基于微震與數值模擬的區域改造煤層底板破壞演化機理研究

余國鋒 ，韓云春 ，任 波 ，徐一帆 ，樊建勛 ，王 偉

（1.平安煤炭開采工程技術研究院有限責任公司，安徽 淮南 232000；2.深部煤炭開采與環境保護國家重點實驗室，安徽 淮南 232000；3.紫光軟件系統有限公司，北京 100083）

由于石炭二疊系煤層下的奧陶系灰巖水深度大、水壓高、含水量豐富，所以受奧灰水威脅的礦井，一旦底板采動破壞帶與承壓水導升帶貫通，工作面突水危險性極高。注漿作為加固巖體手段常被用于底板水防治[1-6]，注漿效果的好壞取決于注漿層位、擴散路徑及注漿擴散半徑[7]。根據底板巖層的力學特點，錢鳴高等提出了底板關鍵層理論[8]。針對煤礦底板注漿，同樣存在注漿關鍵層，高壓漿液從注漿關鍵層出發擴散，注漿擴散半徑的大小受原位地質條件以及注漿壓力、注漿設備和注漿材料等工藝參數影響[9-11]；注漿擴散半徑的大小直接關系到注漿及水害防治的效果。已有研究表明，底板區域注漿改造效果與底板破壞深度有一定相關性[12-13]。微震監測作為分析巖體破裂的1 種手段常被用于研究底板破壞深度[14-15]，但難以直接反映注漿前后底板力學特征的變化；數值模擬可以較為靈活的模擬不同地質力學參數對底板破壞深度的影響，但其力學參數需要實際監測的校驗。微震監測和數值模擬可以相輔相成，聯合分析底板區域注漿改造效果與底板破壞深度[16-18]。因此，以淮南礦區潘二煤礦區域注漿改造底板為研究對象，結合數值模擬和微震監測數據，分析煤層底板的破壞深度演化規律及區域注漿效果；嘗試通過對比注漿前后的底板破壞差異性，揭示注漿加固底板在承壓水及采動應力雙重作用下的抗破壞特征；為區域注漿底板的防治水害效果提供一種評價方法。

1 底板區域注漿改造工程概況

1.1 潘二煤礦水文地質概況

潘二煤礦位于安徽省淮南市潘集區境內，隸屬淮河能源煤業分公司。井田東西走向長約11 km，南北寬約1.3～3 km，面積19.651 8 km2。井田位于淮河沖積平原，地形平坦，地面標高為+20.5～+22 m。12123 工作面位于潘二煤礦一水平西二采區，東起西二A 組煤采區上山，西以DF14斷層為界，北沿12223 回風巷掘進，南以設計標高為準。上限標高為-435.6 m，下限標高為-508.1 m。下階段1223 工作面已收作，上覆14124、12124、12224工作面均已回采。工作面可采走向長1 003 m，傾斜長221 m。可采儲量約143.7 萬t。該塊段煤層傾角3°～22°，平均10°。12123 工作面回采期間將揭露斷層27 條，地質條件較為復雜。根據采掘資料、地面鉆孔及三維地震資料，影響12123 工作面的充水因素主要有太原組灰巖巖溶水、頂板砂巖裂隙水、斷層水、鉆孔水及老空水。其中最為嚴重的是底板以下130 m 處的奧陶系灰巖水，水壓高達5.9 MPa，2017 年該礦因誤揭陷落柱曾導致底板突水，因此，礦區底板治理勢在必行。潘二煤礦地層柱狀圖如圖1。

1.2 12123 工作面底板區域注漿改造情況

高壓注漿鉆孔布置平面如圖2。累計注漿15 526.62 t，進行62 次壓水試驗，終孔注漿壓力為9.1 MPa。

圖2 注漿鉆孔施工布置平面圖Fig.2 Layout plan of grouting drilling construction

為了實現對12123 工作面底板區域注漿全覆蓋以及鄰近12223 工作面底板注漿部分覆蓋，礦區對此進行探查治理，根據相關內容，綜合考慮注漿巖層及其相鄰巖層的可注性，采用C3-5 灰巖層為注漿巖層。注漿治理平面面積408 084 m2，地層傾角15°，治理斜面面積為422 480 m2。

2 區域注漿擴散半徑

根據現場觀測結果，太灰巖層的可注性一般，經注漿后的探查治理未發現導水通道，但存在少量的漏漿現象。通過高壓注漿區域改造，工作面底板裂隙帶被水泥充填加固，使得“下三帶”中的完整巖層帶得以加大，增加隔水層厚度，有效阻擋了承壓水導升帶與工作面的聯系，進而達到了良好的注漿效果，完成煤礦防治水任務。依據潘二煤礦西二采區12123 工作面底板灰巖水治理勘察及施工報告，底板區域注漿的擴散半徑設計為30 m。注漿過程中可能存在跑漿、串漿和地質異常體等非設備故障引起的注漿異常：①跑漿：是指漿液未按設計程序滲透至指定位置，主要包括跑漿至采空區或巷道等其他區域，其后果不僅浪費漿液，而且嚴重影響井下開采作業；②串漿：是指未滲透至指定區域，而是滲透至其他鉆孔，包括串漿至地面定向孔或井下探放水口孔，造成其他鉆孔堵塞，重者導致鉆頭發生卡鉆事故；③地質異常體：為治理目標，不會影響注漿效果，但是會對實際的注漿擴散半徑初評產生一定的誤差。因此，綜合考慮跑漿、串漿和地質異常體等注漿異常情況，針對注漿擴散半徑為25、30、35 m 的情況，進行底板破壞深度分析。

