瓦斯灾害潜在危险区微震监测试验研究与应用

2018-10-08余国锋任波刘超段昌瑞陈本良韩云春邓东生

安徽建筑大学学报 2018年4期

余国锋，任波，刘超，段昌瑞，陈本良，韩云春，邓东生

(1.煤炭开采国家工程技术研究院，深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室，安徽淮南 232000；2.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232001；3.中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083；4.西安科技大学能源学院，陕西西安 710054)

由于成煤地质年代久远、封闭性好，我国大部分地区煤层埋藏深、瓦斯含量高、压力大，且历经印支、燕山、喜山等多次构造运动影响，煤层破坏严重、构造复杂、安全开采难度大[1-6]。我国已成为世界上瓦斯灾害最严重的国家之一，煤与瓦斯突出能在较短时间内产生巨大的冲击能量，不仅严重地摧毁巷道设施，毁坏通风系统，而且造成人员的群死群伤，甚至引起瓦斯爆炸事故，社会影响极其恶劣[7-8]。随着浅部资源不断枯竭，深部高瓦斯、高地应力、低透气性恶劣条件下面临的瓦斯灾害威胁更加严峻[9]。近年来，广大学者围绕煤矿瓦斯灾害防治开展了大量的研究，成果丰硕[7-12]。然而，煤与瓦斯突出发生机理不清，影响因素多，目前尚未形成一种普遍适用的瓦斯灾害潜在危险区监测预警方法。

淮南矿区是我国高瓦斯低透气性煤层群典型代表，矿区煤与瓦斯突出灾害严重，威胁矿井的安全生产[12]。本文从开采应力扰动诱导煤岩裂化及微震活动入手，对微震监测预警突出潜在危险区原理进行了深入分析，并在淮南新庄孜矿开展现场工业性试验，初步验证了瓦斯灾害潜在危险区微震监测预警的可行性。

1 瓦斯灾害潜在险区微震监测预警原理

1.1 微震事件监测定位

煤岩微破裂是开采扰动情况下应力场演化的一种显现形式，煤层开采扰动引起应力集中、应力转移和应力释放，内部积聚的能量以弹性波的形式向周围释放的过程即微破裂萌生、扩展、贯通、群集等系列微震事件产生、发展的过程。在被监测的采动区域范围内布置若干检波传感器组成传感器监测阵列接收此类弹性波，再进行数据信号转换、震源定位及数据处理，即可确定出煤岩体破裂发生的时间、三维空间位置及量级，据此就可以研判出煤岩破裂的活动范围、稳定性及其发展趋势并做出定性或定量评价[13-14](图1)。

图1 微震事件定位原理图

1.2 瓦斯灾害潜在险区微震监测

研究表明[15-16]，煤层瓦斯局部大量富集是瓦斯灾害发生的充分必要条件、断层构造异常带是瓦斯灾害的多发区域，通过抽采开采煤层瓦斯降低煤层瓦斯含量、超前探测断层等地质构造异常区并采取措施是防治瓦斯灾害的有效手段。

微震监测技术在美国、南非等矿山开采活动中对岩爆和岩体破坏监测预警的成功应用给煤与瓦斯突出防治提供了新的思路[17]。突破以表观信息监测为依据进行瓦斯灾害监测预警的传统思路，基于煤层采动诱发煤岩微破裂演化致灾的本质，通过连续监测，获取微震活动信息及微破裂的空间分布，据此得出裂隙区、断层的位置、形态和演化过程以及瓦斯富集区，指导煤层瓦斯抽采、构造异常区措施实施，从而防治瓦斯灾害，实现煤炭安高效全开采(图 2)。

2 试验区概况与监测方案设计

2.1 试验区概况

图2 瓦斯灾害潜在险区微震监测原理图

新庄孜矿是淮南高瓦斯(12～36 m3/t)、低透气性(渗透率为0.001 mD)、松软(坚固性系数f为0.2～0.8)、煤层群(9～18层可采煤层)开采条件典型代表，煤层瓦斯压力大(高达6.2 MPa)、构造复杂，主采煤层 C15、C13、B11、B8、B4均为强突出煤层。

62114工作面位于C14煤层，走向长900 m，平均倾向长约145 m，标高-596～-650 m，煤层采高1.5 m，为无突出危险煤层，通过首采保护层C14保护C15和 C13煤层。

62110工作面位于B10煤层，走向长780 m，倾斜长120～160 m，风巷标高-600 m，顺槽标高-662 m，上覆B11b煤、下伏B8煤均未回采，工作面风巷和切眼已形成，底板巷约有100 m未掘进，顺槽约500 m未掘。该工作面小构造较为发育，地应力集中且围岩易破碎，瓦斯动力灾害威胁严重。

