基于微震监测的董家河煤矿底板突水通道孕育机制

2019-07-11原富珍庄端阳王振伟孙兴业

煤炭学报 2019年6期

原富珍，马克，庄端阳，王振伟，孙兴业

(1.大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116023; 2.大连理工大学岩石破裂与失稳研究中心，辽宁大连 116024; 3.北方工业大学土木工程学院，北京 100144)

随着华北、华东地区煤矿转向深部开采，矿井底板突水问题日益突出。煤矿底板突水过程为底板岩体受扰动和渗透耦合作用引起的损伤破裂过程，其作用机理复杂，严重影响煤矿安全开采，引起诸多学者的广泛关注。宋振骐等[1]从理论上分析矿山压力对底板突水的影响，建立了跨断层开采的突水预测控制力学模型，制定了相关的控制准则。武强等[2-3]引入变权模型反映突变情况下突水主控因素指标值和各主控因素之间组合关系的变化，提出了主控因素变权区间阈值和调权参数的确定方法，构建了底板突水问题预测评价的变权模型。郭惟嘉等[4]对深部高承压水条件下复杂地质构造诱发底板突水问题进行了分析，将深井底板突水问题分为完整底板裂隙扩展型、原生通道导通型和隐伏构造滑剪型，并建立了相应的突水判据。施龙青等[5]将主成分分析、模糊数学、粒子群算法以及支持向量机理论相结合提出了一种底板突水危险性评价模型，在实际运用中得到了准确的预测结果。刘志新等[6]设计了环工作面电磁法底板突水监测系统，总结了不同空间位置的地质异常体的响应特征，提出了突水系数阈值的概念。胡巍和徐德金[7]采用底板实际岩体强度和折减后岩体破坏时强度的比值进行突水风险评价，并分析了其影响因素。李振华等[8]采用相似模型试验方法研究了采动影响下底板隔水层的动态破坏过程，提出了正断层活化诱发底板突水的前兆信息。HE等[9]从力学角度综合考虑含水层水压力，含水层厚度和含水层含水量等因素，建立了与时间相关的评价底板突水的函数，阐述了地下采矿的突水机制。张培森等[10]采用相似材料试验及数值试验方法，研究了采动影响下底板断层损伤活化规律，揭示了采动应力场和渗流场作用下底板突水通道的形成过程。鲁海峰等[11]运用极限平衡理论，推导了底板断层突水的水压力解析式，分析了断层倾角、工作面推进方向等因素对临界突水水压的影响规律。高玉兵等[12]通过建立裂隙力学模型，从微观角度分析微裂隙扩张过程，通过薄板理论从宏观角度研究了承压水对隔水层的作用机理，揭示了矿压和底板水压对微观裂隙扩张和隔水层断裂的影响机制。PANG等[13]研究了三轴渗流试验过程中试件渗透率的变化规律，获得了岩石内部裂纹扩展规律和最终破坏形式，提出了实用的突水判据。

目前，对于煤矿底板断层突水的研究大多采用理论分析、数值模拟和相似材料试验，提出了一些具有实用价值的底板突水危险性评价的判据。然而，底板岩体力学性质的多样性对其参数的选择造成一定的困难，往往无法准确获取岩体的相关参数，难以有效描述采动影响下煤岩体导水裂隙带孕育演化过程，造成突水判据的失效。

近年来，微震监测技术已经被广泛的应用于煤矿[14-16]、金属矿山[17-18]、水电站引水隧洞[19]、地下厂房[20]、水电边坡[21]、石油洞库[22]等大型岩体工程分析中，并取得了良好的效果。在煤矿微震波形特征、震源定位、矿震活动性规律、冲击地压监测预警等方面取得了一系列研究成果[23-24]，但将微震监测技术用于底板突水通道孕育过程的研究还不足。

笔者通过构建董家河煤矿22517典型工作面微震监测系统，对底板断层区域岩体损伤破裂进行实时监测，研究过断层前后底板岩体内部微破裂萌生演化规律。并将现场微震监测结果和岩石破裂过程分析系统RFPA2D相结合，通过微破裂信息直观反映开采扰动下煤岩体损伤演化过程，再现了煤矿底板导水裂隙带萌生、扩展及发育的全过程，分析突水通道孕育过程中应力场的变化规律。

