基于微震監測的中深埋煤層導水裂縫帶發育規律研究

劉 超，夏冰冰，白 坤，張慧峰，樊江偉，馬 越，劉 鵬，侯恩科

(1.陜西小保當礦業有限公司，陜西省榆林市，719302；2.西安科技大學地質與環境學院，陜西省西安市，710054)

0 引言

榆神礦區位于陜北侏羅紀煤田腹部地帶，是首批國家規劃礦區，煤層賦存條件好、儲量大。礦區地處毛烏素沙漠地帶，生態環境脆弱，水資源短缺。隨著煤炭資源的規?；_采，必然會造成煤層上覆巖層的破壞，使地下水資源遭到破壞[1-3]，同時對礦井安全生產造成威脅[4-6]。因此，查明煤層導水裂縫帶發育規律具有重要意義。

煤層埋深小于150 m為淺埋煤層，大于150 m小于600 m為中深埋煤層，大于600 m為深埋煤層[7]。目前，陜北侏羅系煤田主要開采淺埋煤層，針對淺埋煤層開采覆巖破壞和導水裂縫帶發育規律，眾多學者對其進行了研究。許家林等[8]通過對淺埋煤層覆巖關鍵層結構的類型及其破斷失穩特征進行研究得出神東礦區淺埋煤層覆巖關鍵層結構類型的判別方法；黃慶享等[9]通過物理模擬實驗揭示了厚砂土層貫通地表裂縫的形成和發展規律，發現地表厚砂土層初次垮落的“拱梁”和周期垮落的“弧形巖柱”結構；楊達明等[10]通過改善鉆孔漏失量觀測方法及儀器提高了觀測精度并得出導水裂縫帶高度；尋博輝等[11]、徐樹媛等[12]分別基于最小二乘支持向量機模型和RBF核ε-SVR預測模型對導水裂縫帶高度進行了預測；侯恩科等[13-14]對淺埋煤層過溝開采上覆巖層的擾動破壞規律與裂隙發育特征進行了研究，并對溝道裂縫治理提出了相應方案；來興平等[15]采用物理相似材料模擬，綜合運用鉆孔監測、數值模擬以及SPSS軟件相結合的方法得出導水裂縫帶高度與松散層厚度呈指數函數關系，并擬合出導水裂縫帶高度預測經驗公式；孫慶先等[16]運用鉆孔沖洗液漏失量、鉆孔彩色電視和井下瞬變電磁法3種技術手段對煤層綜放開采上覆巖層“兩帶”高度進行了探測，分析了各探測方法優缺點；譚毅等[15]通過研究非充分采動下淺埋堅硬頂板“兩帶”高度，得出導水裂縫帶的高度整體呈階梯型突跳變化的結論。

目前，學者們針對淺埋煤層導水裂縫帶發育規律做了大量研究，但隨著榆神礦區眾多中深埋煤層區域井田逐步投入生產，該礦區中深埋煤層開采勢必與淺埋煤層開采覆巖導水裂縫帶發育規律有所不同。因此，筆者以中深埋煤層井田小保當一號煤礦112201工作面為研究對象，采用井-地聯合微震監測技術對其頂板導水裂縫帶發育規律進行研究，對研究相似地質條件下煤層開采覆巖導水裂縫帶發育規律提供借鑒。

1 研究區概況

小保當煤礦位于陜北黃土高原北端，毛烏素沙漠東南緣。礦井大部分地域被第四系風積半固定沙丘和固定沙丘所覆蓋，以風蝕風積沙漠丘陵地貌為主。地形總趨勢為西南部高東北部低，可采煤層為中深埋煤層。

小保當一號煤礦112201工作面主采2-2號煤層，平均埋深302 m，工作面走向長度4 560 m，寬度350 m，采用大采高綜采一次采全高開采工藝，采高約為5.8 m，推采平均日進尺12.5 m。根據該工作面地層與煤層鉆孔揭露情況，揭露的地層由老至新依次為侏羅系下統富縣組(J1f)，侏羅系中統延安組(J2y)、直羅組(J2z)、安定組(J2a)，新近系上新統保德組(N2b)、第四系上更新統薩拉烏蘇組(Q3s)和第四系全新統風積沙(Q4eol)，其中延安組為唯一含煤地層。

2 微震原理及監測方案

2.1 微震監測技術原理

井-地聯合微震監測技術是通過在地面不同高程、井下巷道同時布置多個觀測點，所布置的觀測點包圍監測區域，利用多道檢波器分別接收各個監測點地震波的時間和波速，然后通過計算各監測點接受信號的地震波時間差來提高定位精度，組成方程組，得出震源位置。本次采用井-地聯合微震監測技術對小保當一號煤礦112201工作面頂板覆巖破壞所產生的微震事件進行長期動態監測，并根據工作面實際推采進度對觀測點進行調整。

