潘二煤礦A組煤層底板灰?guī)r水害微震監(jiān)測

查華勝，張海江，連會青，錢佳威，魏廷雙，唐忠義，梅 歡，程婷婷

(1.中國科學技術(shù)大學 地球和空間科學學院，安徽 合肥 230026；2.安徽萬泰地球物理技術(shù)有限公司，安徽 合肥 230601；3.華北科技學院，河北 廊坊 065201；4.淮南礦業(yè)集團有限責任公司 潘二煤礦，安徽 淮南 232000；5.陜西長武亭南煤業(yè)有限責任公司，陜西 咸陽 713600)

煤層底板下伏巖體在采動應力和下方承壓水水壓共同作用下會發(fā)生破壞，致使底板采動破壞導水裂隙帶與含水層上方原始導升帶之間的巖體失去隔水作用，兩帶直接導通或者承壓水水壓超出兩帶之間隔水層巖體的承載能力時，采煤工作面將發(fā)生突水事故。采煤工作面底板突水主要發(fā)生在采空區(qū)附近，水源大多是煤層底板厚層灰?guī)r巖溶強含水層，誘發(fā)因素主要有煤層底板采動裂隙、地質(zhì)構(gòu)造(斷層、陷落柱)、底板下伏隔水層薄以及存在巖溶裂隙等。

我國對采煤工作面底板突水監(jiān)測與預測研究始于20世紀60年代，焦作水文會戰(zhàn)首次將“突水系數(shù)”作為突水預測預報標準。隨著煤層進入深部開采階段，水文地質(zhì)條件日益復雜，中國煤炭科工集團西安研究院改進了突水系數(shù)，并廣泛應用于煤礦底板承壓水突水預警。但由于煤層底板突水影響因素眾多，導致“突水系數(shù)”法在實際應用中存在一定的局限性。20世紀80年代，基于煤層頂板“上三帶”理論，從巖體地質(zhì)工程力學角度出發(fā)，提出了煤層底板“下三帶”理論和后續(xù)發(fā)展的原位張裂與零位破壞理論、關(guān)鍵層理論、遞進導升理論、“突水優(yōu)勢面”理論以及開采煤層底板“四帶”劃分理論等。在此過程中，基于煤層底板下伏巖層物性差異(電性、彈性、密度等)的地球物理勘探方法也被間接應用到煤層底板突水預警中，如利用電阻率法探測底板下伏巖層的富水性，利用地震及聲波法探測底板下伏巖層的采動破壞導水裂隙帶以及異常地質(zhì)構(gòu)造等。

對于煤層底板突水監(jiān)測和預警，其核心內(nèi)容和關(guān)鍵問題是確定在采動應力和承壓水水壓共同作用下煤層底板下伏巖體發(fā)生破壞產(chǎn)生裂縫并貫通成為滲透通道的過程。從這個角度分析可認為底板突水是煤層采動過程中的應力場擾動所誘發(fā)的微破裂萌生、發(fā)展、貫通等巖石破裂過程失穩(wěn)的結(jié)果。而在巖石破裂、失穩(wěn)過程中，會產(chǎn)生微震信號，通過確定微震信號發(fā)生的時間、空間、強度，可以確定微破裂發(fā)生的空間位置、頻率以及微破裂尺寸，進而刻畫導水通道的時-空演變過程。近些年，微震監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速。大量研究表明，利用微震監(jiān)測技術(shù)可以捕獲煤層底板突水前下伏巖體微破裂信號，并根據(jù)微震事件的時空分布確定受開采擾動誘發(fā)的煤層底板下伏巖體的裂隙發(fā)育情況(底板破壞層位和破壞深度)以及導水通道的演化過程。王悅等通過微震活動性時空分布特征，研究了董家河煤礦底板突水情況；靳德武等提出了基于微震能量密度及巖層破裂連通度反演導水通道的識別方法，并在河北葛泉礦東井11916工作面底板突水監(jiān)測工程中驗證了基于震源參數(shù)的底板導水通道識別技術(shù)。