1 董家河煤矿22517工作面概况

董家河煤矿22517工作面位于二水平二采区皮带下山东部，南北均为未开采煤层。主采山西组5号煤层，赋存稳定，煤厚2.5～4.1 m，平均厚度3.3 m，煤层总体向北东方向倾斜，西高东低，南高北低，东西方向最大高差50 m，南北方向最大高差20 m，整个工作面倾角在3°左右，属近水平煤层。工作面走向1 217 m，倾向185 m，自东向西开采，开切眼位于点前距1 217 m处，终采线位于点前距100 m处。煤层直接底为0.80～1.72 m 厚的石英砂岩，含较多的白云母碎片，具颜色显示的波状及斜层理，具缝合线构造，偶见黄铁矿结核，夹粉砂岩条带。基本底为0.89～3.23 m 厚的细粉砂岩，偶见白云母碎片，含少量黄铁矿结核。底板标高在+225 m～+275 m，平均标高为+250 m。煤层底板厚度24～48 m，平均厚度32 m。

根据微震监测结果及三维地震勘探结果，在轨道巷点前距200～350 m处有一条小型逆断层，断层倾角约73°[25]。工作面点前距480～720 m位置处存在一背斜，背斜的核部与两翼之间的最大高差为4 m。

5号煤层底板含水层主要包括太原组灰岩(砂岩)含水层和奥陶纪灰岩承压含水层。太原组灰岩(砂岩)含水层在工作面底板相变为石英砂岩。中奥陶统峰峰组二段灰岩含水层，是5号煤层开采最重要的底板突水水源。成分以方解石为主，溶蚀裂隙、岩溶发育，裂隙率达4%。钻进中峰峰组二段单位涌水量为0.20～1.51 L/(s·m)，矿化度为0.000 563 g/L，水温25.5 ℃。该段含水层厚度一般为150 m，最大为180 m。奥灰水水位稳定在+375 m左右，最大水压力约1.5 MPa，是富水性强的岩溶裂隙承压含水层，有淹没工作面的危险。

2 工作面突水通道的微震监测分析

2.1 微震监测系统的构建

采用加拿大ESG公司生产的先进高精度微震监测系统，对工作面回采影响区煤岩体破裂进行实时监测、定位及分析。系统组成主要包括微震传感器、Paladin井下数字信号采集系统、Hyperion地面数字信号处理系统以及由大连力软科技有限公司开发的基于远程网络传输的三维可视化软件。微震传感器选用地震检波器，响应频率范围为15～1 000 Hz，灵敏度为43.3 V·s/m。

结合工作面开采及地质情况，将地震检波器分别布置在待监测区域轨道巷和运输巷煤层底板，富水区每隔60 m布置1个安装微震传感器的的钻孔，非开采危险区每隔100 m布置1个安装传感器的钻孔，如图1(a)所示。钻孔孔底进入底板基岩，垂直深度不小于3 m，传感器垂直剖面布置如图1(b)所示。传感器安装过程中，利用安装工具将传感器送至钻孔底部并与底部的岩壁贴牢，向钻孔中缓慢注入适量的水泥砂浆，使砂浆能够盖住传感器，泥浆开始凝固时，将安装工具缓慢抽出钻孔，并用水泥将钻孔灌实，使传感器固定在钻孔底部。

对采空区电缆进行套管和填埋保护，确保采空区塌陷后仍能保证信号传输，轨道巷和运输巷内的传感器将信号通过电缆传输到井下各工作站，通过光缆将每个传感器收集到的数据经联络巷上传至地面注浆站的数据处理服务器以及数据存储和传输服务器，经现场工作人员处理后向科研单位和甲方单位进行发送，微震监测系统构成的拓扑结构如图2所示。

2.2 导水裂隙带分布规律

22517工作面于2014-10-05投入生产，微震监测于2014-11-25开始至2016-10-10结束。为研究过断层期间底板微震事件分布规律及断层围岩损伤破坏情况，选取2015-12-01—2016-03-31底板微震事件进行分析。该时间段内底板突水通道发育主要受断层影响，从工作面走向方向分析过断层前后微震事件活动性规律，探究底板宏观导水通道的孕育过程。微震事件分布图中圆形小球代表岩体损伤破坏产生的微震事件，圆球颜色代表微震事件矩震级。