3 12123 工作面底板破壞數值模擬

3.1 頂底板巖石力學參數

采用FLAC3D數值模擬軟件進行12123 工作面底板破壞深度模擬分析。根據工作面底板注漿前后鉆孔取心，對其巖石樣品進行力學性質實驗，認識到注漿后砂巖段與灰巖段的力學參數約為注漿前的1.36 倍，泥巖層段由于隔水性強、可注性低，因此其力學參數整體變化不大；注漿涉及漿水驅替，注漿前后對巖體的密度影響較小，故在數值模擬中巖層密度保持不變[19-21]。注漿前后巖石力學參數表見表1 和表2。

表1 注漿前巖石力學參數表Table 1 Rock mechanical parameters before grouting

表2 注漿后巖石力學參數表Table 2 Rock mechanical parameters after grouting

3.2 注漿前后底板破壞規律

首先基于表1 的巖石力學參數，構建12123工作面回采過程三維地質力學模型。潘二煤礦12123 工作面走向長度為1 000 m，工作面傾向長度為221 m。因此，將FLAC3D模型中的x軸設置為600 m（走向），y軸設置為500 m（傾向），z軸設置為310 m（深度）。該模型開采步長為10 m，基于上覆巖體重力等因素影響，設置垂直向下應力szz=8.62 MPa，同時賦予奧陶系灰巖水水壓為4.5 MPa，水壓隨巖層深度呈現梯度增加。未注漿底板的破壞深度情況如圖3。

圖3 工作面推進300 m 未注漿底板破壞深度圖Fig.3 Schematic diagrams of simulation of working face advancing 300 m without grouting

由圖3 未注漿底板的破壞情況可以看出，底板破壞的原因：①奧陶系灰巖水水力壓裂導致底板破壞；②受開采擾動及覆層重力影響，底板巖體發生損傷破裂，進而加大了底板“下三帶”中的底板裂隙帶的深度。根據模擬的結果，底板破壞帶深度高達45 m，該破壞深度已可溝通太灰含水層，如果有不良地質構造，則極易進一步導通至下覆奧灰層。

對注漿擴散半徑為25、30、35 m 底板破壞情況進行數值模擬，相應的模擬結果如圖4～圖6。

圖4 工作面推進300 m 底板注漿擴散半徑25 m 模擬圖Fig.4 Schematic diagrams of 25 m simulation of grouting diffusion radius of 300 m in the working face

圖5 工作面推進300 m 底板注漿擴散半徑30 m 模擬圖Fig.5 Schematic diagrams of 30 m simulation of working face advancing 300 m bottom grouting diffusion radius

圖6 工作面推進300 m 底板注漿擴散半徑35 m 模擬圖Fig.6 Schematic diagrams of 35 m simulation of working face advancing 300 m floor grouting diffusion radius

由圖4～圖6 可以看出：隨著注漿擴散半徑的逐漸增加，底板破壞深度也在逐漸減小：當注漿擴散半徑為25 m 時，底板破壞深度為37 m；當注漿擴散半徑增加至30 m 時，底板破壞深度減小到了23 m；最后將注漿擴散半徑設置為35 m 時，底板破壞深度只有18 m。通過底板破壞深度可以看出，底板區域注漿，除了對底板巖層的隔水性進行改造，對底板巖層的完整性影響明顯，注漿擴散半徑與底板破壞深度成負相關性。

4 基于微震的底板破壞特征分析

4.1 微震監測系統布置方案

潘二煤礦12123 工作面采用加拿大ESG 微震監測系統，根據現場勘測和巷道實際情況，選擇了上下底抽巷作為傳感器的安裝巷道，工作面上下底抽巷的落差約為30 m，最大可達48 m，為建立立體空間監測網創造了有利條件。12123 工作面微震監測布置如圖7。

圖7 12123 工作面微震監測布置平面圖Fig.7 Layout plan of microseismic monitoring at 12123 working face

工作面內布置18 個測點，具體為上下底抽巷內各布置9 個測點。在距離12123 上底抽巷聯巷約206 m 處（距離工作面開切眼約156 m）布置第1個傳感器測點，而后每間隔100～112 m 布置1 個；在距離12123 上底抽巷聯巷約260 m 的下底抽巷布置第10 個傳感器測點，而后每間隔100～115 m布置1 個，以保證對回采工作面底板巖層的微震活動性全覆蓋監測。