目前，基于微震技術(shù)進行煤層底板突水監(jiān)測預警，主要是利用底板下伏巖體微破裂信號時空變化規(guī)律分析底板破壞帶的發(fā)育情況，但不能確定底板下方灰?guī)r水的入侵高度、分布以及導流通道是否形成。筆者在分析煤層底板下伏巖體微破裂信號時空分布的基礎上，通過研究微震事件的不同波形特征信息，發(fā)現(xiàn)灰?guī)r水沿裂隙通道向上入侵過程中與周圍固體介質(zhì)相互作用產(chǎn)生震蕩信號，并分析其與煤層底板破壞帶的時空變化關(guān)系，為煤層底板灰?guī)r水害監(jiān)測預警提供了新的思路和方法。

1 研究區(qū)概況

淮南潘二煤礦位于陶王背斜北翼及東部轉(zhuǎn)折端，走向長10.1 km，傾斜寬1.04～3.40 km，井田面積19.7 km；含煤巖系為石炭系、二疊系地層，開采煤層為1煤，平均厚度為2.8 m，煤層平均傾角為15°，屬較穩(wěn)定煤層。11221工作面(圖1(a))為礦井A組煤接替工作面，位于一水平東一采區(qū)，上覆11223采空區(qū)，工作面范圍內(nèi)受煤層層間滑動及斷層的影響，煤層產(chǎn)狀和厚度均有一定的變化。

圖1 潘二煤礦A組煤接替工作面11221工作面位置和地層分布

2 微震監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 微震監(jiān)測系統(tǒng)

微震類似于天然地震，但能量較弱，震級通常小于0，主要對應巖體受應力擾動產(chǎn)生的微破裂。微震監(jiān)測系統(tǒng)的環(huán)境背景噪聲、巖體破裂信號的強度及傳播距離，綜合影響微震監(jiān)測系統(tǒng)對微震事件的記錄、識別和定位能力。煤層采動中底板下伏巖體微破裂信號能量弱，釋放的能量呈傳播距離的指數(shù)次冪衰減。因此，利用微震技術(shù)進行煤層底板灰?guī)r水害監(jiān)測預警對監(jiān)測環(huán)境的背景噪聲要求較高(振幅(電壓)不大于10V)。KJ648(C)微震監(jiān)測系統(tǒng)(安徽萬泰地球物理技術(shù)有限公司)具有高靈敏度、寬頻帶、低本底噪聲的特點(表1)，能夠采集微弱的巖體破裂信號。

表1 潘二煤礦11221采煤工作面底板突水微震監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)

2.2 微震監(jiān)測臺網(wǎng)

潘二煤礦11221工作面微震監(jiān)測點分布在工作面回風巷和運輸巷(圖2)，分別為12個，同巷相鄰微震監(jiān)測點間距約110 m，工作面回風巷第1個微震監(jiān)測點距離開切眼約79.7 m；工作面運輸巷第1個微震監(jiān)測點距離開切眼約132.9 m。微震傳感器采用鉆孔安裝(圖3)，鉆孔與垂直方向的偏離角度約3°，鉆孔深1.5～2.5 m，孔底均進入到煤層底板下伏基巖，并采用水泥砂漿做為傳感器耦合劑。煤層采動條件下，微震監(jiān)測系統(tǒng)記錄的環(huán)境噪聲振幅峰值(電壓)在10V(圖4)，滿足煤層底板灰?guī)r水害微震監(jiān)測要求，能夠保證監(jiān)測到微弱微震信號。

圖2 潘二煤礦11221工作面微震監(jiān)測臺網(wǎng)

圖3 微震傳感器鉆孔安裝

圖4 潘二煤礦11221工作面微震監(jiān)測系統(tǒng)環(huán)境背景噪聲波形

3 煤層開采微震信號分析

3.1 校驗炮信號

利用微震監(jiān)測系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測煤層采動過程中底板灰?guī)r水害情況之前，需在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)進行校驗炮試驗，以檢驗微震監(jiān)測系統(tǒng)的空間定位能力。潘二煤礦11221工作面校驗炮位置如圖2所示，以校驗炮1(圖5(a))為例進行時頻特征分析(圖5(b))，炸藥震源產(chǎn)生的波形信號的振幅能量集中在20～400 Hz的頻率范圍內(nèi)。