图1 工作面传感器布置平剖面投影Fig.1 Planar and section projection of the sensor distribution over the working face

图2 微震监测系统构成的拓扑结构Fig.2 Topology structure of the microseismic monitoring system

如图3(a)所示，2015-12-24工作面距断层约85 m，底板断层围岩在开采扰动作用下开始产生微震事件;2015-12-31工作面距断层约76 m时，在底板下方约25 m范围内采集到底板微震事件8个，矩震级位于-1.03～-0.02。微震事件聚集在图中所示的Ⅰ区域，走向长50 m，竖直方向上集中在底板下方25 m附近，事件分布较为分散，断层围岩局部损伤破坏。此外，在断层前方约120 m的底板岩层损伤破裂较为集中，形成一个35 m×15 m的微破裂集中区Ⅱ。如图3(b)所示，2016-01-01—2016-02-29底板围岩只产生零星微震事件。断层附近微破裂集中区域Ⅰ的分布范围基本不变，但其内部事件分布更加密集。走向方向上微破裂有逐渐向采空区延伸的趋势，随工作面推进至断层，底板微震事件扩展至断层前方约200 m的采空区。事件集中区Ⅱ延伸至断层前方150 m。如图3(c)所示，2016-03-01—2016-03-31底板围岩处于微震事件活跃期，工作面已通过断层，采集到底板微震事件32个，并进一步向深部延伸至35 m。矩震级位于-0.73～0.49，微破裂累积地震矩明显升高。走向方向上事件延伸至上盘采空区约220 m范围内，Ⅰ区域向采空区扩展，走向扩展至80 m，深度扩展至35 m，其中在40 m处有1个微震事件。采空区底板损伤程度和范围进一步加剧。

如图4(a)所示，过断层前微破裂能量集中区主要分布在断层附近约30 m范围内，其中①区域为高能量密度区，走向长度约15 m，位于煤层下方约5～25 m，煤层下方5 m岩层处于次高能区。断层损伤破坏主要集中在煤层下方5～25 m，而紧邻煤层的5 m范围内的断层仍处于稳定状态。如图4(b)所示，过断层后高能区向上盘采空区及深部扩展。沿工作面走向扩展至上盘采空区约80 m范围内，深度方向扩展至煤层下方约35 m，底板裂隙发育并贯通，有可能形成底板突水通道。

图3 煤层底板微震事件走向分布Fig.3 Distribution of microseismic events in coal seam floor

图4 底板岩体微震能量密度分布(玫红色线为工作面位置)Fig.4 Distribution of microseismic energy density of rock mass in floor (Rosy red line for working face)

3 突水通道附近应力变化机理研究

3.1 底板突水数值模型的构建

采用RFPA2D模拟采动影响下断层围岩微破裂萌生、发展及形成导水通道的渐进过程。模型走向长500 m，高200 m，煤层厚度4 m，模型共划分为500×200=100 000个单元，如图5所示。模型两侧边界水平位移约束，底面垂直位移约束，上部边界施加4 MPa的均布载荷模拟上覆岩层自重并考虑模型自重，屈服准则为Mohr-Coulomb准则。各岩层物理力学参数见表1，岩层1，4，6，12，14，16为细粉砂岩;岩层2，7，17为粗粉砂岩;岩层3，9，18，22为中粒砂岩;岩层5，8，10为细粒砂岩;岩层11为煤层;岩层13，15，19为石英砂岩，岩层20为铝质泥岩;岩层21，23为石灰岩。其中，21，22和23层为奥灰岩层。模型中，采用力学性质较弱的单元模拟断层[26]，倾角为73°，如图5中红线所示。

图5 底板突水数值模型Fig.5 Numerical model diagram

表1 模型中岩层属性及物理力学参数Table 1 Mechanics and physical parameters stats of rocks in model

第2步开始采用分步连续开挖的方式模拟工作面回采。充分考虑边界效应的影响，距离模型右侧边界170 m处开始开挖，步距为10 m。模型顶部和底部为隔水边界，设定顶部为0，底部为150 m高的定水头边界，模拟奥灰岩承压水1.5 MPa的水压，水压通过边界传递到煤层下覆含水层中。