2.2 监测方案设计

结合现场工程实际，在62113、和62110工作面底板巷未掘区域分别布置 P1、P2采集仪、P3、P4、P5采集仪和 P6、P7采集仪，与 S1、S2……S42共 42 个传感器相连(图3)。S1～S30各传感器间距约为60 m左右，局部加密，布置在掘进工作面后方巷道和底板巷内，监测62114工作面覆岩采动裂隙发育及其演化，指导瓦斯抽采钻孔设计。与S1～S30布置原则类似，通过S31～S42传感器对62110面底板巷未掘区域微震信息进行超前监测，掩护顺槽掘进，保障工作面安全回采。随着监测工作面的回采和监测巷道的推进，传感器依序向工作面和掘进巷道前方回撤并安装，从而实现微震传感器的移动监测，保证微震弹性波监测的连续性。

图3 监测方案及传感器布置示意图

3 微震监测结果分析

3.1 覆岩采动裂隙演化监测

图4为2009年7月份所监测到的较为典型的沿工作面倾向方向上微震事件及其等值密云图[13，19]，实现了对试验区采动过程中的微震事件实时、动态、连续监测。在煤层采动影响下，随着工作面的推进，工作面覆岩微震事件不断迁移、聚集、规模扩大、数量增多，具体监测结果如下：

(1)微震事件数量：89个→122个→164个→232个。

(2)事件位置及范围：主要集中在靠近沿空留巷、下巷及工作面上方→范围不断扩大→不断堆积延伸并呈微弱弯曲下沉趋势→聚集明显，跳跃式发展。

图4 覆岩采动裂隙形成过程中微震事件及其演化

微震事件的孕育、发生、发展过程在一定程度上反映了覆岩采动裂隙发育及其演化过程。随着工作面的推进，微震事件在采空区覆岩内沿工作面推进方向呈周期性不断向前迁移，最终在工作面掌子面内侧、沿空留巷、且眼及下巷上方聚集发展，形成采动裂隙区，整体上近似一个“圆环形”的裂隙带(图 5(a))，类似覆岩采动裂隙“O”型圈[18]；“圆环形”的裂隙带互相导通，在空间上形成一个不规则闭合的“圆柱形横卧体”[19]。由于采空区瓦斯上浮、临近层瓦斯解吸，大量瓦斯富集于“圆柱形横卧体”，类似于“高位环形裂隙体”[20]，最终在裂隙区形成的高浓瓦斯富集潜在危险区(图5(b))，间接预警了瓦斯灾害。将瓦斯抽采钻孔终孔位置设计在该区域，更有利于卸压瓦斯有效抽采。

根据微震监测结果，对瓦斯抽采钻孔角度、终孔位置等进行了优化。以顶板钻孔的卸压瓦斯抽采为例，优化钻孔设计前类似条件下钻孔抽采量3.1～8.2 m3/min，平均不到 6 m3/min，抽采浓度多小于30%；优化钻孔设计后瓦斯抽采效果明显提升，瓦斯抽采量 6.6～23 m3/min，平均 11.7 m3/min，抽采浓度17.4～47.4%，平均30.8%(图6)。证实了通过微震监测覆岩采动裂隙，指导瓦斯抽采钻孔布置，提高瓦斯抽采效果，消除高瓦斯富集潜在危险区瓦斯灾害威胁的有效性。

3.2 隐伏断层(构造)超前探测与破裂监测

图6 钻孔瓦斯抽采效果图

图7 是62110工作面底板巷与顺槽掘进期间所监测到的微震事件及其密度等值云图[21]。可见，采掘活活动对隐伏断层(构造)影响较大，断层面微破裂不断积聚。从4月30日监测到相对密集的微震事件以来(图7(a))，随着掘进巷道不断靠近断层，断层区域微震事件成条带状急剧增加，并不断积累(图 7(b)、(c)、(d)、(e))，微震事件的发生、发展过程较好的反应了采动应力扰动下隐伏断层(构造)破裂弱化的整个过程。

区域内二维地震勘探结果表明该区域存在2处(JS3、JS4)同相断轴点异常(图8)，推断这 2处异常是由构造或岩性变化引起，其解释结果与微震监测结果基本一致。后期实际揭露的Fa断层、F10-5(10)断层位置与微震监测结果也基本一致(图9)，进一步说明了通过微震监测实现对隐伏断层(构造)探测的有效性。断层构造异常带是煤与瓦斯突出等瓦斯灾害的多发区域，通过微震对隐伏断层(构造)破裂弱化过程的监测实现对隐伏断层(构造)超前探测，间接预警了瓦斯灾害潜在危险区。