圖5 潘二煤礦11221工作面校驗炮波形和時頻分析

為進一步分析校驗炮1激發(fā)的波形信號頻譜特征，選擇與其空間距離最近的S18微震傳感器(約8.6 m)接收的波形信號進行分析。發(fā)現(xiàn)其主頻約為200 Hz，頻率范圍為40～400 Hz，而且P波很明顯，并且沒有后續(xù)的S波和其他震相，符合炸藥震源激發(fā)的信號特征。對于其他距離炸藥震源較遠的微震傳感器，除了明顯的P波信號之外，還可以看到明顯的低頻后續(xù)震相。這些波形可能代表炸藥震源激發(fā)的地震波在煤層中傳播時，產(chǎn)生的槽波形式的尾波信號。

通過微震監(jiān)測系統(tǒng)空間定位以及與實際位置進行對比，空間定位誤差小于4.21 m，平均空間定位誤差為4.06 m(表2)。

表2 潘二煤礦11221采煤工作面底板突水微震監(jiān)測系統(tǒng)校驗炮空間定位精度結(jié)果

3.2 巖體微破裂信號

煤層采動導致煤巖應力平衡受到破壞，煤層的頂?shù)装逡约懊簩觾?nèi)出現(xiàn)巖體破裂，以彈性波的方式釋放煤巖破裂產(chǎn)生的能量。微震事件發(fā)生的本質(zhì)是采煤工作面圍巖應力、應變、變形、破裂、失穩(wěn)及破壞等一系列動態(tài)演變過程的一種表現(xiàn)形式。

通常煤巖拉伸破裂的微震波形P波初動清晰，S波與P波的能量比較小；煤巖剪切破斷則表現(xiàn)出P波初動微弱，S波與P波的能量比較大，潘二煤礦11221工作面煤巖破裂信號S波與P波的震相清晰(圖6(a))，且能量比較大，表明煤巖破裂以剪切錯斷為主，震源及震源機制解(圖6(b)),參數(shù)詳見表3。

圖6 潘二煤礦11221工作面煤巖受開采擾動影響誘發(fā)產(chǎn)生的破裂信號、微震事件的沙灘球和時頻分析

表3 潘二煤礦11221采煤工作面底板突水微震監(jiān)測巖體破裂信號震源及震源機制解參數(shù)

根據(jù)時頻特征分析(圖6(c))，煤巖破裂微震信號的振幅能量集中在30～100 Hz的頻率范圍內(nèi)，與校驗炮1的地震信號頻譜對比，煤巖破裂信號的頻率范圍相對較低。

3.3 水流震蕩信號

地下水在自身水壓及采動擾動下，會以流體的形式沿著裂隙通道向巖體弱勢面快速運移并產(chǎn)生危害，如隧道溶洞突水以及煤層底板灰?guī)r水害等。基于大型三維流固耦合模型試驗系統(tǒng)，陳迪楊等采用KJ648(C)微震監(jiān)測系統(tǒng)研究水流通道中水聲與激蕩信號在巖石中的傳播特性以及對流體通道進行三維空間定位與識別。實驗裝置(圖7)是采用類巖石材料混凝土模擬灰?guī)r，并在內(nèi)部布設各種類型管道，管道形狀簡化成“之”字型和“Y”型。模擬灰?guī)r的物理力學參數(shù)：容重為24～26 kN/m、抗壓強度為40～80 MPa、彈性模量為8～10 GPa、泊松比為0.30～0.35、黏聚力4～5 MPa、內(nèi)摩擦角為25°～35°。

圖7 水量震蕩模擬微震監(jiān)測實驗

通過在實驗裝置頂端的入水口進行10 s灌水，產(chǎn)生水流震蕩，激發(fā)的能量以彈性波的形式向四周傳播，被微震傳感器接收。圖8為實驗記錄的地震信號，信號前端為水頭釋放時產(chǎn)生的沖擊波信號，中部為水流震蕩時產(chǎn)生的震動信號，整體呈類螺釘狀。信號振幅在水流震蕩過程中呈高低起伏變化，形狀上看起來像一個螺釘?shù)臋M截面，信號頻率范圍為50～1 000 Hz，持續(xù)時間約3 s。