3.2 底板断层围岩损伤破坏特征

RFPA模拟中，声发射计数通过损伤单元数确定，能量释放由损伤单元释放的应变能计算[27]。声发射事件图中红色为拉破坏、白色表示为压破坏、黑色表示累积的声发射破坏。如图6(a)所示，工作面自上盘接近断层过程中，底板下方约25 m附近断层围岩首先产生声发射事件，并逐渐向上扩展，沿倾向产生零星声发射事件且以压破坏事件为主，每次开挖所产生的声发射能量均小于2 000 J，断层围岩发生局部损伤破坏，微破裂有分段萌生的特征。如图6(b)所示，过断层后煤层附近断层围岩声发射事件聚集，微破裂逐渐贯通形成宏观裂缝，并沿断层倾向向深部扩展。工作面推过断层35 m时，声发射信号主要分布在底板下方35 m范围内且以拉破坏事件为主，其中20 m范围内形成贯通。如图7所示，工作面推过断层15 m时，声发射能量激增至6 305 J，事件数增至35个，微破裂事件逐渐形成贯通，围岩损伤加剧，易形成突水通道。与微震监测结果一致。

图6 突水通道声发射事件分布Fig.6 Distribution of acoustic emission events in water Inrush channel

图7 底板断层围岩声发射事件数及能量统计Fig.7 Number and energy statistics of acoustic emission events in the rock of the floor fault

3.3 断层围岩应力场演化规律

如图6所示，工作面位于上盘时，白色声发射事件较多，零星分布有红色声发射事件，断层围岩主要发生压破坏;推进至下盘时，基本为红色声发射事件，以拉破坏为主。说明工作面位于上盘时，断层处于压应力区，主要发生压剪破坏。过断层后应力重新调整，断层附近出现拉应力区，围岩在拉应力作用下损伤破坏加剧。

如图8(a)所示，开采扰动下煤层下方15～35 m段断层围岩首先出现塑性区，工作面推进至断层前方25 m时，最小主应力分布边界①处局部扩展至煤层下方15 m断层处。如图8(b)所示，当推进至断层前方15 m时，断层围岩变形进一步发展，但塑性区分布范围基本不变;煤层下方15～30 m断层局部区域最小主应力集中，煤层下方15 m范围内最小主应力逐渐向断层扩展。如图8(c)所示，推进至断层前方5 m时，断层围岩变形进一步发展，塑性区向上扩展，有与工作面底板导通的趋势;最小主应力分布边界①处随工作面推进向下盘延伸，煤层下方15 m范围内出现沿断层零散分布的应力集中区。如图8(d)所示，工作面过断层后5 m时，断层围岩塑性区与底板塑性区重合，均处于采空区底板卸压区。煤层下方15 m范围内断层围岩发生局部微破裂，造成应力释放，在15 m处形成最小主应力集中区，并有向下延伸的趋势。

图8 突水通道应力分布Fig.8 Stress distribution diagram of water inrush channel

图9 过断层后突水通道最小主应力Fig.9 Minimum principal stress of water inrush channel after crossing fault

如图9(a)所示，随工作面推过断层15 m时，最小主应力集中区仍分布在煤层下方15 m处，但其分布范围小幅增大，且上方断层局部破坏增加。如图9(b)所示，推过断层25 m时，应力集中区沿断层向下扩展至20 m，破坏区域随之向下延伸并逐渐贯通。如图9(c)所示，推过断层35 m时，应力集中区向下扩展至25 m，其上方断层上下盘围岩发生开裂，进一步向下延伸与含水层导通则有发生突水的危险。

3.4 断层面剪应力特征

模型计算完成后，沿断层倾向方向分别取距煤层垂直距离为2，10，20和30 m 处断层剪应力进行定量分析。如图10 所示，工作面推进至断层前方5 m过程中，煤层下方2 m 处断层剪应力为负值且逐渐减小，越靠近断层剪应力变化越快，最小值为-4.37 MPa;推过断层5 m 时，应力值为+1.49 MPa，剪应力方向反转;随工作面继续推进，断层损伤破坏，应力值降低至0 MPa。沿断层倾向其他测点剪应力变化趋势相似。煤层下方10，20和30 m处断层剪应力分别在工作面推进至距断层25，35 和45 m处降至最小，底板断层面上深部剪应力绝对值先达到最大，超过围岩承载能力后先破坏，声发射事件自下而上扩展;分别距断层5，5和15 m时应力方向反转;分别距断层-15，-15和-35 m时，应力值降至0 MPa，应力反转后底板断层面上浅部20 m范围内剪应力先降低，浅部断层发生开裂破坏，损伤破坏方向转变为自上而下向深部扩展。