4.2 基于微震監測數據的底板破壞深度

12123 工作面微震數據選取2020 年12 月10日至2021 年4 月12 日共計7 514 個有效微震事件，其中頂板微震事件5 634 個，底板微震事件1 880 個。受12123 工作面開采擾動及爆破影響，2020 年12月10 日至2021 年4 月12 日處于開采高峰期，底板微震事件數量多，能量大，巖體破裂嚴重，底板破壞帶迅速發育，進而影響底板破壞深度。微震事件分布和微震事件密度云圖如圖8。

從圖8 中可以看出，由于開采進度較快，該階段微震事件處于高密度狀態。該階段底板高密度微震事件距離地面-440～-445 m。由于12123 工作面的平均標高為-470 m，因此，根據微震事件的空間分布，推算底板破壞深度在25～30 m 之間。

為進一步增強統計意義、增加可信度，利用SPSS 統計學軟件對監測的微震數據基于事件頻次進行分析，得出事件頻次較大的數據組：將2020年12 月10 日至2021 年4 月12 日微震監測底板破裂數據運用SPSS 統計軟件進行統計分析，統計范圍為煤層底板以深（底板下0～80 m），底板破壞深度聚類分析示意圖如圖9。

圖9 底板破壞深度聚類分析示意圖Fig.9 Schematic diagram of floor failure depth cluster analysis

根據圖9，分析研究出底板破壞深度在23～30 m，與圖8 微震事件密度云圖中所對應的25 m 左右相對應。進一步結合數值模擬結果，可以認為實際底板區域注漿擴散半徑平均應為25～30 m。

4.3 注漿底板與非注漿底板微震數據特征對比

為了進一步分析注漿對底板改造的影響，將潘二煤礦12123 工作面的微震監測數據，與未經過注漿改造的張集煤礦1612A 工作面微震監測數據，進行對比分析。二者具有可比性的前提條件為：①2 個工作面同處同一礦區，頂底板地層條件，包括巖性、巖心分布等均類似，底板承受相同的太灰水和奧灰水威脅；②2 個采場分別于2019 年和2020 年采用同一套微震設備監測；③微震數據的對比分析只針對相對值比較（絕對值還受回采進尺、采高等影響）；④同時只針對2 個工作面的完整底板段（不受斷層等構造影響）。

底板破壞類型及占比統計對比圖如圖10。

圖10 底板破壞類型及占比統計對比圖Fig.10 Statistical comparison of types and proportions of floor failure

進行對比如下:

1）底板關鍵層的微震事件占比。潘二煤礦12123 工作面底板以下30～60 m 范圍內的微震事件占底板微震事件總數的31.96%；張集煤礦1612A工作面底板以下30～60 m 范圍內的微震事件占底板微震事件總數的42.22%。說明注漿治理增強了巖石的強度參數，減少了微破裂事件的產生。

2）底板損傷/破壞類型及其比例。根據微震監測數據的閾值(ES/EP)，每個微震事件都會發射彈性波，包括壓縮波（P 波）和剪切波（S 波），MS 事件的S 波和P 波能量比（Es/Ep）可以用于確定巖石破裂機制、判別巖層破壞單元的破壞類型。ES/EP大于10 的事件通常與斷層滑動或剪切有關，ES/EP小于3 的事件與巖石的拉伸破壞有關，ES/EP在3～10 之間的事件通常被認為巖石的拉剪混合破壞[22]。潘二煤礦12123 工作面底板巖體發生剪破壞的點有916 個，發生拉破壞的點有126 個，發生拉剪破壞的點有838 個，其中拉破壞占比僅為6.7%，拉剪破壞占比為44.57%，而剪破壞所占比重最大，為48.72%；而未注漿的張集煤礦1612A 工作面底板的拉破壞占所有破壞單元數的24.14%。可以看出，正是由于底板巖層經注漿治理后，注漿巖層的抗拉強度明顯提升，所以底板拉破壞占比降低，破壞類型主要以直接底和鄰近直接底的剪切破壞為主。

5 結 語

1）綜合考慮跑漿、串漿和地質異常體等對注漿擴散的影響，模擬得到注漿擴散半徑分別為25、30、35 m 時底板破壞深度分別為37、23、18 m，注漿除了對底板巖層的隔水性進行改造，對底板完整性影響明顯，注漿擴散半徑與底板破壞深度成負相關性。

2）基于微震監測和數值模擬數據相結合的分析，認為12123 工作面完整底板區的平均破壞深度約為25 m；底板區域改造注漿實際擴散半徑平均約為25～30 m。

3）基于不同工作面底板微地震事件及破壞類型對比分析，認識到注漿底板關鍵層的微震事件總數有明顯降低，且拉伸破壞占比降低。從統計數據角度進一步說明注漿除了對底板巖層的隔水性進行改造，亦對底板巖層的強度參數進行了調控，進而改變了底板巖層的破壞特征。