圖8 基于大型三維流固耦合模型試驗系統(tǒng)注水實驗水流震蕩波形信號時頻分析

2021-09-28 T 10：49和2021-09-28 T 20：33，在潘二煤礦11221工作面發(fā)現(xiàn)類螺釘狀地震信號(圖9，10)，與注水實驗中的水流震蕩信號在波形特征上相似，但該信號頻率低、持續(xù)時間長，信號頻率范圍為20～40 Hz(圖11)，低于正常監(jiān)測到的微震信號頻率，持續(xù)時間超過20 s，初步推測為煤層底板下伏灰?guī)r層巖溶水向上入侵過程中產(chǎn)生的水流震蕩信號，由于實際的水流通道與注水實驗中人工設置的類巖石材料混凝土水流通道存在較大區(qū)別，導致該信號頻率相對較低。

圖9 潘二煤礦11221工作面2021-09-28 T 10:49發(fā)生的水流震蕩信號波形分析

圖10 潘二煤礦11221工作面2021-09-28 T 20:33發(fā)生的水流震蕩信號波形分析

圖11 潘二煤礦11221工作面水流震蕩信號時頻分析

為進一步分析潘二煤礦11221工作面類螺釘狀地震信號的發(fā)生機理，將其與工作面煤巖破裂、輸送帶運動、刮板機聯(lián)動、礦震以及遠震等信號進行對比分析，該信號存在以下新的特征：類螺釘狀，能量低(振幅主要在10～10V)，頻率低(頻率為20～40 Hz)，持續(xù)時間長(超過20 s)。

表4 潘二煤礦11221采煤工作面底板突水微震監(jiān)測系統(tǒng)螺釘狀地震信號空間定位精度結(jié)果

4 煤層底板破壞與微震活動性關(guān)系

4.1 煤層底板破壞空間域分析

潘二煤礦11221工作面底板突水微震監(jiān)測系統(tǒng)自2021-09-01—30共監(jiān)測到巖體破裂事件1 145個，底板下伏巖體破裂事件439個，頂板圍巖破裂事件706個，微震事件的能量主要集中在100～500 J，占比61.50%(圖12)。煤層采動造成工作面前方煤巖內(nèi)部應力集中，當超過巖體載荷時，會持續(xù)發(fā)生煤巖破裂，其中1煤開采擾動影響最遠距離約在工作面前方143.6 m，1號斷層異常區(qū)含大量微震事件，局部成簇狀(圖13)。

圖12 潘二煤礦11221工作面微震事件能量分布

圖13 潘二煤礦11221工作面微震事件空間分布(俯視)

圖14 潘二煤礦11221工作面走向微震事件空間分布剖面(工作面運輸巷)

4.2 煤層底板破壞時間域分析

圖15(a)顯示了1煤底板微震事件按天統(tǒng)計分析的結(jié)果。9月1日—9月18日期間，日微震事件數(shù)變化幅度較小，表征1煤底板下伏巖體受開采擾動破壞處于一個相對安全的狀態(tài)。9月19日—9月28日期間，日微震事件數(shù)在增加，增幅為2～3倍，表征1煤底板下伏巖體受開采擾動破壞的程度在增加。

采煤工作面圍巖受到破壞所釋放的能量大小主要取決于工作面施工人為擾動、原始地應力場和圍巖地質(zhì)條件。圍巖內(nèi)部若存在節(jié)理面、結(jié)構(gòu)面等不良地質(zhì)體，則導致不同區(qū)段的應力場和地質(zhì)條件存在差別。

圖15(b)對潘二煤礦11221工作面1煤底板微震事件日累積能量與日進尺進行分析，在原始地應力場和圍巖地質(zhì)條件變化小時，施工人為擾動(采煤工作面日進尺)增大，1煤底板下伏巖體的應變活動劇烈，誘發(fā)產(chǎn)生的微震事件的日累積能量增大。

圖15(c),(d)分別對潘二煤礦11221工作面1煤底板日微震事件數(shù)、底板日累計能量與底板破壞深度進行分析，1煤底板破壞深度增加時，底板日微震事件數(shù)以及底板日累計能量增大。

