，2020 年11 月19 日起，距離該斷層上順約25 m 至下順140 m，斷層區(qū)域受超前應(yīng)力擾動(dòng)較大，微震事件數(shù)增多，呈密集狀態(tài)（見圖4）。

圖4 斷層帶微震事件分布特征

通過對(duì)斷層活化階段的現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)基于固有錨桿的循環(huán)監(jiān)測(cè)方法可以通過移動(dòng)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)斷層附近微震事件變化，說明這種基于固有錨桿的循環(huán)監(jiān)測(cè)方法是有效的，可以進(jìn)行斷層底板破壞監(jiān)測(cè)。

4 結(jié)論

由于潘二礦底板面臨奧灰承壓水突水風(fēng)險(xiǎn)，為了防止工作面在開采過程中出現(xiàn)突水，利用井下的固有錨桿安裝微震檢波器，對(duì)煤層底板破壞深度進(jìn)行微震監(jiān)測(cè)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)底板突水風(fēng)險(xiǎn)的目的。結(jié)論如下：

（1）根據(jù)12123 工作面長(zhǎng)度約1003 m，利用研發(fā)的固有錨桿安裝傳感器，共布設(shè)了18 個(gè)探測(cè)點(diǎn)實(shí)施循環(huán)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了傳感器高效接收信號(hào)，基于典型微震事件波形實(shí)現(xiàn)了微震事件定位；

（2）利用微震循環(huán)監(jiān)測(cè)方法對(duì)斷層F12224-10進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，微震事件在斷層帶的分布特征與回采變現(xiàn)出時(shí)空一致性，與理論解析是一致的。同時(shí)在斷層及工作面附近微震事件聚集度較大，也進(jìn)一步驗(yàn)證了方法的可行性。