图10 断层剪应力Fig.10 Fault shear stress

工作面自上盘临近断层过程中剪应力为负值且逐渐减小，断层有向下滑移趋势。过断层期间，剪应力为正值，应力方向反转，断层上盘运动趋势转变为向上。将底板视为梁结构，煤层下方20 m剪应力值及其变化幅值最小，因此煤层下方20 m附近为底板弯曲变形的中性层。结合底板岩层覆存情况，该测点上方为厚度大强度高的石英砂岩，对底板变形起关键作用，符合底板变形的中性层特征。

3.5 底板应力特征

图11 工作面走向方向水平应力变化Fig.11 Horizontal stress variation diagram of working face direction

断层作为天然的断裂面，对上下盘之间应力、传递起到隔断作用，上下盘围岩变形存在较大差异，导致断层损伤滑移。为研究工作面过断层后断层自上而下的开裂并形成导水通道的应力变化规律，沿工作面底板作剖面，读取底板随工作面推进的应力变化曲线。如图11(a)所示，工作面正常推进期间，采空区底板水平应力分布呈“U”形，采空区底板中间区域拉应力值3 MPa，两侧边缘10 m范围内拉应力逐渐降低，在采空区外侧实体煤支撑区域转变为压应力并具有超前支撑效应。断层围岩处于压应力影响区，随工作面临近受超前支撑作用影响，断层围岩发生压破坏。工作面位于下盘时，断层受采空区底板拉应力影响，且在其附近形成水平拉应力升高区。工作面推过断层15 m时，距断层25 m的上盘底板岩层拉应力增大，最大值约8 MPa。此时，断层围岩发生拉破坏，在高应力作用下损伤破坏加剧。

随距离煤层深度增加，底板水平应力状态具有较大差异。如图11(b)所示，工作面推过断层25 m时，煤层下方20 m断层附近出现拉应力升高区，最大值约1.6 MPa。如图11(c)所示，工作面推过断层35 m时，煤层下方30 m的断层附近出现拉应力升高区，最大值约1.1 MPa。这是由于靠近煤层的底板断层首先发生开裂破坏，对下方岩层的载荷降低，深部断层围岩附近产生拉应力，裂纹逐渐向深部扩展。由于深部断层围岩仍受上方载荷作用，拉应力较小，因此损伤破坏程度较小，只产生少量的声发射破坏，煤层下方30 m以下岩层的微破裂并未形成贯通。

图12 工作面涌水量变化信息Fig.12 Information of water inflow in working face

4 工作面涌水量监测分析

如图12所示，2015年8月下旬到2016-02-20期间，工作面自上盘推进至断层附近，涌水量处于一个相对稳定阶段。2016-02-20工作面推进至断层时涌水量为68 m3/h，随工作面推进涌水量开始呈增大趋势。2016-03-07工作面推过断层后，涌水量增大至峰值75 m3/h。但是在观测过程中并未发现明显的突水点，因此认为此时断层损伤破坏区域并未与奥灰岩含水层导通。结合底板隔水岩层覆存信息分析可知，煤层下方25 m附近有一层4 m厚的铝质泥岩，为底板隔水层，过断层后，底板隔水层仍然比较完整，微破裂尚未贯通，仍然具有较好的隔水性能。而隔水层发生局部微破坏导致渗透率增加，底板涌水量增加。与微震监测和数值模拟结果一致。

综上，最终微破裂深度为35 m，微破裂贯通深度为20 m，作为底板断层区域破坏深度具有较高的可信度，证明了微震监测及RFPA数值模拟获得的煤层底板断层破坏区域的正确性及有效性。将微震监测与数值模拟相结合，对底板岩体破裂进行实时监测，可用于底板损伤程度及其范围的评价，并且有针对性的对底板岩体破碎区域进行注浆改造，实现了承压水上底板断层区域煤层的安全开采。