微震監測系統的關鍵組成包括傳感器、采集儀和主機三大部分。傳感器可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采集和記錄；主機可對采集到的微震信號進行查看、分析和處理。微震監測系統如圖1所示。

圖1 微震監測系統

2.2 微震監測方案

受實際情況影響，本次監測共分為2個階段，從112201工作面距開切眼3 600 m處開始監測，一階段監測范圍500 m，監測時間為2019年8月23日至10月7日；二階段監測終采線到前方120 m 區域，監測時間為2019年11月17日至12月11日。

根據高低相間、均勻分布的測點布置原則，結合監測區實際地質條件，在一階段監測區域地表設計7個微震監測點、井下工作面兩側巷道分別各布置3個監測點，共計6個監測點，二階段監測區域地表設計7個微震監測點，井下工作面西南側巷道布置2個監測點、東北側巷道布置3個監測點，共計5個監測點。

通過加強混凝土養生，可防止混凝土因內外溫差而出現開裂情況。在完成混凝土澆筑施工后，須及時修整緩凝土裸露面，并對承臺頂面的高程進行復核。待混凝土初凝后可采用雙層土工布進行覆蓋、灑水，時間至少14d，并安排專人負責，灑水的頻率需結合每天的天氣情況而定，但需確保土工布具有較大的濕度。

地面部分監測點及井下監測點會隨工作面回采進度調整位置以保證監測信號穩定，一階段井下監測點(包括移動測點)共計12個。研究區地面和井下所有微震測點位置如圖2所示。

圖2 研究區微震測點位置

檢波器安裝如圖3所示。在地面檢波器的安裝過程中，為克服地震波在地表沙層中的衰減作用，將地表沙層清理一定深度后將檢波器接入2 m的鋼筋插入到紅土層，使地表檢波器可以接受質量較好的微震信號，如圖3(a)所示。112201工作面兩側巷道以交錯方式分別布置3個動態監測點，相鄰測點間距100 m。當工作面向前回采100 m，將工作面后方的檢波器向前移動，相鄰距離仍為100 m。井下每個測點安裝1個檢波器，3個檢波器連接1臺數據采集儀。檢波器采用錨桿安裝法，即檢波器轉接頭與頂板錨桿連接，通過錨桿接受微震信號，如圖3(b)所示。

圖3 檢波器安裝

系統標定是指標定微震系統的定位精度及反演地層速度，通常做法是選擇3個已知坐標的位置作為炮點放標定炮，即把起爆位置當成一個已知的點震源，然后對點震源起爆發出的信號進行反演計算得出炮點坐標，從而達到定位的目的。

通過對比炮點的實際坐標和計算坐標的差異進行地層速度反演。本次監測定位信息見表1。

根據表1定位誤差值，3個炮點反演的精度較高，誤差最大為3號炮點ΔX(X方向誤差)的3.2 m，誤差最小為1號炮點ΔY(Y方向誤差)的0，高程最大誤差為3號炮點ΔZ(Z方向誤差)的0.70 m，誤差均較小，滿足精度要求。

表1 標定炮定位信息

3 微震事件分布特征及覆巖破壞規律

3.1 工作面微震事件分析

將微震事件標高按每10 m間隔區間劃分，進行微震事件個數統計，如圖4(a)所示。由圖4(a)可以看出，隨著標高上升，微震事件也逐步上升，在+1 010～+1 020 m區間內微震事件數量達到頂峰，之后隨著標高的上升，微震事件數量逐步下降，總體來看，微震事件主要發生在標高+950～+1 110 m區間內，說明頂板破裂主要集中在該范圍內。在+1 110 m之上依然有微震事件產生，但數量較少。

圖4 微震事件統計

將微震數據從開始監測日期(2019年8月25日)到監測結束日期(2019年12月11日)按7 d劃分，分別為8月25-31日、9月1-8日、9月9-19日、9月20-27日、9月28日-10月7日、11月17-25日、11月26日-12月2日、12月3-11日，做微震事件在不同時間間隔微震事件數量折線，如圖4(b)所示。由圖4(b)可以看出，在第一階段和第二階段監測初期(2019年8月25-31日、11月17-25日、11月26日-12月2日)，微震事件在各標高區段數量相對于監測中后期較少，原因是由于在工作面回采過程中，工作面前方覆巖應力平衡被破壞，覆巖所受應力增大，覆巖破裂超前工作面發育，故而導致在監測初期微震事件數量較少；在2019年9月1-8日、9月9-19日、9月20-27日、9月28日-10月7日、11月17-25日、11月26日-12月2日、12月3-11日，微震事件主要集中在+940～+1 110 m之間。