圖15 潘二煤礦11221工作面煤層底板微震時域分析

5 基于微震波形特征的煤層底板突水前兆信息

煤層底板下伏承壓水富水區(qū)含有一定高度的天然導升，受開采擾動影響，在水壓和二次應力共同作用下承壓水導升高度不斷向上遞進入侵，當與煤層底板破壞帶形成聯(lián)通時，則發(fā)生突水：

+Δ+≥

(1)

其中,為原始導升高度;Δ為遞進導升高度;為底板破壞深度;為底板全厚。因此，通過分析承壓水入侵高度和底板破壞深度的動態(tài)變化，可進行煤層底板突水危險性預警。

圖16，17顯示了在空間上對潘二煤礦11221工作面9月27日—9月28日期間的微震事件分析結(jié)果。1煤底板微震事件主要靠近于工作面前方的運輸巷底板，聚集在水流震蕩信號位置的上方，但未形成聯(lián)通。

圖16 潘二煤礦11221工作面2021-09-27—28間微震信號空間分布(俯視)

為進一步研究水流震蕩信號出現(xiàn)過程中1煤底板微震事件的變化規(guī)律，在時間序列上對潘二煤礦11221工作面9月20日—10月3日期間的微震事件進行了分析(圖18(a))。水流震蕩信號出現(xiàn)前一周，日微震事件數(shù)逐漸增多，在9月26日達到峰值34個，然后在9月27日、9月28日、9月29日分別為29個、28個以及30個。但是在水流震蕩信號出現(xiàn)之后的第2天(9月30日)日微震事件數(shù)突降為11個以及在10月1日微震事件數(shù)為7個。圖18(b)為潘二煤礦11221工作面灰?guī)r水流量及1煤底板日微震事件數(shù)的變化，9月15日—9月20日期間，工作面灰?guī)r水流量和1煤底板日微震事件數(shù)存在變化但幅度較小。

圖17 潘二煤礦11221工作面2021-09-27—28間工作面走向微震事件空間分布剖面(工作面運輸巷)

圖18 潘二煤礦11221工作面煤層底板微震事件和灰?guī)r水排量的變化特征

根據(jù)圖18分析結(jié)果，微震波形呈類螺釘狀且持續(xù)時間超過20 s的低頻、低能量的水流震蕩信號出現(xiàn)前，1煤底板日微震事件數(shù)急劇增加，工作面灰?guī)r涌水量平穩(wěn)變化；該水流震蕩信號出現(xiàn)后，1煤底板日微震事件數(shù)存在變化但依然保持在高位，當日微震事件數(shù)急劇降低時，工作面灰?guī)r涌水量存在較大幅度的提高。根據(jù)以上分析可以推測：水流震蕩信號出現(xiàn)之前1煤底板灰?guī)r含水層上方的巖體在采動和水壓的共同作用下產(chǎn)生巖體破裂，導致原始導升帶向上發(fā)展，此時灰?guī)r承壓水沿著裂隙通道向上入侵，進而出現(xiàn)水流震蕩，并沿著人工探水孔流出，從而導致工作面灰?guī)r涌水量增高。

水流震蕩信號在一定程度上反映了煤層底板承壓水的水頭入侵位置，當與煤層底板破壞帶產(chǎn)生聯(lián)通時，會發(fā)生突水危害。潘二煤礦11221工作面監(jiān)測到的類螺釘狀水流震蕩信號雖然是局部現(xiàn)象，但相似特征信號于2021-11-17 T 15：50在界溝煤礦1025工作面也出現(xiàn)了(圖19)，且在工作面內(nèi)斷層處。該信號出現(xiàn)后工作面斷層處發(fā)生突水，水量為8 m/h。因此，可以將煤層底板的水流震蕩信號作為煤層可能會發(fā)生底板突水的前兆信息之一。

圖19 界溝煤礦1025工作面2021-11-17 T 15:50發(fā)生的水流震蕩信號波形和時頻分析

6 結(jié) 論

(3)結(jié)合潘二煤礦、界溝煤礦微震監(jiān)測結(jié)果分析，水流震蕩信號在一定程度上反映了煤層底板承壓水的水頭入侵位置，當與煤層底板破壞帶產(chǎn)生聯(lián)通時，會發(fā)生突水危害。因此，可以將煤層底板的水流震蕩信號作為煤層可能會發(fā)生底板突水的前兆信息之一。