九里山矿底板突水监测预警技术的实践应用

薛岚华

（河南能源化工集团焦煤公司，河南 焦作 454002）

河南能源化工集团焦煤公司九里山矿属于典型的煤与瓦斯突出和水文极复杂矿井，底板突水安全隐患严重危害井下开采安全。九里山矿突水事故发生的主要原因如下：一方面是隐伏导水构造的精细探查技术还难以有效准确地探清影响九里山矿开采的水文地质因素；另一方面是九里山矿没有构建水害实时监控与预警系统，无法及时有效地对开采过程中的水害隐患进行监测预警。微震监测技术是近年来从地震勘查行业演化和发展起来的一项跨学科、跨行业的新技术。微震监测技术可以结合煤矿生产现场及实际水文地质资料进行分析和判断，从而实现对突水的预警预报。本文以河南能源化工集团焦煤公司16052 工作面为研究对象，采用微震监测技术构建底板突水监测预警系统，为16052 工作面底板突水安全事故的防治提供依据。

1 工程概况

焦煤公司九里山矿位于焦作矿区东部，井田走向长度约5.5 km，倾向长度约3.4 km，井田面积18.50 km2，矿井设计能力90 万t/a。该煤矿井田构造简单，煤层稳定，煤质优良，储量达1.34 亿t。该矿井为煤与瓦斯突出矿井，最大原始瓦斯含量31.00 m3/t，最大瓦斯压力2.08 MPa，绝对瓦斯涌出量58.16 m3/min（抽采量37.58 m3/min），相对瓦斯涌出量为10.64 m3/t。主采煤层为二1 煤，煤层赋存较稳定，煤尘有爆炸危险。采煤方法为走向长壁后退式采煤法，采煤工艺为综采。

九里山矿水文地质条件极复杂，当前已发生突水事故27 起，涌水量70～103 m3/min，累计排水4.23亿m3，而西翼L8 灰岩含水层水位仅下降20 m 左右，水位居高不降，一2 采区面突水，甚至一面多起突水。该采区为一背斜，裂隙发育，二1 煤至L8 灰岩间隔水层底部有砂岩，形成砂岩聚集区，导升高度5～7 m，L8 灰岩与L2 灰岩之间出现L7、L6、L5 三层灰岩，形成灰岩聚集区。这些特点，按煤-岩-水-气法分析是典型的垂向越导区。因此，针对复杂的水文地质条件，在开采16052 工作面时，采用微震监测技术构建底板突水监测预警系统，对底板进行微震监测分析，通过底板微震事件的分析，掌握底板可能发生损伤的位置，为突水防治提供依据。

2 基于微震监测技术底板突水预警系统的构建

2.1 传感器参数选择及布置

九里山矿16052 工作面微震监测突水预警系统传感器选用地震检波器，频率范围20～1000 Hz，灵敏度为70.0 V/（m·s）。16052 工作面底板承受奥灰水压1.2～1.8 MPa，底板承受奥灰水压力的总体趋势为西高东低；底板厚度为26～50 m，从底板东边向底板西边表现为减小，西薄东厚的分布趋势；同时在底板西侧区域有富水异常区的存在。针对这一情况，16052 工作面微震监测传感器的布置情况如图1，因此，在工作面西侧传感器布置进行了加密。

图1 16052 工作面微震监测传感器的现场布置示意图

2.2 网络系统构建

采用微震监测底板突水预警系统对16052 工作面底板进行24 h 实时监测。突水预警系统构成的拓扑结构如图2，通过布置在工作面周边的地震检波器来采集数据，并将数据传输至井下工作站，继续传送至地面控制中心，对数据进行分析处理，将监测结果报送各单位和领导。

图2 16052 工作面微震监测系统网络拓扑示意图

3 微震监测结果及规律分析

据16052 工作面底板微震事件空间分布俯视图（图3）分析可知，16052 工作面底板微震事件可划分为三大区域：左边a 区域为受构造影响而形成的底板微震区；中间b 区域受采动影响而形成的底板微震区，会随工作面推进而不断变化向前；右边c 区域为滞后微震区，工作面推进后，受滞后影响而形成。

图3 16052 工作面底板微震事件空间分布俯视图

16052 工作面底板微震事件空间分布情况如图4，底板微震事件主要分布在工作面前方50 m 至工作面后方30 m 区域内，微震事件占95%。绝大部分集中在底板12 m 以内区域，存在底板微震事件异常区I 和II。异常区I 深度42 m 左右，分布于点前距离510～620 m 范围；异常区II 深度20 m 左右，分布于点前距离335～465 m 范围内。因此可知，异常区I 已经形成底板导水通道，异常区II 没有形成导水通道。

图4 16052 工作面底板微震事件空间分布示意图

16052 工作面底板微震事件能量和频次分布情况如图5，从图中数据可知，微震事件数为187 个，能量大于103J 的微震事件数量为18 个，占全部微震事件9.9%，能量最大值为2.957×103J，底板微震事件以小能量事件为主。进一步验证异常区I 已形成底板导水通道，并非突水通道。

图5 底板微震事件能量分布曲线

4 底板破坏深度确定

4.1 底板破坏深度微震监测分析

从图4 可知，16052 工作面煤层底板标高范围为+275～ +225 m，底板微震事件基本分布于+215～ +260 m，底板微震事件峰值在标高+245 m 位置，基本判定6052 工作面底板微震事件主要发生在底板标高以下12 m 左右区域内。

采用地质钻孔柱状综合分析方法对底板地质情况进行分析可知，在主采煤层为二1 煤的底板以下11.38 m 的位置存在石英砂岩，厚度为5.62 m。该石英砂岩层是奥陶纪石灰岩与煤层底板之间的最后岩层，石英砂岩层的破坏情况是影响底板强度的关键。根据这一情况可以推测，16052 工作面破坏层位石英砂岩层，底板破坏深度约11.38 m。

4.2 底板破坏深度验证

根据魏西克教授提出塑性滑移时岩土层极限承载力的综合计算方法和模型，可计算出16052 工作面底板最大破坏深度hmax=11.17 m。该计算结果与采用微震监测底板突水监测预警系统得出的工作面底板破坏深度仅仅相差0.21 m，数据基本一致，验证了微震监测底板突水监测预警系统预警数据的准确性。

5 应用效果分析

采用微震监测技术构建底板突水监测预警系统在九里山矿16052 工作面进行了实践应用。监测预警结果表明：16052 工作面底板微震事件主要分布在构造影响微震区、采动影响微震区、滞后微震区三个区域；存在底板微震异常区I 和II，底板出水点位置可能位于工作面前50 m 至后30 m 区域；底板破坏深度约11.38 m。经理论计算和实践验证，底板突水监测预警结果准确，底板突水监测预警结果能做为底板突水有效防治的依据。九里山矿16052工作面微震监测底板突水监测预警系统的成功应用为工作面底板突水监测预警提供了新技术支撑。