3.2 工作面覆巖破壞規律

監測期間微震事件定位分布結果如圖5所示，工作面走向微震事件分布如圖6所示。

圖5 微震事件定位分布結果

圖6 微震事件沿工作面走向分布

破裂點主要集中在112201工作面監測區域內，整體走向與工作面走向垂直，除112201工作面內的破裂信號，工作面兩側同樣分布部分破裂信號。從圖6來看，破裂點基本分布在標高+940～+1 200 m范圍內。

3.2.2 微震事件密度分析

根據前文數據劃分時間繪制各個時間段工作面走向微震事件密度，密度半徑參數取50，利用距離平方加權的數學方法生產密度，結果如圖7所示。

圖7 工作面走向微震事件密度

圖7(a)～7(e)為第一次監測微震事件密度分布，圖7(f)～7(h)為第二次監測微震事件密度分布，微震事件總體上隨著工作面的推進向前均勻發育，第一次監測微震事件的投影密度比第二次監測的微震事件密度大。分析認為112201工作面在末端回采過程中開采強度低，同時回采過程中頂板的漏矸問題對112201工作面末端進行了人為加固；在第二次進行監測之前，112201工作面末端煤層頂板之上覆巖已經發生破裂，故而出現第二次監測微震事件密度小的情況。

一階段檢測期間，以微震事件密度值600作為微震事件高密度區域的標準作為導水裂縫帶發育高程，從開始監測到監測結束，微震事件高密度區域頂界面高程見表2，在一階段監測期間，112201工作面內上方微震事件高密度區域頂界面高程達到+1 115 m；二階段檢測期間，工作面回采至終采線時，同理可得112201工作面內上方微震事件高密度區域頂界面高程達到+1 123 m，終采線附近頂界面導水裂縫帶高程略大于工作面內導水裂縫帶高程。

表2 微震事件高密度區域頂界面高程(2019年)

4 微震導水裂縫帶高度結果分析及驗證

4.1 導水裂縫帶高度結果分析

本次微震監測采用微震事件空間密度分布和各時段垂向分布特征綜合分析確定導水裂縫帶高度。從表2和圖7可以看出，在監測初期，微震事件高密度區域頂界面高程都較低，這是因為頂板覆巖破裂存在超前發育的情況，在監測之前，監測區域頂板破裂已經產生，但是這些破裂的微震信號并沒有被接受，故而出現監測初期微震事件較少的情況。

綜上，微震事件主要集中于標高+940～+1 160 m 范圍內，在標高+1 087～+1 115 m階段微震密度達到最大值，根據煤層埋深與微震事件高程差，綜合判定導水裂縫帶最終為154～163 m，裂采比為26.55～28.10。2019年12月3-11日時間段工作面回采至終采線時，終采線附近微震事件相對工作面其他區域微震事件的高度相對突出，導水裂縫帶高度為168 m，裂采比為28.97。

4.2 微震監測結果驗證

為驗證微震監測導水裂縫帶結果的準確性，選取112201工作面附近“三帶”鉆孔XSD4進行驗證，鉆孔位置如圖8所示。XSD4鉆孔漏失量變化曲線如圖9所示。

圖9 XSD4鉆孔沖洗液漏失量變化曲線

根據鉆孔沖洗液漏失量變化曲線，鉆孔鉆至124.80 m時，距離2-2號煤層頂板175.57 m，鉆液漏失量從0.45 L/s突增至3.15 L/s，且循環液中斷，鉆液無法返回地面，因此可以得出導水裂縫帶頂界位置為124.80 m，即導水裂縫帶高度為175.57 m，2-2號煤層采高5.80 m，裂采比為30.27。鉆孔實測裂采比與本次結論所得裂采比誤差較小，表明該方法的探查結果相對可靠，能夠為該礦區相似地質條件煤層開采提供參考依據。

5 結論

(1)微震事件主要集中于標高940～1 160 m范圍內，在標高1 087～1 115 m階段微震密度達到最大值，根據煤層埋深與微震事件高程差，綜合判定導水裂縫帶最終為154～163 m，裂采比為26.55～28.10。

(2)終采線附近微震事件相對工作面其他區域微震事件的高度相對突出，該區域導水裂縫帶高度為168 m，裂采比為28.97，導水裂縫帶發育高度略大工作面內部。

(3)利用井-地聯合微震監測技術所得結論與鉆孔實測結果誤差較小，表明該方法所得結論相對可靠，可為相似地質條件中埋深煤層開采覆巖導水裂縫帶判斷提供重要依據。